李龙涛 何永兵 刘 博 裴煜坤 江建平 张 杨

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 前言

国内火电厂烟气脱硝技术普遍采用选择性催化还原法，还原剂为液氨。液氨是一种无色、有强烈刺激性气味、低沸点的液体，挥发产生的氨气与空气混合后易引起燃烧爆炸。尿素代替液氨能从本质上消除液氨的危险性，提高脱硝安全性。在尿素替代液氨的改造技术中，主要有尿素热解法和水解法[1-2]。在尿素水解工艺中，根据尿素水解化学反应中是否添加催化剂，尿素水解分为普通水解与催化水解。目前，尿素替代液氨改造技术在燃煤火电厂中正大规模实施，性能参数测试作为检验水解器设备性能是否达标的关键管理环节，在工程项目评估中发挥重要作用。

该文主要从以下3个方面进行研究。1）分析尿素水解制氨系统关键性能评价指标（水解器产氨量、水解率、尿素耗量）。2）分析影响水解器水解率的关键因素。3）研究水解器在相同产氨量下普通水解与催化水解运行的稳定性。希望该文的叙述能为一线技术人员科学、客观、全面评价尿素替代液氨改造的效果提供力所能及的帮助。

1 研究对象

某电厂现有两台660MW燃煤汽轮机发电机组，采用东方锅炉（集团）股份有限公司生产的超临界、变压运行直流锅炉，每台锅炉配备两个SCR反应器，3层催化剂运行。脱硝还原剂制备采用尿素水解制氨工艺，水解制氨系统按公用设计布置2台水解器，一用一备。水解器的出力均满足两台机组BMCR工况下SCR入口NOx浓度650mg/m3（标态、干基、6%O2），SCR出口NOx浓度50mg/m3（标态、干基、6%O2）的氨量消耗。单台水解器设计产氨量为1200kg/h，尿素水解率不小于98%。

尿素水解工艺系统流程如图1所示。通过搅拌器将除盐水与尿素颗粒在尿素溶解罐中溶解制成质量浓度约50%的尿素溶液。尿素溶解为吸热反应，在尿素溶解罐底部布置加热盘管以提供热量，将配置完成的尿素溶液通过输送泵从尿素溶解罐打入尿素溶液储罐储存。然后利用输送泵将储罐中的尿素溶液送至水解反应器。饱和蒸汽通过蒸汽盘管间接加热水解反应器中的尿素溶液，产生含氨混合气，反应操作压力为0.4MPa～0.6MPa，操作温度为130℃～160℃。水解器产氨量通过水解反应的速度进行控制。水解反应器中发生的化学反应机理[3-5]如公式（1）所示。

图1 尿素水解工艺系统图

2 试验内容

2.1 试验方法

A水解器添加催化剂，B水解器不添加催化剂，在两台机组同时达到最大负荷出力后，保持两台水解反应器分别独立运行。试验过程中A尿素溶液储罐与B尿素溶液储罐之间的连通管阀门关闭，水解器产氨所需尿素溶液由A尿素溶液储罐独立供应。

试验开始后，分别测试两台机组脱硝装置氨耗量，通过间接法测试水解反应器产氨量，统计水解器尿素溶液供应管道超声波流量计累计流量。打开水解器尿素溶液取样阀进行现场取样，并立即送入化验室进行尿素溶液密度分析。采集试验过程中水解反应器运行液位及压力的在线DCS数据，采集间隔时间设定为60s，单台水解器连续运行时间不少于3h。

2.2 主要计算公式

2.2.1 水解器产氨量

脱硝装置氨耗量[6]的计算如公式（2）所示。

式中：GNH3为氨耗量，kg/h；Q为SCR反应器入口烟气流量（标态、干基、6%O2），m3/h；CNOx为SCR入口烟气中NOx浓度（标态、干基、6%O2），mg/m3；MNO2为NO2的摩尔质量，g/mol；MNH3为NH3的摩尔质量，g/mol；n为氨氮摩尔比。

根据两台机组脱硝装置的氨耗量相加得出水解器产氨量。

2.2.2 尿素水解率

尿素水解率的计算如公式（3）所示。

式中：Ψ为水解率；QNH3为水解器供氨量，kg/h；QCO（NH2）2为水解器的尿素耗量，kg/h；MCO（NH2）2为CO（NH2）2的摩尔质量，g/mol；MNH3为NH3的摩尔质量，g/mol。

