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尿素应用新领域及其发展前景综述

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化・学工业 USTRY 第31卷第11期 2013 年 11 月 24・ CHEMICAL咖尿素应用新领域及其发展前景综述 汪家铭 (川化集团有限责任公司,成都610301) 摘要:介绍了脱硝尿素和车用尿素在SCR技术中的应用概况及其今后在国内尿素市场消费中的前景。脱硝尿 素和车用尿素的应用是燃煤烟气和汽车尾气的排放最能够直接见到效果的控制大气污染物的一个重要措施。 关键词:尿素;脱硝作用;污染防治;应用;前景 文章编号:1673 9647(2013)1 1—0024—05 中图分类号:TQ441.41 文献标识码:A 尿素外观为白色晶体或粉末.90%以上的尿 硝技术治理烟气排放中的N0 的污染刻不容缓。 素被用作植物的氮肥,在医药、化工、饲料、纺 织等行业也要用到尿素 工业上用液氨和二氧化 碳为原料。在高温高压条件下直接合成尿素 2012年全国合成氨产能达到6 730万t/a,尿素产 能(实物量)达到7 130万t/a.产能过剩l 800 1.1 SCR脱硝 SCR(选择性催化还原)脱硝技术具有脱硝 效率高、工艺技术成熟、装置运行稳定、对各种 烟气适应性好等特点.且尾气排放质量浓度低于 200 mg/m3.可以适应国家环保的日益严格和 节能减排工作的需要,广泛地应用在电力、化工、 建材、造纸、印染、冶金等行业锅炉烟气、废弃 多万t/a。而2013年合成氨和尿素还将分别新增 产能430万t/a、680万t/a以上。如果年内全部 形成生产能力.尿素产能将比实际有效需求过剩 近2 000万t/a.这种供求状况自然是氮肥市场价 格或许还会产生宽幅震荡的隐患 “十二五”以 来,我国氮肥工业结构调整取得了积极的成效。 但尿素产能过剩并未得到根本性的扭转.且产能 还在增加.重复建设的矛盾有增无减。国内目前 已经开始全面启动的烟气脱硝市场和车用尿素市 物焚烧废气和工业用气等脱硝设施中。 SCR技术原理是烟气和氨与空气的混合物在 经过SCR反应器的蜂窝式或板式催化剂层时.烟 气中的NO (主要是NO以及少量的NO。)和加入 SCR反应器中的还原剂氨、空气中0,发生选择性 催化还原反应。生成无污染的N,和水。反应温度 可以在300 400℃之间进行.脱硝效率约为70%~ 90%E 。 场.将为传统尿素产品开辟新的应用领域.也为 尿素生产企业带来了新机遇 脱硝还原剂的来源主要有液氨、氨水和尿素, 液氨可以直接制取氨气.氨水和尿素可以间接制 取氨气。但从安全角度来讲.液氨属于乙类危险 品.在安全方面具有特殊要求.对储存车间的建筑 1脱硝尿素 社会经济发展的同时对于环境保护的要求越 来越严格,尤其是对于一些像火电、化工、冶金 等环境污染比较严重的行业 在“十二五”环保 要求(耐火等级,防火间距,厂房防爆措施,疏 散措施指标等)高。 尿素是一种稳定、无毒的固体物料,作为脱 硝用氨的理想来源.对人和环境均无害.可以散 新标准出台后,脱硫脱硝、固体颗粒物、粉尘污 染等各项排放指标要求更加严格。NO (氮氧化 物)是主要的大气污染物之一。直接或间接影响 到大气环境质量,如光化学烟雾、大气酸沉降、 平流层臭氧损耗等Eli。2009年以来,国家关于控 装运输并长期储存。从安全与经济角度考虑,随 着脱硝还原剂储存、制备与供应技术的日渐成熟, 通过尿素热解法或水解法两种制氨工艺替代液氨 收稿日期:2013—04—28 制空气中的氮氧化物的不断出台.氮氧化物 指标被纳入约束性指标. “十二五”节能减排范 围将增加脱硝这一约束性硬指标 因此.脱硝已 作者简介:汪家铭(1949一),男,江苏省人,工程师,从事化工 成为大气污染治理的重点之一.当前采取高效脱 科技期刊编辑及化工情报信息工作。 第11期 汪家铭:尿素应用新领域及其发展前景综述 ・25・ 贮存及制备工艺.可达到同等的脱硝性能[引。 