燃煤電廠尿素制氨系統優化選擇

丁 業

（中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 引言

當前燃煤電廠煙氣脫硝一般都采用選擇性催化還原法，應用非常廣泛。煙氣脫硝使用的還原劑為氨氣（NH3），通常從氨水、液氨或者尿素三種原料中得到［1］。在這三種原料中，氨水濃度相對較低，運行成本高，液氨投資成本最低，故液氨在以往脫硝工程中應用廣泛，但是根據GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》，液氨存儲量超過10 t 就屬重大危險源，目前國家已經嚴格控制對液氨的使用，而尿素常溫下非常穩定，比液氨更安全。所以尿素替代液氨制備氨氣已成為國內脫硝還原劑制備系統［2］的技術發展趨勢。

1 尿素制氨工藝

目前尿素水解法和尿素熱解法是技術成熟、使用非常廣泛的尿素制氨工藝。其中尿素水解根據是否添加催化劑分為常規尿素水解和催化水解兩種，尿素熱解分為電加熱尿素熱解、煙氣加熱尿素熱解兩種（煙氣加熱又根據煙氣換熱器的布置位置分為爐外熱風加熱和爐內熱風加熱兩種，兩種方案主要工藝一致）。

上述各種技術路線所需尿素均為50%濃度的尿素溶液，故將尿素轉換為50%濃度尿素溶液的階段每個技術路線均相同，不同點是50%濃度尿素溶液的轉換方法［3］。

2 尿素水解制氨工藝

2.1 常規水解制氨工藝

常規尿素水解制氨工藝，是在尿素溶解罐中加入除鹽水將尿素配置濃度為50%左右的溶液，然后輸送至尿素溶液儲罐中，再經輸送泵和計量分配裝置將尿素溶液送至尿素水解反應器中進行反應，反應的溫度為130～160 ℃，壓力為0.4～0.6 MPa，水解反應生成氨氣、二氧化碳和水蒸汽的混合氣體，氨風混合物最后通過氨氣計量模塊送入脫硝裝置。

尿素水解反應器的熱源一般采用飽和蒸汽，壓力為0.7 MPa、溫度180 ℃以上。蒸汽在水解反應器中進行間接熱交換，換熱產生的冷凝水收集至疏水罐，用做尿素溶解用水或者沖洗用水。

尿素水解制氨工藝的反應方程式為［4］

常規尿素水解制氨裝置包括尿素溶解及輸送設備、尿素水解反應設備、疏水箱、廢水收集及輸送設備等。其中核心裝置為尿素水解反應器，常規采用一體化撬裝設備，安裝簡單方便。

常規尿素水解制氨簡要工藝流程如圖1所示。

圖1 常規尿素水解制氨工藝

2.2 催化水解制氨工藝

由于常規的水解法制氨系統需要的啟動時間相對較長，故為了減少穩定供氨的反應時間，尿素催化水解法工藝就應運而生。

催化尿素水解制氨技術是在尿素中添加磷酸鹽作為催化劑，使尿素水解在壓力約0.35～0.55 MPa，溫度約150 ℃下快速進行，縮短尿素分解產氨時間［5］。

尿素催化水解反應方程式為［6］

總的反應方程式為

尿素催化水解制氨簡要工藝流程如圖2所示。

圖2 尿素催化水解制氨工藝

3 尿素熱解制氨工藝

尿素熱解制氨技術是利用輔助能源將熱一次風加熱至650 ℃以上輸送至熱解爐內，然后通過噴嘴將尿素溶液噴至熱解爐，在一定溫度等條件下尿素溶液分解為氨氣和二氧化碳混合氣體，混合氣再通過氨計量分配系統進入到選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝裝置反應。輔助能源一般采用燃油、電、高溫煙氣等。

尿素熱解制氨常規分為電加熱和煙氣換熱尿素熱解兩種（主要是加熱方式不同），其中煙氣換熱又根據煙氣換熱器的布置位置分為爐外熱風加熱技術和爐內熱風加熱技術，統稱為煙氣換熱尿素熱解。

