鍋爐脫硝裝置液氨改尿素可行性研究及實(shí)際應(yīng)用

徐州發(fā)電有限公司 時(shí)世明 徐州華鑫發(fā)電有限公司 胡 偉

1 尿素水解制氨可行性研究

液氨是一種急性毒性、易揮發(fā)、易腐蝕、刺激皮膚的易燃物質(zhì)，在使用和運(yùn)輸中極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸、人員中毒、灼燙等事故，液氨臨界儲(chǔ)存量大于或者等于10t 屬于重大危險(xiǎn)源，兩個(gè)電廠氨站儲(chǔ)氨量都大于臨界量，均屬重大危險(xiǎn)源。

根據(jù)國(guó)家政策及相關(guān)文件規(guī)定要求，在2019年8月兩個(gè)電廠啟動(dòng)了液氨重大危險(xiǎn)源替代改造可行性研究工作。

尿素（CH4N2O），又稱二氨基碳酰胺（Carbamide），尿素是一種無毒無味的有機(jī)化合物，一般晶體呈現(xiàn)微弱的偏堿性，其物理性和化學(xué)性較穩(wěn)定，尿素不屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，便于進(jìn)行交通運(yùn)輸和方便物料儲(chǔ)存并且使用安全可靠，受熱分解即可制成氨氣。近年來，隨著燃煤火力電廠尿素水解技術(shù)工藝逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，水解加熱工藝的日益成熟，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用也將大大降低，尿素水解反應(yīng)制氨工藝在國(guó)內(nèi)國(guó)外多家火力電廠脫硝脫氮中已經(jīng)成功得到了廣泛應(yīng)用。電廠尿素水解技術(shù)工藝制氨，初期工程成本相對(duì)較高，但由于水解工藝所需溫度較低，除去亞硝酸鹽水后又可連續(xù)重復(fù)使用，能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低于尿素?zé)峤夤に囍瓢保?dāng)火力發(fā)電廠擁有多臺(tái)機(jī)組時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為明顯。目前在國(guó)內(nèi)已有較多的應(yīng)用業(yè)績(jī)，實(shí)現(xiàn)了水解技術(shù)和產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，投資成本明顯降低。總而言之，尿素水解制氨技術(shù)工藝的日益成熟，其投資及運(yùn)行費(fèi)用降低，已在國(guó)內(nèi)多家燃煤電廠分別得到推廣。

2 尿素制氨技術(shù)方案比選

根據(jù)目前采用制氨操作技術(shù)的不同，可以細(xì)分兩類：尿素?zé)峤夤に囍瓢焙湍蛩厮夤に囍瓢薄?/p>

尿素?zé)峤夤に嚰夹g(shù)制氨時(shí)，本工程因鍋爐尾部煙道空間有限，換熱器安裝在爐內(nèi)要占用很大空間，還需要考慮防磨問題，所以煙氣換熱器不適宜在爐內(nèi)安裝布置。假如煙氣換熱器在爐外布置時(shí)：換熱器就必須布置在鍋爐本體尾部區(qū)域鋼梁上，需重新計(jì)算鍋爐荷載和空間，且一臺(tái)爐對(duì)應(yīng)一套尿素?zé)峤夤に囅到y(tǒng)，此技術(shù)方案主要需增加煙氣換熱器成套設(shè)備，還需對(duì)受熱區(qū)域鋼梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新核算和結(jié)構(gòu)改造，所以煙氣換熱器也不適宜在爐外布置[1]。

尿素水解工藝技術(shù)制氨時(shí)，從運(yùn)行安全可靠性考慮，采用公用制，多母管供氨，并設(shè)置備用水解反應(yīng)器。水解器制成的氨氣至爐側(cè)時(shí)需經(jīng)熱風(fēng)（不低于160℃）稀釋后，進(jìn)入噴氨系統(tǒng)，沿程管道做好伴熱保溫措施。

綜合考慮尿素?zé)峤庵瓢焙湍蛩厮庵瓢眱煞N改造方案的施工工期、總投資和運(yùn)行成本等因素，考慮到熱解方案停爐工期長(zhǎng)約2個(gè)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(shè)備安裝空間受限，施工難度大，徐州發(fā)電有限公司、華鑫發(fā)電有限公司液氨改尿素工程均采用尿素水解制氨技術(shù)方案。

3 主要技術(shù)原則

參照《火力發(fā)電廠脫硝還原劑液氨改尿素項(xiàng)目可行性研究報(bào)告內(nèi)容深度規(guī)定》的要求，脫硝還原劑液氨改尿素工程可行性研究從現(xiàn)有脫硝裝置及氨區(qū)實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，提出尿素制氨工藝技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的改造方案，做到“范圍明確、重點(diǎn)突出、便于實(shí)施”的原則。

