尿素水解制氨系統(tǒng)主要性能參數試驗研究

李龍濤 何永兵 劉 博 裴煜坤 江建平 張 楊

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 前言

國內火電廠煙氣脫硝技術普遍采用選擇性催化還原法，還原劑為液氨。液氨是一種無色、有強烈刺激性氣味、低沸點的液體，揮發(fā)產生的氨氣與空氣混合后易引起燃燒爆炸。尿素代替液氨能從本質上消除液氨的危險性，提高脫硝安全性。在尿素替代液氨的改造技術中，主要有尿素熱解法和水解法[1-2]。在尿素水解工藝中，根據尿素水解化學反應中是否添加催化劑，尿素水解分為普通水解與催化水解。目前，尿素替代液氨改造技術在燃煤火電廠中正大規(guī)模實施，性能參數測試作為檢驗水解器設備性能是否達標的關鍵管理環(huán)節(jié)，在工程項目評估中發(fā)揮重要作用。

該文主要從以下3個方面進行研究。1）分析尿素水解制氨系統(tǒng)關鍵性能評價指標（水解器產氨量、水解率、尿素耗量）。2）分析影響水解器水解率的關鍵因素。3）研究水解器在相同產氨量下普通水解與催化水解運行的穩(wěn)定性。希望該文的敘述能為一線技術人員科學、客觀、全面評價尿素替代液氨改造的效果提供力所能及的幫助。

1 研究對象

某電廠現有兩臺660MW燃煤汽輪機發(fā)電機組，采用東方鍋爐（集團）股份有限公司生產的超臨界、變壓運行直流鍋爐，每臺鍋爐配備兩個SCR反應器，3層催化劑運行。脫硝還原劑制備采用尿素水解制氨工藝，水解制氨系統(tǒng)按公用設計布置2臺水解器，一用一備。水解器的出力均滿足兩臺機組BMCR工況下SCR入口NOx濃度650mg/m3（標態(tài)、干基、6%O2），SCR出口NOx濃度50mg/m3（標態(tài)、干基、6%O2）的氨量消耗。單臺水解器設計產氨量為1200kg/h，尿素水解率不小于98%。

尿素水解工藝系統(tǒng)流程如圖1所示。通過攪拌器將除鹽水與尿素顆粒在尿素溶解罐中溶解制成質量濃度約50%的尿素溶液。尿素溶解為吸熱反應，在尿素溶解罐底部布置加熱盤管以提供熱量，將配置完成的尿素溶液通過輸送泵從尿素溶解罐打入尿素溶液儲罐儲存。然后利用輸送泵將儲罐中的尿素溶液送至水解反應器。飽和蒸汽通過蒸汽盤管間接加熱水解反應器中的尿素溶液，產生含氨混合氣，反應操作壓力為0.4MPa～0.6MPa，操作溫度為130℃～160℃。水解器產氨量通過水解反應的速度進行控制。水解反應器中發(fā)生的化學反應機理[3-5]如公式（1）所示。

圖1 尿素水解工藝系統(tǒng)圖

2 試驗內容

2.1 試驗方法

A水解器添加催化劑，B水解器不添加催化劑，在兩臺機組同時達到最大負荷出力后，保持兩臺水解反應器分別獨立運行。試驗過程中A尿素溶液儲罐與B尿素溶液儲罐之間的連通管閥門關閉，水解器產氨所需尿素溶液由A尿素溶液儲罐獨立供應。

試驗開始后，分別測試兩臺機組脫硝裝置氨耗量，通過間接法測試水解反應器產氨量，統(tǒng)計水解器尿素溶液供應管道超聲波流量計累計流量。打開水解器尿素溶液取樣閥進行現場取樣，并立即送入化驗室進行尿素溶液密度分析。采集試驗過程中水解反應器運行液位及壓力的在線DCS數據，采集間隔時間設定為60s，單臺水解器連續(xù)運行時間不少于3h。

2.2 主要計算公式

2.2.1 水解器產氨量

脫硝裝置氨耗量[6]的計算如公式（2）所示。

式中：GNH3為氨耗量，kg/h；Q為SCR反應器入口煙氣流量（標態(tài)、干基、6%O2），m3/h；CNOx為SCR入口煙氣中NOx濃度（標態(tài)、干基、6%O2），mg/m3；MNO2為NO2的摩爾質量，g/mol；MNH3為NH3的摩爾質量，g/mol；n為氨氮摩爾比。

根據兩臺機組脫硝裝置的氨耗量相加得出水解器產氨量。

2.2.2 尿素水解率

尿素水解率的計算如公式（3）所示。

式中：Ψ為水解率；QNH3為水解器供氨量，kg/h；QCO（NH2）2為水解器的尿素耗量，kg/h；MCO（NH2）2為CO（NH2）2的摩爾質量，g/mol；MNH3為NH3的摩爾質量，g/mol。

