作者：张毅
SCR脱硝装置主要采用氨气作为还原剂，在催化剂作用下，将氮氧化物(NOx)还原成氮气和水，从而达到脱硝的目的。目前，SCR脱硝制氨技术主要有2种，一种是采用液氨法，一种是采用尿素法。液氨作为脱硝还原剂，存在较大的安全隐患，冈此尿素制氨技术在城市周边电厂和热电厂脱硝工程中得到了应用。
目前．尿素制氨技术主要包括尿素热解制氨技术、普通尿素水解技术和尿素催化水解制氨技术．尿素热解制氨技术是利用高温空气加热分解制氨，反应速度快，应用广泛但需采用大功率电加热器，耗能较高。尿素水解技术是在一定温度压力下，尿素溶液进行水解反应产生氨气。尿素水解又分为普通尿素水解和尿素催化水解。普通尿素水解技术能耗水平较低，但是系统响应速率较慢。为了提高尿素水解反应速率，本文研究了一种尿素催化水解制氨技术，其在普通尿素水解技术的基础上，加入一种催化剂，极大地提高了水解反应速率．能耗水平较尿素热解有很大降低，反应速率又比普通尿素水解提高很多，因此具有很好的应用前景。该技术已经成功应用于大唐长春第二热电厂，通过性能试验表明，各项指标均达到预期目标。
1 尿素催化水解新技术
1.1 技术原理
尿素催化水解新技术是在温度135～160℃、压力0.5～0.95 MPa条件下，质量分数为50%的尿素溶液在催化剂作用下，发生催化水解反应，生成氨气( NH3)混合气，NH3气体积分数为37.5%。尿素催化水解反应速度较快，较传统水解法提高约10倍以上，响应时间可达到1min以内。尿素水解化学反应过程如式(1)~(4)所示。
尿素催化水解系统中采用的催化剂为按一定比例配置的磷酸盐，在系统启动时添加，催化剂在水解器内可循环使用。催化剂的主要作用是通过改变反应路径，大大加快反应速率，降低响应时问。
1.2工艺流程
尿素催化水解工艺流程如图1所示。尿素水解系统主要包括尿素溶液供给系统、蒸汽加热和吹扫系统、氨气供给系统以及废液和废气排放系统。质量分数为50%的尿素溶液和催化剂溶液分别通过输送泵输送到反应器内，在温度135～160℃、压力0.5～0.95 MPa条件下进行水解反应，生成NH3和C02。加热蒸汽取自电厂蒸汽系统，蒸汽经过减压后进入水解反应器加热盘管，从加热盘管排出的疏水进入疏水箱。尿素水解系统产生的废液和废气由废水箱进行收集处理．然后再经离心泵输送到电厂指定的排放位置。
尿素水解混合气包括氨气、水蒸气和二氧化碳，其中氨气占38%，经过减压、流量控制调节后与电厂的热一次风进行混合，NH3体积分数降至5%以下,最后进入SCR脱硝反应器人口烟道进行脱硝。
1,3控制策略
尿素水解系统采取DCS进行控制．控制策略主要由模拟量控制、顺序控制和连锁保护控制组成。模拟量控制的主要任务是保证尿素水解系统的温度、液位和压力运行在设定范围内；模拟量控制主要包括水解反应器液位控制、水解反应器温度／压力控制和氨气混合气控制。
水解反应器液位采用单回路控制系统．通过调节尿素溶液进料量来调节液位。水解反应器的温度／压力通过控制进入反应器的蒸汽流量进行调节。在肩动状态下，尿素催化水解系统主要控制反应器温度。在正常喷氨状态，尿素催化水解系统主要控制反应器的压力。反应器的温度和压力控制在满足条件的情况下可以自动切换。氨气混合气控制的任务是根据脱硝氨气需求量控制水解反应器产生的氨气混合气量．当氨气需求量变化时，通过调节水解反应器出口的调节阀渊节氨气混合气的流量，使产生的氨气量及时跟踪氨气需求量，以保证达到SCR脱硝系统设定的反应器出口氮氧化物浓度。
尿素水解的连锁保护系统主要作用是：当水解反应器的液位、温度和压力超过正常值时，采取相应措施，确保设备和人员的安全。压力连锁保护控制是水解系统最重要的保护系统．水解系统设计了双重压力保护系统。当系统压力超过正常运行值50%时，采取将氨气排入废水箱的方式降低系统压力。当系统压力接近设备的设计压力时，水解反应器的安全阀将会动作，从而达到泄压的目的。
2尿素催化水解技术优势
尿素催化水解制氨技术是一种新研发的尿素制氨技术，其具有以下技术优势：
(1)运行成本低。由于反应温度低，可以利用电厂低品质蒸汽作为加热热源．使电厂制氨运行成本大幅度降低。
(2)反应速度快。与传统尿素水解相比，由于采用了催化技术，尿素催化水解反应速度提高10倍左右，当锅炉负荷变化时，可以及时满足脱硝工程对氨气的需求量。