2.3 主要试验设备

本次水解器产氨量测试主要试验仪器为烟气分析仪、湿式流量计、微压计等，尿素溶液流量测试使用超声波流量计，尿素溶液密度测试仪器主要为电子天平、温度计及100mL量筒。主要试验设备参数见表1。

表1 主要试验设备

3 试验结果

3.1 水解器产氨量测试

根据2.2.1节的测试方法分别测试了A、B水解器独立投运时的产氨量，水解器产氨量分别为775kg和773kg，见表2。由测试结果可以看出，A、B两台水解器产氨量基本一致，说明试验期间两台机组运行稳定，为后续分析比较两台水解器的运行差异创造了良好条件。

表2 水解器产氨量测试结果

由2.2.1节的测试方法可知，水解器产氨量大小与水解器本身是否添加催化剂无关，而是由机组氨耗量决定的。选择A水解器为研究对象，利用单因素变量法，独立控制以下3个变量保持变化，其他参数保持不变。当两台机组平均烟气流量为3628124m3/h，氨逃逸浓度均值为92mg/m3，SCR入口NOx浓度平均为760mg/m3时，水解器产氨量方可达到设计值1200kg/h。

当两台机组SCR出口NOx浓度由0mg/m3增加到环保达标排放限值50mg/m3时，水解器产氨量增加86kg/h，折算后发现SCR出口NOx浓度每增加1mg/m3，水解器产氨量仅增加1.72kg/h。通过调节SCR出口NOx浓度来提高水解器产氨量的作用极其有限，同时还会造成氨逃逸的快速增加。

在实际性能测试中，当锅炉燃烧煤质保持稳定时，往往受限于锅炉及引风机出力，脱硝氨耗量无法大幅增加，导致水解器产氨量无法提高至设计值，性能测试中往往难以验证水解器的最大出力。

3.2 尿素耗量测试

正式试验前，不得将新配置尿素溶液注入A尿素溶液储罐，同时切断两个储罐之间联络管的阀门。当A尿素溶液储罐在线尿素溶液密度计数值在四个小时内不发生变化时，方可进行试验。试验中，从水解器入口尿素溶液管道取样阀处取样并立即送入化验室进行密度测试，密度测试采用传统液体密度测试法，即ρ=m/V，其中ρ是密度，m是质量，V是体积。密度测试中，关键步骤控制如下：将已倒入100mL量筒的尿素溶液放于保温容器中，将量筒中的尿素溶液温度加热到高于水解器入口在线尿素溶液温度约1℃。立即将含有尿素溶液的量筒移至电子天平上，记录量筒中尿素溶液体积及总质量。已知尿素溶液密度，可根据电力行业标准[7]附录B求得尿素溶液质量浓度。

试验中，水解器入口尿素溶液流量通过记录超声波流量计累计流量进行计算。试验期间，尿素耗量测试结果见表3。

从表3可以看出，两次测试中尿素溶液密度基本一致，说明A尿素溶液储罐尿素溶液浓度分布均匀，尿素溶液密度测试方法的准确性较高。研究发现，当尿素溶液小时耗量每变化0.1m3/h时，尿素耗量变化约47kg/h，且随着尿素溶液密度的增大，尿素耗量变化更显著，因此尿素溶液流量计的测试准确性对尿素耗量的测试影响巨大。

表3 尿素耗量测试结果

3.3 尿素水解率测试及影响因素分析

根据上述3.1节、3.2节的测试结果，利用2.2.2节的尿素水解率计算公式计算得出A水解器、B水解器独立运行时尿素水解率分别为106.4%、90.0%。测试结果见表4。

表4 尿素水解率测试结果

从表4可以看出，A水解器尿素水解率高于B水解器，但B水解器运行温度、压力参数高于A水解器。限于系统安全保护设置，B水解器温度不得高于150℃，未继续测试更高运行参数下B水解器尿素水解率。

保持其他测试参数不变，利用单因素变量法研究SCR入口NOx浓度、烟气流量、尿素溶液小时耗量对尿素水解率的影响。研究发现：当A水解器或B水解器独立运行，脱硝入口NOx浓度、烟气流量变化率为1%时，尿素水解率变化分别为1%、1%。而尿素溶液小时耗量每变化0.1m3/h时，A水解器尿素水解率变化约为4%，B水解器尿素水解率变化约为3%。实际测试中，部分一线技术人员通过记录尿素溶液储罐液位变化计算尿素溶液小时耗量，该文结合现场测试分析该方法的准确性。