1.2工艺流程 尿素溶液经由给料泵、计量分配装置、雾化喷嘴 等进入绝热分解室。稀释空气经加热后也进入分 采用尿素热解制氨SCR脱硝技术组成主要有 尿素热解系统、氨/空气喷嘴、SCR控制、SCR反 应器、SCR的吹灰和输灰等部分…。采用尿素热 解法的SCR脱硝系统工艺流程为:尿素粉末储存 于储仓.称重给料机输送到溶解罐里.用除盐水 解室,与尿素溶液充分混合后雾化成尿素液滴在 绝热分解室内分解.生成的分解产物为氨气和二 氧化碳.分解产物经由氨喷射系统进入SCR反应 器.当烟气流经SCR反应器的催化层时.与雾状 氨/空气发生选择性催化还原反应,去除NO 后 并通过外部加热.使溶液温度保持在40℃以上, 将固体尿素溶解成50%尿素溶液[s-。 尿素溶液用尿液混合泵输送到尿素溶液储罐。 固体尿素 的烟气经电除尘器进一步净化.净化合格后的尾 气通过排气筒直接排放到大气中。整个尿素热解 法SCR脱硝系统工艺流程见图1 除盐水 图1尿素热解法SCR脱硝系统工艺流程 1.3脱硝尿素应用前景 火电厂是NO 等大气污染物排放的主要来 源.根据中国工程院的研究,我国的环境容量中 氮氧化物为1 200 t.仅电力行业就已经排放了 1 400 t氮氧化物.并且排放量还在持续增加[ 。 为有效控制大气NO 的排放,我国先后四次颁布 国电电力大同第二发电厂等越来越多的电厂脱硝 改造选用尿素作为还原剂.将为尿素开辟新的应 用领域[ 实施新标准.在大幅削减污染物排放 的同时.还将带动相关的环保技术和产业市场的 发展。据测算,新标准的实施将为脱硝、脱硫和 除尘等环保治理和设备制造行业带来约2 600亿 实施有关火电厂大气污染物的排放标准 国家环 境保护部明确规定: “在京津冀、长三角和珠三 元的市场规模。在节能减排大背景下,脱硝行业 发展空间广阔 从安全考虑.城市中的电厂会采用尿素作为 角地区,新建火电厂必须同步建设脱硝装置, 2015年年底前.现役机组全部完成脱硝改造。” 新的《火电厂大气污染物排放标准》增加的4个 强制性污染物排放指标就包括氮氧化物。广州、 江苏等地已出台明确的火电脱硝规划 新标准的 还原剂 华能集团北京热电有限责任公司地处首 都.又在城市之内.安全无疑是考虑最多的因素, 因此采用了尿素热解法SCR脱硝技术 北京华能 高碑店发电厂脱硝工程.北京京能热力有限公司 出台以及减排力度的加大.使得未来三年国内脱 硝行业将出现爆发式增长 国内的烟气脱硝机组70%采用了SCR尾气 脱硝技术.脱硝还原剂选择是整个脱硝系统中很 重要的一个环节。在脱硝系统中.还原剂是最大 的消耗品.其消耗成本直接影响到脱硝系统的整 石景山发电厂脱硝工程均采用尿素热解法SCR技 术 国电电力大连庄河发电有限责任公司脱硝改 造工程采用尿素水解法SCR技术 1.4市场前景 环保部预测.新标准实施后.到2015年需要 新增烟气脱硝容量8.17亿kW.共需脱硝投资1 950 亿元.2015年需运行费用612亿元。到2020年 需要新增烟气脱硝容量10.66亿kW。共需脱硝投 体经济指标。在我国,尿素作为SCR脱硝技术还 原剂的项目逐步在增多.主要原因就是安全,近 期也有一些原来已经采用液氨的项目改造为尿素 的项目。目前.已经有南海长海发电有限公司、 资2 328亿元。2020年需运行费用800亿元。脱 硝市场的潜力还不仅仅体现在火电厂排放标准趋 化・学工业 26・ CHEMICAL帅USTRY 2013年第3l卷 严上。在火电厂排放标准修订之后,钢铁、有色、 化工、建材、石油炼制等行业的氮氧化物治理也 题。但是.油品标准的提高和炼油企业设备改造 毕竟需要时间.随着国Ⅳ标准实施日期临近, SCR仍将是主导技术路径.且使用SCR后续过渡 到国V标准具有技术连续性.燃油经济性好。 SCR系统的普及也将会使车用尿素的消费大幅增 加。 将被提上日程.而这些工作也将使得脱硝市场大 幅扩容。从“十二五”环保监管重点来看,脱硝 将强制纳入“十二五”环保考核体系.正式步人 大幅度减排之路.脱硝市场有望在未来几年表现 抢眼.2010--2015年.仅国内火力发电行业新增 2.2尾气减排 SCR技术路线是利用尿素溶液对尾气中的氮 氧化物进行处理.