孟 磊

（大唐科技產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 100079）

火電廠煙氣SCR脫硝尿素制氨新技術(shù)

孟 磊

（大唐科技產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 100079）

尿素催化水解制氨技術(shù)是一種新的火電廠煙氣脫硝尿素制氨技術(shù)，具有能耗低、系統(tǒng)響應(yīng)速率快等顯著特點。作者探討分析了其技術(shù)原理、工藝流程、控制策略和運行操作方式，以及技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)經(jīng)濟性；介紹了其應(yīng)用情況和發(fā)展前景。

火電廠；SCR脫硝；尿素催化水解

引言

隨著國家環(huán)保標準的逐漸提高，以及環(huán)保監(jiān)管力度的逐年增加，電力行業(yè)的環(huán)保問題受到了廣泛關(guān)注。脫硝裝置是電力行業(yè)實現(xiàn)NOx達標排放的重要裝置，近幾年，火電廠已相繼進行了脫硝改造。SCR煙氣脫硝技術(shù)是目前脫硝的主流技術(shù)，其采用氨氣作為還原劑，在催化劑的作用下，將氮氧化物還原成氮氣和水，從而達到脫硝的目的。目前，SCR脫硝制氨技術(shù)主要有兩種：一種是采用液氨法，另一種是采用尿素法。由于液氨作為脫硝還原劑存在較大的安全隱患，因而城市周邊的電廠，尤其是熱電廠，采用尿素制氨技術(shù)已成為共識。

尿素制氨技術(shù)主要有尿素熱解、普通尿素水解和尿素催化水解[1-2]。尿素熱解技術(shù)制氨速率快，但能耗較高，從節(jié)能角度考慮，尿素水解技術(shù)有很大優(yōu)勢。尿素催化水解技術(shù)是在普通尿素水解的基礎(chǔ)上，加入了一種催化劑，從而極大地提高了系統(tǒng)制氨速率。因此，尿素催化水解技術(shù)是一種很有市場前景的尿素制氨技術(shù)。本文研究分析了尿素催化水解制氨技術(shù)的技術(shù)原理、工藝流程、控制策略和運行操作方式，以及其技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)經(jīng)濟性，介紹了其應(yīng)用情況和發(fā)展前景。

1 尿素催化水解技術(shù)研究

1.1 尿素催化水解技術(shù)原理

尿素催化水解技術(shù)是在135℃～160℃、壓力為0.5M～0.95MPa的條件下，50%濃度尿素溶液在催化劑作用下，發(fā)生催化水解反應(yīng)，生成氨氣混合氣，氨氣體積濃度為37.5%。尿素催化水解反應(yīng)速度較快，較傳統(tǒng)水解法提高約10倍，響應(yīng)時間可在1min以內(nèi)。尿素水解化學反應(yīng)過程為：

1.2 尿素水解工藝流程

尿素催化水解工藝流程示意圖如圖1所示。尿素水解系統(tǒng)主要包括尿素溶液供給系統(tǒng)、蒸汽加熱和吹掃系統(tǒng)、氨氣供給系統(tǒng)、伴熱系統(tǒng)、廢液和廢氣排放系統(tǒng)。濃度50%的尿素溶液和催化劑溶液分別通過輸送泵輸送到反應(yīng)器內(nèi)，在0.5M～0.95MPa、135℃～160℃條件下進行水解反應(yīng)生成氨氣、二氧化碳。

尿素水解混合氣中氨體積濃度約38%，經(jīng)由減壓、流量控制調(diào)節(jié)與稀釋風混合，氨氣濃度被稀釋至5%以下，最后進入脫硝反應(yīng)器入口煙道進行脫硝。

加熱蒸汽取自電廠蒸汽機，蒸汽經(jīng)過減壓后進入水解反應(yīng)器加熱盤管，加熱后的疏水排入電廠的疏水箱。尿素水解系統(tǒng)設(shè)置有廢水箱，主要用于吸收水解廢液和緊急排放的氨氣。