水解器是否添加催化剂会影响尿素水解率大小，不影响其变化趋势，因此选择B水解器为研究对象。该文利用单因素变量法改变储罐液位变化量，其他影响因素不变，来分析储罐液位变化量对尿素水解率的影响。经查阅设计资料，本次试验尿素溶液储罐直径为8m，尿素水解率随储罐液位变化量变动的趋势如图2所示。研究发现随储罐液位变化量的增大，水解器尿素水解率下降。通过计算发现，尿素储罐液位变化量每增加1mm时，尿素水解率下降0.34%。

图2 尿素水解率在不同储罐直径下随液位变化量变动的趋势图

相同体积的尿素溶液，储存于不同高度的尿素溶液储罐时，储罐直径是在变化的。从图2可以看出，尿素溶液储罐直径分别为5m、7m、8m时，随着尿素溶液储罐直径的增加，尿素水解率变化趋势趋于平缓。采用线性拟合方法可以得出在尿素溶液储罐直径分别为5m、7m、8m时，曲线斜率绝对值分别为874、446、341。可以看出随着尿素溶液储罐直径增加，曲线斜率绝对值不断下降，表明储罐直径的增大可以降低储罐液位变化量对尿素水解率的影响，也减少了因液位变化量测试误差带来的影响。

液氨替代尿素工程中，尿素溶液储罐液位测量一般采用磁翻板液位计。现场实践来看，磁翻板液位计可有效指示尿素溶液储罐液位高度，误差约10mm，可满足电厂实际运行需求。试验人员如果采用尿素溶液储罐液位法计算尿素溶液耗量，当储罐直径分别为5m、7m、8m时，尿素水解率计算误差分别为8.7%、4.5%、3.4%。从以上分析可知，性能试验中不应采用尿素溶液储罐液位法计算水解器尿素水解率，建议使用高精度超声波流量计或在线电磁流量计测试水解器尿素溶液输送管道体积流量累计值，并用于计算尿素水解率。而选取高精度流量计时必须注意尿素溶液输送管道流速应与流量计最佳流速相匹配，以减少测试误差。

由此可以看出，尿素溶液流量测试的准确性是保证尿素水解率测试结果可靠的前提条件。

3.4 催化剂对尿素水解稳定性的影响分析

正式试验中，将A、B水解器运行温度调整为139℃、149℃，并保证运行温度稳定，连续采集1小时内的水解器液位、水解器压力在线运行数据，绘制如图3所示的趋势变化图。由图3可以看出，添加了催化剂的A水解器液位变化平缓，运行在977mm～1017mm，水解器压力基本稳定在0.5MPa；未添加催化剂的B水解器液位在897mm～1010mm处于反复震荡状态，水解器压力在0.52MPa～0.57MPa同样处于反复震荡状态。表明催化剂的存在可以提高水解器运行稳定性，增强水解器对机组负荷及NOx浓度变化的适应性。

图3 水解器液位及压力随时间的变化趋势

4 结论

该文经过试验研究得出以下结论：1）A、B水解器独立投运时的产氨量分别为775kg和773kg。水解器产氨量的测试与水解器本身是否添加催化剂无关，而是由机组氨耗量决定的。2）A、B水解器独立投运时的尿素耗量分别为1285kg/h和1514kg/h，当尿素溶液体积流量每变化0.1m3/h时，尿素耗量变化约47kg/h。且随着素溶液密度的增大，尿素耗量变化更加显著。因此尿素溶液流量计的测试准确性对尿素耗量的测试影响巨大。3）A、B水解器独立投运时的尿素水解率分别为106.4%、90.0%，当脱硝入口NOx浓度、烟气流量变化率为1%时，尿素水解率变化分别为1%、1%。而尿素溶液体积流量每变化0.1m3/h时，尿素催化水解水解率变化约4%，尿素普通水解水解率变化约3%。4）尿素水解工艺中，添加催化剂可以提高水解器液位、压力运行的稳定性，增强水解器对机组负荷及NOx浓度变化的适应性。