通过优化喷油和燃烧过程,尽 量在机内控制微粒的产生.在机外后处理过程中. 采用还原剂尿素溶液对氮氧化物进行选择性催化 烟气脱硝市场需求就将达到463亿元 因各电厂脱硝效率不一样等因素.很难统一 脱硝所使用的尿素量.部分30万kW的机组消耗 尿素370 kg/h左右。30万kW的机组,一年用于 脱硝的尿素需求量应是3 000 t 未来脱硝机组预 计采用以SCR技术为主 还原.使尾气中的氮氧化物变成无污染的氮气和 水,降低NO 排放,从而满足国Ⅳ排放法规对于 PM和NO 的 不但在达到国Ⅳ标准的同时 2车用尿素 2.1环保形势 目前全国机动车排放污染物每年有5 700多 万t,包括氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳、颗 粒物.其中汽车排放的氮氧化物和颗粒物超过 85%,碳氢化合物和一氧化碳超过70%。此外。 大约占汽车保有量不到20%的重型柴油车排放了 60%左右的氮氧化物[引,环境保护形势日益严峻, 排放标准升级成为日益紧迫的任务 对机动车排放来说.改善油品质量是源头控 能降低燃油消耗。而且具有对发动机改动小、对 燃油和机油含硫量要求较低、便于连续性技术升 级等优点.因此SCR技术是最适合我国国情的机 动车尾气减排技术路线 2.3生产工艺 车用尿素溶液是31.8% 33-3%尿素的水溶液. 生产原料为尿素晶体和超纯水.可以通过对工业 尿素的再提纯制取。其主要原理是:在温度7O~ 75℃时.尿素在水溶液中发生水解。在温度30 cI二 以下时.尿素重新从水溶液中结晶出来。每通过 制的一个重要措施。从目前来看.改善油品质量, 可能是控制一种源污染物排放的全局性的问题. 因此与机动车尾气相关的成品油质量问题.被再 度推到了公众讨论的前台.雾霾甚至倒逼了我国 油品的提前升级.排放标准升级已成为日益紧迫 的任务。 油品标准不仅影响汽车的排放.也会影响机 水解结晶一次。其纯度会得到大幅提高。工业一 级尿素水解结晶一次.就可达到车用尿素标准要 求.其产出比例为1.5:1。从生产工艺来看,虽然 车用尿素对原料纯度要求高于一般工业用需求. 但目前国内工艺已然可以满足实际应用需求 。 而在技术上.气头尿素比普通的煤头尿素杂质含 量更低.后续处理更简单,成本更低,将更适用于 制造车用尿素。车用尿素的生产工艺流程见图2。 动车尾气的净化系统。从目前来看.改善油品质 量.可能是控制一种源污染物排放的全局性的问 底层溶液—— 回收作为普通尿素销售 工业尿素 尿素溶液 车用尿素成品 葫【层地下水 兰 H 竺 兰 H皇 兰 H 兰 图2车用尿素的生产工艺流程 合格水 2.4应用概况 为发动机开发商处理尾气系统中必不可少的消耗 品l10]。国内车用尿素目前的应用刚刚起步,市场 在欧美多个国家环境保护部门提出减少柴油 机排放氮氧化物污染物的要求后.车用尿素便成 空间广阔.需求潜力巨大。在国家和地方政 第11期 汪家铭:尿素应用新领域及其发展前景综述 ・27・ 府的推动下.北京、深圳、上海、广州、西安等 城市相继实施机动车国Ⅳ排放标准,也相应制定 了车用尿素的地方标准或技术规范。 北京从2007年年底逐步启用了使用SCR催 化技术的公交车。2008年3月在国内率先实现国 Ⅳ排放.至2012年3月已经有7 000多辆达到国 Ⅳ标准、数百辆达到国V标准的公交车投入使用。 上海市从2009年11月1日开始在新车登记注册 过程中.对所有轻型汽油车以及公交、环卫、邮 政车辆.均提前实施国Ⅳ标准。目前上海市约有 400多辆公交车达到国Ⅳ标准。上海借世博东风 实现了国Ⅳ排放.浦东公交公司专门引进了近百 辆符合欧Ⅳ排放标准的新型公交车用于世博运输, 车用尿素溶液的应用使车辆的氮氧化物排放量比 普通公交下降8O%以上。 广州在亚运会的推动下也取得了重要进展. 杭州、南京等长、珠三角地区相继实施国Ⅳ标准。 南京市南京南站的190路、191路、103路等多条 公交线路车辆都加了柴油车专用尿素溶液.汽车 运行时.尿素溶液和尾气中的氮氧化物在车内催 化器中反应.大约80%的氮氧化物可以被尿素反 应.