在尿素溶液進料和氨氣出口管道上設(shè)計有電伴熱系統(tǒng)，電伴熱的溫度根據(jù)不同的介質(zhì)進行設(shè)定。

圖1 尿素水解工藝流程示意

1.3 尿素催化水解控制策略

尿素水解控制系統(tǒng)采取DCS進行控制，控制策略主要分為模擬量控制策略和連鎖保護策略。模擬量控制的主要任務(wù)是保證尿素水解系統(tǒng)的溫度、液位和壓力運行在設(shè)定范圍內(nèi)。模擬量控制主要包括水解反應(yīng)器液位控制、水解反應(yīng)器溫度/壓力控制和氨氣混合氣控制。

水解反應(yīng)器液位采用單回路控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)尿素溶液進料量來調(diào)節(jié)液位。水解反應(yīng)器的溫度/壓力通過控制進入反應(yīng)器的蒸汽流量進行調(diào)節(jié)。在反應(yīng)器初次啟動階段，主要控制反應(yīng)器溫度。在反應(yīng)器正常噴氨狀態(tài)下，主要控制反應(yīng)器的壓力。反應(yīng)器的溫度和壓力控制設(shè)計有切換邏輯，當滿足切換條件時，將實現(xiàn)溫度/壓力控制的自動切換。氨氣混合氣控制的任務(wù)是根據(jù)脫硝氨氣需求量控制水解反應(yīng)器產(chǎn)生的氨氣混合氣，從而保證達到設(shè)定的脫硝效率。

尿素水解的連鎖保護系統(tǒng)主要是保證水解反應(yīng)器的液位、溫度和壓力超過正常值時，采取相應(yīng)的措施，保證設(shè)備和人員的安全。壓力連鎖保護控制是水解系統(tǒng)最重要的保護系統(tǒng)，水解系統(tǒng)設(shè)計了雙重壓力保護系統(tǒng)。當系統(tǒng)壓力超過正常運行值50%時，采取將氨氣排入廢水箱的方式降低系統(tǒng)壓力。當系統(tǒng)壓力接近設(shè)備的設(shè)計壓力時，水解反應(yīng)器的安全閥將會動作，從而達到泄壓的目的。

1.4 尿素催化水解系統(tǒng)運行操作

尿素水解系統(tǒng)主要有自動、半自動和手動三種運行模式。在自動模式下，尿素水解系統(tǒng)通過順序控制邏輯實現(xiàn)自啟停，主要運行參數(shù)都投入自動運行。在半自動模式下，順序控制邏輯的每一步都需要運行人員進行確認。在手動模式下，系統(tǒng)的啟停均由運行人員手動操作。

1.4.1 系統(tǒng)啟動/停機

尿素催化水解系統(tǒng)的啟動依次經(jīng)過填充、加熱和噴氨三個主要步驟，填充過程是向水解反應(yīng)器加入除鹽水和尿素溶液，加到液位設(shè)定值時停止填充。加熱過程主要是通過控制加入水解反應(yīng)器的蒸汽從而使水解反應(yīng)器溫度、壓力達到設(shè)定值。當加熱完成后，水解反應(yīng)器的壓力和溫度滿足噴氨的條件，然后判斷SCR脫硝反應(yīng)器是否需要氨氣，如果需要則進行正常噴氨。在噴氨過程中，水解反應(yīng)器的制氨量由脫硝需氨量決定。系統(tǒng)開始噴氨后，水解反應(yīng)器進入正常運行狀態(tài)。需要說明的是，由于尿素溶液和水解反應(yīng)器產(chǎn)生的氨氣混合氣都容易結(jié)晶和凝結(jié)，因此在系統(tǒng)啟動前，需要將伴熱系統(tǒng)正常投運，并且伴熱溫度滿足工藝設(shè)計要求。