尿素熱解制氨工藝反應方程式為［7］

3.1 電加熱尿素熱解制氨工藝

尿素熱解電加熱方案是利用電加熱器將熱一次風加熱至650 ℃左右，送入熱解爐將尿素溶液熱解。尿素的溶解系統和水解制氨工藝一致，也是通過除鹽水將尿素溶解成40%～50%的尿素溶液，然后送至熱解爐反應。電加熱尿素熱解制氨的工藝流程如圖3所示。

圖3 電換熱尿素熱解制氨工藝

3.2 煙氣換熱尿素熱解制氨工藝

尿素熱解煙氣換熱方案與尿素熱解電加熱方案系統基本一致，僅將熱源改變，將電加熱改變為爐內高溫煙氣加熱。

前幾年熱解熱源一般采用電加熱方式，但是由于電加熱方式能耗較高，對電廠運行不經濟，現在一般不再推薦使用。近年來各廠家對熱解技術進行相關技術改進，將電加熱改為鍋爐高溫煙氣加熱，經實踐檢驗可大幅降低運行能耗和費用。高溫煙氣一般取自再熱器后、低溫再熱器前煙道，通過“煙氣-空氣換熱器系統”（可置于爐內或者爐外）來加熱熱一次風［8］。煙氣換熱尿素熱解制氨的簡要工藝流程如圖4所示。

圖4 煙氣換熱尿素熱解制氨工藝

4 技術與經濟性比較

4.1 各工藝技術比較

尿素水解和尿素熱解的反應時間、布置安裝方式、主要設備材質、系統適應性及成熟度等各有不同，各工藝分別具有不同的優缺點。

1）系統響應性。對于氨氣的需求信號響應時間，尿素熱解系統一般為5～10 s，常規尿素水解系統一般為3～5 min。但是尿素水解反應器的上部有一定的緩沖空間可彌補水解反應響應時間長的問題，同時換熱器的面積較大，能根據所需氨氣量情況來進行調整，可滿足機組負荷變動的需要。

2）設備布置、安裝與檢修。尿素水解布置方式比較靈活，可以采用單元制布置，也可采用公用制布置。在檢修方面，尿素水解可以設置備用水解反應器，這樣檢修時間更加靈活，不影響機組的正常運行。

尿素熱解爐采用單元制配置，且尿素熱解反應器安裝在鍋爐鋼架上，需要對鍋爐鋼架進行核算、加固，施工時間較長。當采用爐內煙氣換熱時，換熱器必須安裝在鍋爐內，安裝難度較大，檢修不便。

3）主要設備及材質。尿素水解的中間產物（氨基甲酸銨）易造成設備腐蝕，故尿素水解反應器設備和管道一般采用不銹鋼316 材料；而尿素熱解生產過程不會產生強腐蝕物質，一般采用不銹鋼304 材料［9］。尿素水解反應器為壓力容器，制作要求較高，熱解爐常規采用常壓裝置即可。

4）系統可靠性。爐內煙氣換熱技術一般講煙氣換熱器布置在鍋爐高溫煙氣中，導致灰塵容易聚集在換熱器上，從而影響換熱效率及熱量回收，造成電耗及運行成本增加，影響鍋爐運行的經濟性［10］。尿素水解法反應會發生管路堵塞的問題，但如果選用較低濃度的溶液，而且運行過程中注意清洗管路，采取有效的保溫措施，一般可解決聚合堵塞問題［11］。同時尿素水解反應器可設置備用設備，可靠性較高，而尿素熱解爐只能單爐布置，無備用設備，可靠性較低。

在兩種尿素水解反應技術中，尿素催化水解因加入催化劑，導致系統pH 值大幅降低而造成設備腐蝕，而且催化劑的添加，雖使反應的活化能降低了，但也導致反應指前因子的降低，使水解反應速率對溫度變化不敏感，從而在機組負荷變化時，催化水解的性能反而不如常規尿素水解方案［12］。目前，常規尿素水解制氨使用業績遠高于催化水解工藝。

