烟气脱硝用尿素水解的计算与中试

1.2四元体系相平衡

四元体系相平衡计算十分复杂，应考虑到各组分的电离平衡，目前没有较为准确的方法可以获得。低浓度的尿素水解过程电离反应式有：

系统涉及较多组分，气相3组分：水、氨、CO2之间的平衡液相涉及10个组分：尿素水解反应、氨和CO2电离平衡、甲铵离子生成的平衡反应。

本文通过Edwards模型获得三元体系的活度系数，并在液相增加一个尿素水解约束方程，获得四元体系的相平衡计算。

1.3尿素水解率

尿素水解是一个可逆过程，当温度低于60℃时，几乎不发生水解反应，随着温度升高，水解速率加快，当温度达80℃时，1h内尿素的水解量仅为0.5%，110℃时1h内可增加到3%，当加热溶液温度高于130℃时，尿素会直接水解为氨和二氧化碳，当达到平衡时，最终尿素浓度取决于停留时间和温度。

尿素水解率的表达式如下：

其中，Ue、U0分别是反应前初始的和反应后最终的尿素浓度，mg/L;τ是尿素溶液在反应器中的停留时间，min;n是水解反应器级数;k是尿素水解反应的速度常数;T是水解反应温度。

2模型建立与模拟

在尿素水解热力学计算的基础上，结合尿素水解反应模型和反应动力学模型，采用ASPEN进行流程模拟计算，将HYSYS工艺计算得到的各个操作点物性参数，导入HTRI进行反应器和换热器的计算和选型，如图1所示。

如图1所示，重量比为50w%的尿素水溶液作为物流(1)在换热器B1中与180℃、1.0MPa的水蒸汽(5)进行换热，尿素水溶液的温度提高到60℃后，作为水解反应器B2的进料物流(2)，进入150℃、0.6MPa的反应器发生尿素水解反应，产品气(3)主要组分为NH3、CO2、H2O。

图2给出了不同进料浓度下，水解产物中各组分的摩尔浓度及反应器热功率的模拟计算对比结果。可以看出，随着尿素溶液浓度的提高，水解产物中组分NH3浓度增加，组分H2O浓度降低，产氨的单位能耗减小。当进料尿素溶液浓度由50w%提升到60w%后，产品气中组分NH3的摩尔分率由0.37提升到0.47，组分H2O的摩尔分率由0.43降低到0.28。

由于产品气中组分H2O浓度降低，不仅可以减少反应液中多余水分蒸发所吸收的汽化潜热，同时也降低了反应器加热蒸汽的耗量，于是能有效地提高尿素水解反应器的经济性。

3中试试验

3.1中试反应器系统

中试装置运行，尿素水溶液的配制由配制系统完成，控制水溶液中尿素的浓度。中试试验过程的原料采用袋装尿素，总氮含量≧46.3%，缩二脲含量≦0.9%，水(H2O)分≦0.5%,满足国标GB2440-2001要求。

图3所示尿素水解中试装置的工艺流程为：疏水箱中的软化水通过给水泵一路送入尿素溶解罐中与尿素颗粒混合以制备尿素溶液，另一路经过换热器预热后送入电锅炉中产生高温蒸汽。尿素溶液由给料泵送入水解反应器中，发生水解反应生成氨气，反应所需热量由来自分气缸中的流动蒸汽提供，蒸汽放热变为饱和水经换热器降温后回到疏水箱。气相产物经反应器顶部排出。反应残液送往废水箱进行后处理。

装置采用定压运行，连续进料，加热蒸汽流量和产品气流量由安装在管道上的质量流量计实时记录。当反应体系达到平衡状态后，加热蒸汽流量和产品气流量保持稳定，水解反应器气相温度则逐渐降低直到稳定。

延伸阅读：

SCR法烟气脱硝技术在W型火焰锅炉上的应用

燃煤电厂SCR烟气脱硝技术改造实施要点

电厂烟气脱硝技术优化设计