SCR脫硝液氨改尿素制氨技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

文_景杰 丁開瑞

1 北京京能電力股份有限公司 2 山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司

尿素制氨技術(shù)主要包括尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)、普通尿素水解技術(shù)和尿素催化水解制氨技術(shù)，其中尿素催化水解制氨技術(shù)有運(yùn)行成本低和系統(tǒng)響應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn)。裴煜坤等人對(duì)尿素?zé)峤夂退鈨煞N制氨方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，封琦君對(duì)尿素?zé)峤夂痛呋鈨煞N技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析；但少有關(guān)于尿素替代液氨方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究，缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐和投資運(yùn)營(yíng)參數(shù)。本文以尿素替代液氨前后各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)為依據(jù)，對(duì)替代前后進(jìn)行相關(guān)分析。

1 液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)

液氨系統(tǒng)包括卸氨壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水池、廢水泵等儲(chǔ)存、制備和供應(yīng)設(shè)備。外購(gòu)液氨通過液氨槽車運(yùn)至液氨儲(chǔ)罐區(qū)，通過往復(fù)式卸氨壓縮機(jī)將液氨儲(chǔ)罐中的氣氨壓縮后送入液氨槽車，利用壓差將液氨槽車中的液氨輸送到液氨儲(chǔ)罐中；液氨經(jīng)管道輸送至氨蒸發(fā)器，經(jīng)氨蒸發(fā)器蒸發(fā)成氣氨后進(jìn)入氨氣緩沖罐內(nèi)，氣氨經(jīng)氨管道輸送至氨空混合器內(nèi)，與來(lái)自稀釋風(fēng)機(jī)的空氣混合稀釋后，經(jīng)噴氨格柵送入SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)。

液氨為無(wú)色液體，是強(qiáng)腐蝕性有毒物質(zhì)、強(qiáng)制冷劑，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，極易轉(zhuǎn)化為氨氣，在-33℃（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力）沸騰；液氨蒸汽對(duì)皮膚和眼睛有強(qiáng)烈的腐蝕作用，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重疼痛性灼傷，對(duì)呼吸道有窒息作用，當(dāng)氨氣在空氣中濃度達(dá)到0.5%時(shí)，吸入5～10min即可使人死亡，屬于中度危害的化學(xué)物質(zhì)。氣體無(wú)水氨與空氣混合物的爆炸極限為15%～28%。氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣必須排入氨氣稀釋槽中，不得對(duì)空排放，經(jīng)水的吸收排入廢水池，再經(jīng)由廢水泵送至廢水處理站處理。

2 尿素催化水解制氨系統(tǒng)

尿素催化水解技術(shù)是在尿素普通水解的基礎(chǔ)上的一種較快速制氨技術(shù)，反應(yīng)速度較傳統(tǒng)水解法提高約9倍以上。催化劑的主要作用是通過改變反應(yīng)路徑，從而大大加快反應(yīng)速率，負(fù)荷響應(yīng)速度達(dá)10%/min。催化水解技術(shù)是基于縮短尿素水解反應(yīng)時(shí)間，降低相關(guān)設(shè)備造價(jià)基礎(chǔ)上研發(fā)的。

在溫度135～160℃、壓力約0.4～0.9MPa時(shí)，熔融狀態(tài)的尿素在磷酸鹽催化劑的作用下進(jìn)行快速水解反應(yīng)，生成NH3、CO2和水蒸氣的混合氣。其中NH3體積分?jǐn)?shù)為37.5%，反應(yīng)器出口氨氣濃度較高，需要將其稀釋至5%后供脫硝系統(tǒng)使用，稀釋風(fēng)為鍋爐一次風(fēng)或加熱后的空氣。近年來(lái)該系統(tǒng)已越來(lái)越多地應(yīng)用于大型機(jī)組，安全、穩(wěn)定，技術(shù)成熟先進(jìn)。

