燃煤電廠脫硝系統液氨改尿素技術探討及應用

國能徐州發電有限公司 時世明 徐州華鑫發電有限公司 胡 偉

1 項目的必要性

根據《化學品分類和危險性公示通則》（GB13690-2009）記錄，液氨是一種急性毒性、易揮發、易腐蝕/刺激皮膚的易燃物質。液氨的揮發物，氨氣與空氣會形成爆炸性混合物，在濃度為16%～25%時，遇明火會產生爆炸。當液氨所在的生產場所超過40噸或儲存量超過10噸時，按《危險化學品重大危險源辨識》（GB18218-2018）規定屬于重大危險源。

為進一步加強電力安全生產監督管理，持續推進電力行業危險化學品安全綜合治理，2019年4月2日，國家能源局綜合司發布《切實加強電力行業危險化學品安全綜合治理工作的緊急通知》，要求積極開展液氨罐區重大危險源治理，加快推進尿素替代升級改造進度。

尿素是一種穩定、無毒的固體物料，使用過程中對人和環境均無害，同時可被散裝運輸和長期儲存，且無需運輸與存儲方面的特殊處理，是一種較為理想的工業制氨原料。尿素制氨的工藝原理是將尿素水溶液在一定溫度下發生分解，生成氨氣。近年來，隨著尿素熱解、水解工藝的日益成熟，其投資及運行費用降低，已在國內多家燃煤電廠分別得到推廣和應用。

國內應用尿素水解工藝的電廠主要采用源自美國的U2A 工藝，即將質量分數為40%～50%的尿素溶液通過尿素溶液輸送泵送到水解反應器，在150℃、0.5MPa 的條件下發生水解反應，制取氨氣。尿素水解工藝初始投資較高，但由于加熱分解溫度低、加熱蒸汽的冷凝水可循環使用，能耗低于尿素熱解工藝，同時可實現多臺機組公用，在電廠有多臺機組或機組容量較大時，優勢更為明顯。

2 尿素制氨技術

從國內應用情況來看，當電廠處于人口密集區，或其廠內用地緊張難以滿足危險品儲存的安全距離要求，或者液氨的采購及運輸路線有很大困難時，為克服燃煤電廠煙氣脫硝使用液氨存在的安全性問題，尿素制氨工藝被開發出來，尿素系統比較復雜、投資和運行成本高于液氨系統，但是其最大的優勢是安全性高。制氨系統由尿素顆粒儲存和溶解系統、尿素溶液儲存和輸送系統及尿素分解系統組成。根據尿素制氨工藝的不同，分為熱解技術和水解技術。

2.1 尿素熱解技術

尿素熱解系統包括計量分配模塊、絕熱分解室、尿素溶液噴射器等。尿素溶液經由計量與分配裝置、尿素溶液噴射器等進入絕熱分解室（350～650℃）與高溫稀釋空氣（650～700℃）混合均勻，分解生成NH3、H2O 和CO2。混合產物經氨噴射系統進入SCR 系統。整個工藝過程需要監測壓力、流量及溫度以滿足脫硝系統的設計要求。同時需設置尿素溶液計量分配裝置，根據系統的需要自動控制噴入熱解爐的尿素溶液量。熱解爐（絕熱分解室）后的氨氣輸送管道需進行保溫處理，保證氨噴射系統前的溫度不低于350℃。

原理：利用輔助能源（燃油、電加熱、煙氣等）在熱解爐內制造650℃以上溫度的溫度場，將霧化的尿素溶液直接噴入分解為氨氣。

不足：尿素轉化氨的效率低，不完全熱解所產生的副產物易沉積，導致其物耗高，由于其、燃料消耗量大，能耗不能隨機組負荷降低而降低，不能多機組公用。

2.2 尿素水解技術

尿素水解制氨的化學反應方程式如下：

尿素水解系統包括尿素水解反應器模塊、計量模塊、疏水箱、廢水箱、廢水泵等。濃度約為40%～50%的尿素溶液輸送至尿素水解反應器內，飽和蒸汽通過盤管的方式進入水解反應器，飽和蒸汽不與尿素溶液混合，通過盤管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6MPa，溫度約為150～170℃。水解反應器產生的含氨混合氣流（NH3、H2O 和CO2）進入計量與分配裝置，被熱稀釋風稀釋后，進入氨氣—煙氣混合系統。

尿素普通水解制氨工藝主要有意大利Siirtec Nigi 公司的Ammogen?工藝和美國Wahlco 公司及Hamon 公司的U2A?工藝。近幾年，國產尿素水解工藝也已成熟，國內眾多電廠脫硝已采用尿素水解工藝。通過眾多工程說明，國產尿素普通水解工藝運行狀態穩定，還原劑制備效果良好。目前國內提供該工藝的廠家主要有四川晨光工程設計院、成都銳思環保公司等企業。

2.3 尿素制氨技術方案比選

采用尿素熱解工藝時：熱解系統采用單元制，布置在SCR 反應器附近鍋爐區鋼架上，一臺爐對應一套熱解系統。此方案需配套進行鍋爐及SCR 區鋼架的局部核算或加固改造。

采用尿素水解工藝時：從運行安全可靠性考慮，采用公用制，多母管供氨，并設置備用水解反應器。水解器制成的氨氣至爐側時需經熱風（不低于160℃）稀釋后，進入噴氨系統，沿程管道做好伴熱保溫措施。

綜合考慮尿素熱解制氨和尿素水解制氨兩種改造方案的施工工期、總投資和運行成本等因素，考慮到熱解方案停爐工期長約1個月以上，鋼架上布置施工需要核算加固鋼架且改造工作量多，熱解設備安裝空間受限，施工難度大，徐州發電有限公司、華鑫發電有限公司液氨改尿素工程采用尿素水解制氨技術方案。