成为无害的纯氮和水蒸气。经过这一反应后, 公交车排出来的尾气可以达到欧Ⅳ标准 2013年 南京新城巴士公司计划更新车辆137辆.首批上 路的78辆绿色公交就全部用上了尿素溶液.主要 分布在公交线路上 公交车大约每行驶1 000 km 需加注一次尿素。目前.这些上路的公交车。每 两天加1O L的尿素.平均每天要用5 L的尿素溶 液。随着国内国Ⅳ车辆的增多,SCR技术将日益 普及.车用尿素溶液市场开始逐渐活跃[n]。 2.5车用尿素发展前景 我国是全球第二大汽车市场.每年汽车增长 速度位列全球第一。其中.重型卡车保有量2 300 多万辆。车用尿素溶液具有较大的市场规模 国 家现在又在大力推行城镇化.柴油车是城镇化运 输首选。重型卡车的销量逐年递增.和经济周期 建设是密不可分的.仅仅2011年大概销售100万 辆.2012年比100万辆要多.柴油车的保有量大 概已经超过3 000万辆.未来还将是一个上涨的 趋势。为了达到我国重型柴油车国Ⅳ的排放标准. 需要对尾气中的氮氧化物进行处理,这个技术必 须使用尿素溶液.这也意味着将来对于车用尿素 市场的需求必将会呈现急剧增加的态势_I2] 车用尿素的需求提升将会消化相当部分的尿 素产能.国内整个尿素行业有望由此迎来新的契 机。100 L柴油需要消耗4 L左右的尿素溶液,按 照国内全部卡车保有量8 000万t车用柴油供应量 计算.需要近1 000万t尿素溶液.可消化实物尿 素300万t.市场前景可观f13]。假设未来柴油车全 面推行国Ⅳ标准.则理论上预计每年消耗的车用 尿素溶液将达到1 000万~1 500万t。即使考虑车 用尿素价格和盈利的下降趋势.预计2015年国内 车用市场销售额和净利润规模也将分别达到约 100亿元和20亿元 SCR技术全面应用到国内车 辆时.全国尿素消耗总量会在目前水平上提高5% 左右,能有效解决我国尿素产能过剩的问题 国内车用尿素生产企业规模较小.还未达到 一体化生产,主要由雅苒中化、江苏可兰素、辽 宁润迪、京脉化工、北京益利、玉柴化工、安庆 石化等企业生产 每家公司产能在10万~30万t/a 之间。但这些企业均非传统的尿素生产企业.其 工艺流程都是从市场采购尿素后再进行提纯加工 处理后销售l14]。随着国Ⅳ标准的即将实施,车用 尿素的需求量也日益增大,越来越多的企业,特 别是具有尿素原料优势的氮肥企业将开始从事车 用尿素溶液的生产 四川美丰化工股份有限公司自2010年开始. 便逐渐开始着手布局车用尿素生产.2012年建成 1O万t/a车用尿素溶液的实验装置。目前投资 850万元的年产60万t车用尿素溶液的工业装置 正在建设中.建成投产后.单吨车用尿素固态颗 粒价格较普通尿素每吨高出500元.以此测算装 置建成投产半年即可收回全部投资 四川美丰作 为未来潜在国内主要车用尿素供应商.将受益于 油品升级和尾气治理等相关.产品市场空间 较大。车用尿素作为公司产业链的延伸项目.一 方面可以增厚盈利.弥补尿素生产成本的增加. 形成新的利润增长点.更重要的是推动公司逐渐 转型.将成为公司实现传统尿素转型为精细化工 产品的方向之一。 泸天化股份有限公司目前也已开始涉足车用 尿素业务.根据公司2012年半年报资料显示.泸 天化在报告期内增加13余万元资金投入车用尿素 科研开发 2013年3月下旬,泸天化在其公司网 站中宣布了其车用尿素中试装置试生产成功.产 品品质高于国家标准.并且拥有年产1万t优质 化学工业 ・28・ CHEMICAL姗USTRY 2013年第31卷 车用尿素产品能力.公司现正在加紧车用尿素产 对策[J].节能技术,2009,27(6):510—512. 品的市场推广.而车用尿素的成功.将对泸天化 [6]岑望来,楚英豪,尹华强,等.SCR法烟气脱硝技术 股份公司调整产品结构起到积极作用 及其在我国的应用现状『C1 十一五”烟气脱硫脱 3结束语 硝技术创新与发展交流会论文集。2007:12O—l25. 随着经济的快速发展.大气污染日益严重. [7]李伟峰,祝社民,孙静宜,等.烟气脱硝技术应用和 进展『EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/5ee6098— 并由此形成酸雨、雾霾等一系列环境问题。