尿素催化水解系統(tǒng)包括尿素溶解罐、尿素溶液儲(chǔ)罐、催化水解反應(yīng)器、尿素溶解泵、尿素輸送泵、催化劑箱，催化劑泵，疏水箱、疏水泵、廢水池、廢水泵、卸料系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、電伴熱系統(tǒng)等組成。尿素顆粒通過卸貨機(jī)械或氣力輸送至尿素溶解罐中，加除鹽水溶解配置成50%WT尿素溶液，濃度合格的尿素溶液經(jīng)尿素溶解泵輸送至尿素溶液儲(chǔ)罐存放，并維持一定溫度，防止尿素溶液結(jié)晶；根據(jù)氨耗用量，尿素溶液經(jīng)輸送泵送至催化水解反應(yīng)器，催化劑作用下，尿素溶液發(fā)生水解反應(yīng)生成NH3混合氣，管道送至爐區(qū)氨氣流量計(jì)量及調(diào)節(jié)模塊，在氨空混合器NH3混合氣經(jīng)熱風(fēng)稀釋后進(jìn)入SCR脫硝噴氨格柵，尿素催化水解制氨系統(tǒng)見圖1。

圖1 尿素催化水解制氨系統(tǒng)圖

尿素顆粒是無(wú)色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，無(wú)臭無(wú)味，含氮量約為46.5%，熔點(diǎn)132.7℃，易溶于水、醇，呈弱堿性。催化水解反應(yīng)器定期排污及緊急氨氣排放排放至廢水池中，稀釋后廢水經(jīng)由廢水泵送到廢水處理站。袋裝催化劑倒入催化劑箱，稀釋后經(jīng)催化劑泵送入催化水解反應(yīng)器，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)催化劑濃度低于10%，催化劑就需重新加注。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

以電廠600MW機(jī)組鍋爐脫硝系統(tǒng)分別投運(yùn)20d的液氨和尿素兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)計(jì)脫硝還原劑耗量，液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)需提供0.6MPa、260℃的加熱蒸汽將液氨轉(zhuǎn)化為氣氨，系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)長(zhǎng)期用電負(fù)荷；催化水解系統(tǒng)需提供0.6MPa、260℃的加熱蒸汽將尿素水解制成氨水解氣，系統(tǒng)運(yùn)行存在長(zhǎng)期必備用電負(fù)荷，含尿素溶解罐攪拌器、水解反應(yīng)器、尿素輸送泵、減溫水增壓泵。液氨/尿素投運(yùn)日耗用量見表1。

表1 液氨/尿素投運(yùn)日耗用量

投運(yùn)液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)，鍋爐脫硝系統(tǒng)液氨單耗為0.169kg/t汽；投運(yùn)尿素催化水解系統(tǒng)，鍋爐脫硝系統(tǒng)尿素單耗為0.328kg/t汽。

電廠液氨改尿素制氨后，以液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)和尿素催化水解系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)相關(guān)投資建設(shè)，運(yùn)維費(fèi)用，液氨、尿素采購(gòu)價(jià)格等為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)系統(tǒng)年運(yùn)營(yíng)成本。液氨/尿素投資運(yùn)維見表2。

表2 液氨/尿素投資運(yùn)維表

單臺(tái)600MW機(jī)組年運(yùn)行220d，日均負(fù)荷率58%，液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)投運(yùn)后，年運(yùn)營(yíng)成本為502.8萬(wàn)元，尿素催化水解系統(tǒng)投運(yùn)后，年運(yùn)營(yíng)成本818.7萬(wàn)元。尿素催化水解系統(tǒng)總成本（含折舊費(fèi)）是液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)系統(tǒng)的1.65倍。

4 結(jié)語(yǔ)

尿素催化水解系統(tǒng)建設(shè)投資費(fèi)用高，運(yùn)行成本高；液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)建設(shè)投資費(fèi)用低，運(yùn)行成本低，尿素催化水解系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本是液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)系統(tǒng)的1.6倍，總成本是液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)系統(tǒng)的1.65倍。但液氨儲(chǔ)供系統(tǒng)危險(xiǎn)性很大，存在較多安全不可控因素，尤其是城市近郊電廠，人員相對(duì)密集，一旦泄漏危害后果巨大，設(shè)備本質(zhì)安全性差。尿素催化水解系統(tǒng)相對(duì)安全性較好，不存在泄漏傷人的風(fēng)險(xiǎn)。燃煤電廠應(yīng)結(jié)合安全性、經(jīng)濟(jì)性綜合考量脫硝還原劑的選定。