尿素水解反應(yīng)器的停機主要分為正常停機和緊急停機。正常停機是通過運行人員下發(fā)停機指令觸發(fā)。緊急停機是當出現(xiàn)影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的故障時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)緊急停機指令。正常停機時，首先將尿素水解反應(yīng)器內(nèi)壓力降低到安全值，然后將反應(yīng)器內(nèi)剩余溶液排出反應(yīng)器，最后對反應(yīng)器和相關(guān)管路進行沖洗和吹掃，保證殘液不會在管路中結(jié)晶。緊急停機情況下，首先將反應(yīng)器內(nèi)剩余氨氣排出，并進行吸收處理，然后通入緊急冷卻水，對系統(tǒng)進行緊急冷卻，然后再進行排液和沖洗。由于通入冷卻水會對反應(yīng)器的壽命有影響，因此在緊急停機后需要對反應(yīng)器進行全面檢修后才能再次啟動。

1.4.2 系統(tǒng)正常運行

系統(tǒng)正常運行中，運行人員主要監(jiān)控水解反應(yīng)器的產(chǎn)氨量、水解反應(yīng)器溫度、壓力和液位，保證這些參數(shù)運行在設(shè)定值內(nèi)。正常情況下，這些參數(shù)都是投入自動運行，當參數(shù)偏差較大或者自動控制不能正常投運時，需要通過手動進行調(diào)整。水解反應(yīng)器的溫度、壓力主要通過調(diào)整主蒸汽調(diào)節(jié)閥進行調(diào)整。水解反應(yīng)器液位通過尿素溶液調(diào)節(jié)閥進行調(diào)整。需要說明的是，在系統(tǒng)正常運行前，首先需要設(shè)置水解系統(tǒng)主要運行參數(shù)的設(shè)定值，以及電伴熱系統(tǒng)的設(shè)定值。

由于水解反應(yīng)器連續(xù)運行一段時間后會有一些雜質(zhì)沉積并產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，因此水解反應(yīng)器需要定期進行排污，排污分為底部排污和表面排污。底部排污需要一周排一次，表面排污一個月排一次。每次排污后，都要補充一定量的催化劑，以保證催化水解系統(tǒng)正常運行。

2 尿素催化水解技術(shù)優(yōu)勢

尿素催化水解技術(shù)作為一種新的尿素制氨技術(shù)，具有以下優(yōu)勢：

（1）運行成本低。由于反應(yīng)溫度低，可以利用電廠低品質(zhì)蒸汽作為加熱熱源，使電廠制氨運行成本大幅度降低。

（2）反應(yīng)速度快。與傳統(tǒng)尿素水解相比，由于采用了催化技術(shù)，尿素催化水解反應(yīng)速度可提高10倍左右，當鍋爐負荷變化時，可以及時滿足脫硝工程對氨氣的需求量。

（3）設(shè)備布置靈活。與尿素熱解相比，尿素催化水解設(shè)備比較小，布置更加靈活。

（4）設(shè)備運行靈活性高。尿素水解系統(tǒng)可以采用單元制和母管制運行方式。母管制運行可以采用一拖二，或者一拖三的方式，即一臺水解器供兩臺或者三臺爐脫硝。采用母管制不僅可以降低投資成本，還可以降低運行成本。

3 尿素制氨技術(shù)對比分析

目前，尿素制氨技術(shù)主要有尿素熱解、普通尿素水解和尿素催化水解。尿素催化水解技術(shù)已經(jīng)過工程示范，投入商業(yè)運行，根據(jù)示范工程中采集的運行數(shù)據(jù)進行技術(shù)經(jīng)濟性分析，并且與尿素熱解技術(shù)進行對比。尿素熱解和催化水解的技術(shù)經(jīng)濟性比較結(jié)果見表1。表1中的數(shù)據(jù)來自大唐長春第二熱電廠2×200MW機組脫硝工程，其中一臺采用尿素熱解制氨技術(shù)，采用電加熱方式，主要運行成本為尿素和電耗。另一臺采用尿素水解制氨技術(shù)，采用蒸汽加熱，主要運行成本為尿素和蒸汽耗量。由于屬于同樣容量機組，尿素耗量相當，因此，尿素耗量不單獨進行對比。