故常規尿素水解工藝的可靠性優于尿素熱解及催化水解工藝。

5）技術成熟度及業績。尿素熱解（電加熱）技術雖然以前應用業績較多，技術也比較成熟，但是能耗較高是明顯的問題，這對電廠來說很不經濟，而且在全國節能降耗的大趨勢下，該方案基本不再推廣。

常規尿素水解制氨技術和尿素熱解制氨技術（煙氣換熱方式）比較成熟，已在國內很多機組中成功應用。

催化水解制氨技術的適應性低于常規水解，目前在國內投運機組相對較少。

各工藝技術比較見表1所示。

表1 不同尿素制氨工藝技術對比

4.2 運行費用比較

按照常規2×660 MW超超臨界機組，單臺機組需氨量500 kg∕h，年運行時間按5 000 h 計算時，尿素水解和尿素熱解運行費用見表2所示。

表2 不同尿素制氨工藝運行費用比較

由表2 可知：尿素水解制氨工藝的綜合運行費用比尿素熱解制氨工藝的運行費用低，其中常規尿素水解的運行費用最低。

需注意的是，表2 中各工藝的尿素耗量均按照100%的轉化率進行計算，若考慮不同工藝的尿素轉化率，熱解工藝的運行費用會更高。另外，對于煙氣換熱的尿素熱解技術，如果改造項目需對引風機進行改造，或者在運行過程中在低負荷時需要啟動電加熱器加熱，則煙氣換熱-尿素熱解方案的初投資及運行費用更高。

4.3 投資成本比較

按照常規2×660 MW超超臨界機組，單臺機組需氨量500 kg∕h，年運行時間按5 000 h 計算時，尿素水解和尿素熱解投資成本見表3所示。

表3 不同尿素制氨工藝投資成本對比 單位：萬元

由表3 可知：常規水解工藝和催化水解工藝設備費用和建設成本較低，煙氣換熱工藝最高。煙氣加熱尿素熱解的氣氣換熱器和反應熱解爐較貴，故投資成本較高，如果為改造項目時，尿素熱解還涉及氨空混合器至格柵的管道改造，投資費用更高。目前水解反應器一般采用一體化撬裝模塊化，安裝費用較低；熱解系統需要在SCR 區進行改造，現場施工費用較高。

5 結語

根據以上對比，尿素水解工藝和尿素熱解工藝均能滿足煙氣脫硝系統液氨替換要求，但各有優缺點。

1）尿素水解工藝布置方式比較靈活，水解反應器一體化撬裝模塊供貨，安裝及檢修方便。尿素熱解爐為單元制配置，尿素熱解反應器安裝在鍋爐鋼架上，安裝及檢修不便。

2）尿素熱解法采用單元制，在使用過程中熱解爐底部管束會產生尿素存積堵塞，導致風量減少、供氨量不夠而停爐的風險；而尿素的水解方式一般采用公共制，可以設置備用管道，系統運行安全。

3）尿素熱解（電加熱）技術成熟，但能耗較高，基本不再推廣；催化水解制氨技術對反應設備的腐蝕風險性較大，其水解速率隨溫度的變化不敏感，在機組負荷變化時，性能反而不如常規尿素水解；常規尿素水解制氨技術和尿素熱解制氨技術（煙氣換熱方式）技術成熟。

4）尿素水解制氨工藝的綜合運行費用和投資成本低于尿素熱解制氨。運行費用比尿素熱解制氨技術（煙氣換熱方式）低約8%，投資成本較尿素熱解制氨技術（煙氣換熱方式）低約18%。

綜上所述，常規尿素水解制氨工藝適用性較強、技術成熟、改造周期短、投資和運行費用較低，施工及檢修方便，已成為液氨替代改造工程中推薦選擇的技術方案。