(3)设备布置方便。与尿素热解相比，尿素催化水解设备比较小，布置更加灵活。
(4)设备运行灵活性高。尿素催化水解系统具有2种运行方式：母管制运行方式和单元制运行方式。母管制运行可以采用1拖2，或者l拖3的方式，即1台水解器供2台或者3台炉脱硝．这种方式可以同时降低运行成本和投资成本。单元制运行方式是指l台水解器供l台脱硝反应器．这种方式系统简单，但是投资成本较高。
3尿素制氨技术对比分析
尿素催化水解制氨新技术已经过工程示范．投入商业运行，本节主要基于示范工程中采集的运行数据进行技术经济性分析．并且与尿素热解技术进行对比，结果如表1所示。表1巾数据来自大唐长春第二热电厂机组实际运行数据。该厂l台机组采用尿素热解技术，另1台机组采用尿素催化水解制氨技术。南于2台机组尿素耗量相当，因此主要对能耗成本进行对比。其中成本计算基准价：电价按0.35元／(kW·h)计，蒸汽按50元／t计：年运行时间按5 500 h计。
分析表1数据可知．从建设成本看，采用单元制的尿素催化水解系统与尿素热解技术建设成本相当．但是采用母管制的尿素催化水解系统建设成本要低很多。从运行成本看，由于尿素热解系统采用电加热方式．其运行成本远高于尿素催化水解系统。因此，从技术经济性对比分析可以得到尿素催化水解技术优于尿素热解技术。
从反应温度、压力以及响应时间等方面，对尿素催化水解、热解和一般水解3种尿素制氨技术进行了对比，结果如表2所示。
由表2可见．尿素催化水解技术的系统响应速率远优于普通尿素水解技术，其运行成本又远低于尿素热解制氨技术，因此尿素催化水解技术是一种较理想的尿素制氨技术。
4 尿素催化水解系统的应用效果
日前．尿素催化水解系统示范工程已经在大唐长春第二热电厂顺利完成。在示范工程中，设计了1台尿素催化水解反应器．设计氨气产量为150 kg/h，同时设计了催化剂在线添加系统和废液排放系统．分别用于在线添加催化剂和收集系统排放的废液和废气。尿素催化水解系统涉及的各变量上下限值如表3所示，表中涉及体积的数值均已换算至标准状态。
大唐长春第二热电厂6号机组尿素催化水解系统主要运行参数的历史曲线如图2和图3所示。图中所选数据的时间段为2015年1月2日8时一1月3日8时。为了便于在同一图中表示不同单位的数据，图巾所有变量的单位均以其量程（参见表3）百分数表示。
图2和图3结果表明：
(1)尿素水解系统的压力和液位稳定运行于没定值附近。在产氨量变化时，压力和液位会有所波动．但很快能进行自动调节．达到新的平衡状态。
(2)尿素水解反应器产生的氨气（纯）平均值为73.28 kg/h，最大值为88.28 kg/h，最小值为62.02 kg/h。尿素水解系统的产氨量可根据脱硝系统入口氮氧化物浓度的变化而及时变化．从而满足脱硝系统对氨气的需求。
(3) SCR脱硝装置A/B侧，反应器入口NOx质量浓度平均值为375.75/391.35 mg/m3，出口NOx质量浓度平均值为58.78/59.28 mg/m3，达到环保要求的排放标准：脱硝效率平均值为84.36%/84.86%，满足设计要求。
大唐长春第二热电厂6号机组尿素催化水解制氨系统的168 h试运行顺利结束．现已正式投入商业运行。该系统性能测试由东北电力科学技术研究院进行，主要测试结果如下：
(1)尿素水解率大于99%，平均99.53%。
(2)系统负荷响应速率为13%/min，尿素水解系统能满足脱硝系统氨负荷变化要求和调节要求，水解自动化投入率100%。
(3)尿素水解系统能耗成本为尿素热解系统的14%。
5结语
尿素催化水解制氨技术是一种新的尿素制氨技术，具有运行成本低和系统响应速率快的优点。该技术的成功应用将为火电厂制氨系统提供一种新的选择，也将推动尿素制氨技术的升级换代。
6摘要：尿素水解制氨技术安全性较好，能耗水平较低，但系统响应速率较慢，难以适应SCR烟气脱硝要求。为此，研究出一种尿素催化水解制氨新技术。介绍该技术原理、工艺流程和控制策略，并且对几种尿素制氨技术进行了综合对比：以成功应用于大唐长春第二热电厂6号机组脱硝工程尿素催化水解系统为例，介绍该技术的应用效果。研究结果表明，所研究的尿素催化水解制氨技术是一种先进的低能耗尿素制氨新技术，具有很好的市场应用前景。
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