表1 尿素熱解、催化水解技術(shù)經(jīng)濟性對比表

表1數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，從建設(shè)成本看，如果水解采用單元制，建設(shè)投資比熱解會高，但如果水解采用一拖二母管制，分配到每臺爐的建設(shè)投資會比熱解低很多。從運行成本看，尿素熱解的運行成本遠高于尿素催化水解技術(shù)。因此，從技術(shù)經(jīng)濟性考慮，尿素催化水解技術(shù)方案優(yōu)于尿素熱解技術(shù)。

表2為各種尿素制氨技術(shù)對比表，從反應(yīng)溫度、壓力以及響應(yīng)時間等方面，對三種尿素制氨技術(shù)進行了對比。從表2可以發(fā)現(xiàn)，從安全性和系統(tǒng)響應(yīng)特性比較，尿素催化水解技術(shù)不及尿素熱解技術(shù)，但遠優(yōu)于普通尿素水解技術(shù)，并且能耗水平比尿素熱解技術(shù)要低很多。

從對尿素制氨技術(shù)的綜合對比分析發(fā)現(xiàn)，尿素催化水解技術(shù)是一種既有較快的系統(tǒng)響應(yīng)速率，安全可靠，并且低能耗的尿素制氨技術(shù)，該技術(shù)具有較好的市場前景。

表2 各種尿素制氨技術(shù)比較表[3-5]

4 尿素催化水解系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展前景

目前，尿素催化水解系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大唐長春第二熱電廠6#機組脫硝工程。該工程設(shè)計了一臺尿素水解反應(yīng)器供應(yīng)脫硝用氨氣，采用單元制運行方式，設(shè)計氨氣產(chǎn)量為150kg/h，同時設(shè)計了廢水箱和催化劑箱，用于在線排污和在線添加催化劑。

2015年1月4日，大唐長春第二熱電廠6#機組尿素催化水解系統(tǒng)順利通過168h試運行，試運行期間各項性能指標均達到設(shè)計要求。圖2為尿素催化水解系統(tǒng)主要運行參數(shù)的歷史趨勢。圖2中主要有水解反應(yīng)器壓力、A/B側(cè)脫硝反應(yīng)器的入口氮氧化物濃度，A/B側(cè)脫硝反應(yīng)器的出口氮氧化物濃度、A/B側(cè)脫硝效率。從圖2中可以看出，尿素催化水解系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并且能滿足脫硝對氨氣的需求。

圖2 催化水解系統(tǒng)主要運行參數(shù)歷史趨勢

尿素催化水解技術(shù)是一種新的尿素制氨技術(shù)，適用于火電廠以及其它行業(yè)煙氣脫硝還原劑的制備，該技術(shù)的成功應(yīng)用為尿素制氨技術(shù)提供了一種新的選擇，并且由于其能耗水平比熱解法低，比普通水解具有較好的系統(tǒng)響應(yīng)速率，因此具有很好的市場應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

本文主要研究了一種尿素制氨新技術(shù)—尿素催化水解制氨技術(shù)，針對尿素催化水解技術(shù)的工藝流程、控制策略、運行方式和技術(shù)優(yōu)勢進行了詳細分析，并對目前應(yīng)用的三種尿素制氨技術(shù)進行了技術(shù)經(jīng)濟性和技術(shù)先進性對比分析，介紹了尿素催化水解制氨技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景。研究表明，尿素催化水解技術(shù)具有很好的市場應(yīng)用前景，該技術(shù)的商業(yè)運行也彌補了我國在尿素催化水解技術(shù)領(lǐng)域的空白。

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New Technology for Ammonia Manufacture from Urea by Flue Gas SCR Denitration in Power Plant

MENG Lei
(Datang Technology Industry Group Co.,Ltd,Beijing 100079,China)

The ammonia manufacture technology of urea catalysis and hydrolyzation is a sort of new technology for ammonia manufacture from urea by flue gas SCR denitration in power plants.It has obvious characteristics in low energy consumption and rapid speed of system response.The paper probes into and analyzes the technical principle,technological flow,control strategy and operation mode as well as technical advantage and technical economy.The paper presents its application and development foreground too.

power plant; SCR denitration; urea catalysis and hydrolyzation

X701

A

1006-5377（2015）06-0051-04