当前 6b9d 528ea81c779b5.htm1.2012—08—15. 国家要求改善环境状况已经迫在眉睫.环保部的 [8]石祥辉.浅议汽车尾气排放危害与控制[J].汽车零部 新标准将进一步严格控制大气污染物新增量. 件,2010, (7):84—86. NO 的排放指标控制达到了世界最严格水平,从 [9]石显东,吴敦飞,盛新.车用尿素溶液及其开发[J]. 而推动大气环境质量不断改善 油品升级和尾气 安徽化工,2010,36(B09):40--44. 治理等相关将引导国内脱硝产业进入发展快 [10]乔映宾,冯明星,朱宗敏,等.柴油车尾气处理技术 车道.脱硝尿素和车用尿素日益受到关注.既能 及车用尿素溶液[J].石油商技,2012,30(5):15 担当起治理燃煤烟气和汽车尾气污染的重任.又 159. 能成为消化国内过剩尿素产能的重要渠道。 [11]车用尿素为化肥企业开辟新市场[EB/OL].http:// wenku. baiducom/view/df3e39778e9951e79b89274b. 参考文献: html,2010-12-23. [1]张强.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用fM]. 『12]赵扬,张新昌,冯明星.重型柴油车排放标准升级 北京:化学工业出版社,2007:l一5. 带来新机遇[J].石油石化节能与减排,201l,1(Z2): 『2]郭伟,崔宁.尿素热解制氨SCR脱硝技术在电厂 3O—_33. 的应用与优化[J].锅炉技术,2012,43(3):77—80. [13]车用尿素行业:市场潜力巨大销售渠道为王[EB/ 『3]解永刚,程慧.火电厂SCR脱硝还原剂的选择与比 OL1.http://www.cfi.net.cn/p20130205000701.html, 较[J].电力科技与环保,2010,26(5):532—533. 2013—02-05. r4]汪建光.燃煤电站SCR脱硝技术中尿素热解和水解制 [14]车用尿素溶液的作用、国内现状和前景[EB/OL]. 氨技术对比[J].环境与能源,2008, (4):59—60. http://wenku.baidu.com/view/6189cclac281e53a5802ffe5. 『5 1邹斯诣.选择性催化还原(SCR)脱硝技术应用问题及 htm1.2012—09—04. New Urea Application and Its Development Prospect WANG Jia-ming (Sichuan Chemical Group Limited Company,Chengdu 610301,China) Abstract:The paper in ̄oduces the denitration urea and automotive urea in SCR technology and its application in the future prospects for development in the domestic market for urea consumption.Denitration urea and automotive urea applications are coal— ifred flue gas and car exhaust emissions can directly atmospheric pollution control which can be seen in the result.It is an important measure. Keywords:urea;denitration effect;pollution prevention and control;application;prospects 

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