3 尿素水解制氨技術方案

3.1 技術參數

3.1.1 煙氣量確定

參考脫硝技術協議中設計煙氣量，經近期實際燃用煤種核算，確定本次改造煙氣量為1055804m3/h（標態、干基、6%含氧量）。

3.1.2 脫硝進出口NOx 濃度確定

在本次改造邊界條件選取時，調取了#1、#2機 組2019年3月 到2020年2月脫硝入口CEMS 數據，通過數據分析可以發現，SCR 入口NOX 濃度和設計值相比沒有較大變化，#1、#2機組SCR 入口NOX 濃度基本上都在400mg/Nm3以下，部分時段超400mg/Nm3。結合脫硝參數設計值和實際運行情況，本次改造選取SCR 入口NOx 設計濃度為40mg/Nm3。考慮到環保排放標準日趨嚴格，SCR出口NOx 設計濃度30 mg/Nm3。

3.1.3 設計基本參數

通過以上煙氣量及SCR 進出口濃度的確定，經計算，在BMCR 工況下，本工程尿素理論耗量如表1。

表1 華鑫發電有限公司氨耗量與尿素需求量

經計算：徐州華鑫發電有限公司2×330MW 機組超低排放標準運行需液氨耗量為308kg/h，相應計算尿素耗量為553kg/h，年尿素耗量為2765噸。

3.2 尿素站系統設備

3.2.1 斗提機系統

本項目設置1套斗提機上料系統，輸送能力為20t/h。

斗式提升機的輸送工作原理是：料斗把物料從下面的儲倉中舀起，隨著輸送帶或鏈提升到頂部，繞過頂輪后向下翻轉，斗式提升機將物料傾入接受槽內。鏈傳動的斗式提升機一般裝有兩條平行的傳動鏈，上或下面有一對傳動鏈輪，下或上面是一對改向鏈輪。斗式提升機一般都裝有機殼，以防止斗式提升機中粉塵飛揚。

3.2.2 尿素溶液制備系統

（1）尿素顆粒儲存和溶解系統

尿素顆粒存儲、溶解系統的主要設備包括尿素顆粒儲倉、尿素上料系統、中間儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液混合泵等。

尿素顆粒經上料系統儲存于儲倉內，由尿素中間儲倉輸送到溶解罐內，用除鹽水將干尿素顆粒溶解成40-50%質量濃度的尿素溶液，并通過尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲罐中。

（2）尿素溶液儲存和輸送系統

尿素溶液儲存和輸送系統的主要設備包括尿素溶液儲罐、尿素溶液輸送泵等。通常情況下，尿素溶液儲罐中的尿素溶液總儲存容量宜為全廠所有機組BMCR 工況下5-7天的日平均消耗量。

（3）尿素水解反應系統

按照《火力發電廠脫硝系統設計技術規范》規定，尿素水解裝置宜為公用系統，1臺使用，1臺備用，除備用裝置外，水解裝置總量應滿足所有機組BMCR 負荷下的最大制氨需要。

水解反應器材質采用316L 不銹鋼，設置合理的腐蝕裕量，要求不額外添加壓縮空氣等防腐措施即滿足使用需求。與尿素溶液接觸的閥門采用304L 不銹鋼，與水解產物接觸的閥門采用316L 不銹鋼。與尿素溶液和產品氣接觸的閥門和執行機構采用進口品牌產品, 采用尿素系列專用閥。

（4）疏水系統

尿素車間設一臺疏水箱，兩臺疏水泵，疏水泵為一用一備。疏水泵應滿足輸送高溫水的要求，疏水泵采用臥式離心泵。

在運行工況下，水解反應器、溶解罐、溶液儲罐的蒸發疏水回收至疏水箱。疏水箱收集疏水可用作尿素顆粒溶解用水、管道沖洗水。在正常運行工況下，多余的疏水通過疏水泵統一輸送至指定位置。疏水箱容量不小于單個溶解罐容量的一半。

（5）廢水系統

尿素車間設置一個地坑及兩臺地坑排水泵，排水泵一運一備。地坑不允許發生冒汽現象。地坑設置排氣設備至室外，坑內頂部設置噴淋、稀釋水系統。

（6）水沖洗系統

在尿素溶液管道上設置完善的水沖洗系統，消除尿素溶液結晶的影響。

（7）稀釋風機

根據水解系統要求，稀釋風需要加熱至200℃以上，用以保證混合氣體的溫度在140℃以上，防止混合氣體發生逆反應重新生成尿素。常見的稀釋風加熱方案有蒸汽加熱、煙氣加熱和熱一次風加熱三種。本工程采用煙氣加熱，煙氣換熱器安裝在每臺脫硝反應器出口喇叭口內部，利用煙氣對稀釋風進行加熱。

4 社會效益

氨是有毒物質，會導致人急、慢性中毒，嚴重時可致人死亡。其輸送、卸料、貯存均存在安全隱患，液氨泄漏后可能造成重大影響或事故，社會影響突出；采用尿素制氨可避免該危險性、可保證電廠工作人員人身安全及發電生產安全穩定、消除液氨運送對沿途城市、鄉村居民的危險性，具有重大的社會效益。

5 結語

該項目工程2021年4月20日開始施工，2021年10月15日交工投運。運行后通過測試，各項技術參數達到設計要求，系統設備運行穩定且能達到較高的效率同時又降低了安全風險、消除潛在的安全隱患。徐州發電有限公司、華鑫發電有限公司脫硝系統液氨改尿素的成功，為同類型機組的改造提供了范例。