2.3 主要試驗設備

本次水解器產氨量測試主要試驗儀器為煙氣分析儀、濕式流量計、微壓計等，尿素溶液流量測試使用超聲波流量計，尿素溶液密度測試儀器主要為電子天平、溫度計及100mL量筒。主要試驗設備參數見表1。

表1 主要試驗設備

3 試驗結果

3.1 水解器產氨量測試

根據2.2.1節(jié)的測試方法分別測試了A、B水解器獨立投運時的產氨量，水解器產氨量分別為775kg和773kg，見表2。由測試結果可以看出，A、B兩臺水解器產氨量基本一致，說明試驗期間兩臺機組運行穩(wěn)定，為后續(xù)分析比較兩臺水解器的運行差異創(chuàng)造了良好條件。

表2 水解器產氨量測試結果

由2.2.1節(jié)的測試方法可知，水解器產氨量大小與水解器本身是否添加催化劑無關，而是由機組氨耗量決定的。選擇A水解器為研究對象，利用單因素變量法，獨立控制以下3個變量保持變化，其他參數保持不變。當兩臺機組平均煙氣流量為3628124m3/h，氨逃逸濃度均值為92mg/m3，SCR入口NOx濃度平均為760mg/m3時，水解器產氨量方可達到設計值1200kg/h。

當兩臺機組SCR出口NOx濃度由0mg/m3增加到環(huán)保達標排放限值50mg/m3時，水解器產氨量增加86kg/h，折算后發(fā)現SCR出口NOx濃度每增加1mg/m3，水解器產氨量僅增加1.72kg/h。通過調節(jié)SCR出口NOx濃度來提高水解器產氨量的作用極其有限，同時還會造成氨逃逸的快速增加。

在實際性能測試中，當鍋爐燃燒煤質保持穩(wěn)定時，往往受限于鍋爐及引風機出力，脫硝氨耗量無法大幅增加，導致水解器產氨量無法提高至設計值，性能測試中往往難以驗證水解器的最大出力。

3.2 尿素耗量測試

正式試驗前，不得將新配置尿素溶液注入A尿素溶液儲罐，同時切斷兩個儲罐之間聯絡管的閥門。當A尿素溶液儲罐在線尿素溶液密度計數值在四個小時內不發(fā)生變化時，方可進行試驗。試驗中，從水解器入口尿素溶液管道取樣閥處取樣并立即送入化驗室進行密度測試，密度測試采用傳統(tǒng)液體密度測試法，即ρ=m/V，其中ρ是密度，m是質量，V是體積。密度測試中，關鍵步驟控制如下：將已倒入100mL量筒的尿素溶液放于保溫容器中，將量筒中的尿素溶液溫度加熱到高于水解器入口在線尿素溶液溫度約1℃。立即將含有尿素溶液的量筒移至電子天平上，記錄量筒中尿素溶液體積及總質量。已知尿素溶液密度，可根據電力行業(yè)標準[7]附錄B求得尿素溶液質量濃度。

試驗中，水解器入口尿素溶液流量通過記錄超聲波流量計累計流量進行計算。試驗期間，尿素耗量測試結果見表3。

從表3可以看出，兩次測試中尿素溶液密度基本一致，說明A尿素溶液儲罐尿素溶液濃度分布均勻，尿素溶液密度測試方法的準確性較高。研究發(fā)現，當尿素溶液小時耗量每變化0.1m3/h時，尿素耗量變化約47kg/h，且隨著尿素溶液密度的增大，尿素耗量變化更顯著，因此尿素溶液流量計的測試準確性對尿素耗量的測試影響巨大。

表3 尿素耗量測試結果

3.3 尿素水解率測試及影響因素分析

根據上述3.1節(jié)、3.2節(jié)的測試結果，利用2.2.2節(jié)的尿素水解率計算公式計算得出A水解器、B水解器獨立運行時尿素水解率分別為106.4%、90.0%。測試結果見表4。

表4 尿素水解率測試結果

從表4可以看出，A水解器尿素水解率高于B水解器，但B水解器運行溫度、壓力參數高于A水解器。限于系統(tǒng)安全保護設置，B水解器溫度不得高于150℃，未繼續(xù)測試更高運行參數下B水解器尿素水解率。

保持其他測試參數不變，利用單因素變量法研究SCR入口NOx濃度、煙氣流量、尿素溶液小時耗量對尿素水解率的影響。研究發(fā)現：當A水解器或B水解器獨立運行，脫硝入口NOx濃度、煙氣流量變化率為1%時，尿素水解率變化分別為1%、1%。而尿素溶液小時耗量每變化0.1m3/h時，A水解器尿素水解率變化約為4%，B水解器尿素水解率變化約為3%。實際測試中，部分一線技術人員通過記錄尿素溶液儲罐液位變化計算尿素溶液小時耗量，該文結合現場測試分析該方法的準確性。

水解器是否添加催化劑會影響尿素水解率大小，不影響其變化趨勢，因此選擇B水解器為研究對象。該文利用單因素變量法改變儲罐液位變化量，其他影響因素不變，來分析儲罐液位變化量對尿素水解率的影響。經查閱設計資料，本次試驗尿素溶液儲罐直徑為8m，尿素水解率隨儲罐液位變化量變動的趨勢如圖2所示。研究發(fā)現隨儲罐液位變化量的增大，水解器尿素水解率下降。通過計算發(fā)現，尿素儲罐液位變化量每增加1mm時，尿素水解率下降0.34%。

圖2 尿素水解率在不同儲罐直徑下隨液位變化量變動的趨勢圖

相同體積的尿素溶液，儲存于不同高度的尿素溶液儲罐時，儲罐直徑是在變化的。從圖2可以看出，尿素溶液儲罐直徑分別為5m、7m、8m時，隨著尿素溶液儲罐直徑的增加，尿素水解率變化趨勢趨于平緩。采用線性擬合方法可以得出在尿素溶液儲罐直徑分別為5m、7m、8m時，曲線斜率絕對值分別為874、446、341?？梢钥闯鲭S著尿素溶液儲罐直徑增加，曲線斜率絕對值不斷下降，表明儲罐直徑的增大可以降低儲罐液位變化量對尿素水解率的影響，也減少了因液位變化量測試誤差帶來的影響。

液氨替代尿素工程中，尿素溶液儲罐液位測量一般采用磁翻板液位計。現場實踐來看，磁翻板液位計可有效指示尿素溶液儲罐液位高度，誤差約10mm，可滿足電廠實際運行需求。試驗人員如果采用尿素溶液儲罐液位法計算尿素溶液耗量，當儲罐直徑分別為5m、7m、8m時，尿素水解率計算誤差分別為8.7%、4.5%、3.4%。從以上分析可知，性能試驗中不應采用尿素溶液儲罐液位法計算水解器尿素水解率，建議使用高精度超聲波流量計或在線電磁流量計測試水解器尿素溶液輸送管道體積流量累計值，并用于計算尿素水解率。而選取高精度流量計時必須注意尿素溶液輸送管道流速應與流量計最佳流速相匹配，以減少測試誤差。

由此可以看出，尿素溶液流量測試的準確性是保證尿素水解率測試結果可靠的前提條件。

3.4 催化劑對尿素水解穩(wěn)定性的影響分析

正式試驗中，將A、B水解器運行溫度調整為139℃、149℃，并保證運行溫度穩(wěn)定，連續(xù)采集1小時內的水解器液位、水解器壓力在線運行數據，繪制如圖3所示的趨勢變化圖。由圖3可以看出，添加了催化劑的A水解器液位變化平緩，運行在977mm～1017mm，水解器壓力基本穩(wěn)定在0.5MPa；未添加催化劑的B水解器液位在897mm～1010mm處于反復震蕩狀態(tài)，水解器壓力在0.52MPa～0.57MPa同樣處于反復震蕩狀態(tài)。表明催化劑的存在可以提高水解器運行穩(wěn)定性，增強水解器對機組負荷及NOx濃度變化的適應性。

圖3 水解器液位及壓力隨時間的變化趨勢

4 結論

該文經過試驗研究得出以下結論：1）A、B水解器獨立投運時的產氨量分別為775kg和773kg。水解器產氨量的測試與水解器本身是否添加催化劑無關，而是由機組氨耗量決定的。2）A、B水解器獨立投運時的尿素耗量分別為1285kg/h和1514kg/h，當尿素溶液體積流量每變化0.1m3/h時，尿素耗量變化約47kg/h。且隨著素溶液密度的增大，尿素耗量變化更加顯著。因此尿素溶液流量計的測試準確性對尿素耗量的測試影響巨大。3）A、B水解器獨立投運時的尿素水解率分別為106.4%、90.0%，當脫硝入口NOx濃度、煙氣流量變化率為1%時，尿素水解率變化分別為1%、1%。而尿素溶液體積流量每變化0.1m3/h時，尿素催化水解水解率變化約4%，尿素普通水解水解率變化約3%。4）尿素水解工藝中，添加催化劑可以提高水解器液位、壓力運行的穩(wěn)定性，增強水解器對機組負荷及NOx濃度變化的適應性。