滿足脫硝系統(tǒng)還原劑要求，根據(jù)現(xiàn)役機(jī)組脫硝系統(tǒng)運(yùn)行要求，確定尿素工藝制氨總出力；合理確定設(shè)備規(guī)格，做到技術(shù)可靠、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、合理選型；對(duì)鍋爐脫硝裝置運(yùn)行影響降低達(dá)到最低，工程改造方案應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際情況，妥善處理與在運(yùn)機(jī)組不銜接的關(guān)系，減少工程施工中對(duì)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的直接影響，確保在運(yùn)燃煤機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；合理確定占地面積，設(shè)備布置緊湊、適度，符合相關(guān)土地利用政策；較液氨工藝，在技術(shù)選擇上大幅度提高安全程度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到本次改造降低安全風(fēng)險(xiǎn)目的；與本工程有關(guān)的基礎(chǔ)參數(shù)和數(shù)據(jù)資料，技術(shù)人員根據(jù)電廠運(yùn)行人員提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合研究分析，并與技術(shù)專家充分溝通協(xié)商后確定，確保基礎(chǔ)參數(shù)和資料的可靠性[2]。

4 尿素水解技術(shù)

尿素水解制氨的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

CO(NH2)2＋H2O→NH2COONH4

NH2COONH4→CO2＋2NH3

尿素水解反應(yīng)制氨系統(tǒng)主要設(shè)備裝置組成：尿素水解混合反應(yīng)裝置、尿素溶液輸送泵、及尿素計(jì)量軟件模塊、疏通排水排污系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等。尿素水解顆粒由動(dòng)力提升機(jī)輸送到尿素溶解罐，用去氯離子水將其加熱溶解后生成一定濃度（濃度約為40%-60%）的普通尿素水解溶液，用輸送進(jìn)料泵將其送到尿素溶液儲(chǔ)罐，然后尿素溶液再經(jīng)給料泵、計(jì)量裝置、分配裝置噴出進(jìn)入水解制氨混合反應(yīng)器，水解生成氨氣、水和二氧化碳，含有一定氨量的氣體由噴射處理系統(tǒng)噴出，最后進(jìn)入鍋爐脫硝處理系統(tǒng)，來達(dá)到脫硝脫碳目的[3]。

5 尿素水解制氨技術(shù)方案

5.1 技術(shù)參數(shù)

5.1.1 煙氣量確定

參考脫硝技術(shù)協(xié)議中設(shè)計(jì)煙氣量，對(duì)目前實(shí)際燃燒煤質(zhì)計(jì)算，確定此次工程改造煙氣量約為1054976m3/h(在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)。

5.1.2 脫硝進(jìn)出口NOx 濃度確定

在本次液氨改尿素現(xiàn)場(chǎng)邊界條件數(shù)據(jù)采集時(shí)，調(diào)取了#1機(jī)組2020.03-2020.11脫硝現(xiàn)場(chǎng)入口和出口CEMS 數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析我們可以初步發(fā)現(xiàn)：SCR 入口NOx 濃度和設(shè)計(jì)值相比沒有較大變化，#1、#2機(jī)組SCR 入口NOx 濃度基本上都在40mg/Nm3以下，部分時(shí)段超40mg/Nm3。結(jié)合脫硝參數(shù)設(shè)計(jì)值和實(shí)際運(yùn)行情況，本次改造選取SCR 入口NOx 設(shè)計(jì)濃度為40mg/Nm3。考慮到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，SCR 出口NOx 設(shè)計(jì)濃度30mg/Nm3。

5.1.3 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

通過以上煙氣量及SCR 進(jìn)出口濃度的確定，經(jīng)計(jì)算，在BMCR 工況下，本工程尿素理論消耗量如表1。

表1 華鑫發(fā)電有限公司氨耗量與尿素需求量

經(jīng)計(jì)算，徐州華鑫發(fā)電有限公司2×330MW 機(jī)組超低排放標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行需液氨用量為312kg/h，對(duì)應(yīng)核算尿素用量約為560kg/h，每年使用尿素量約為2905噸。

5.2 尿素站系統(tǒng)設(shè)備

5.2.1 斗提機(jī)系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)置1套斗提機(jī)上料系統(tǒng)，輸送能力約為25t/h。

斗提機(jī)輸送系統(tǒng)主要作用：利用均勻固定在牽引傳動(dòng)構(gòu)件上的一系列料斗，經(jīng)輸送裝置豎向傳動(dòng)提升尿素物料，包括：驅(qū)動(dòng)斗提機(jī)系統(tǒng)主體、驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)、減速裝置和傳動(dòng)料斗等。輸送系統(tǒng)中采用減速器，并設(shè)有止逆裝置，輸送裝置結(jié)構(gòu)合理，柔性傳動(dòng)得到了很好體現(xiàn)，傳動(dòng)裝置不僅能平穩(wěn)運(yùn)行，而且使減速電機(jī)及牽引件等得到很好的保護(hù)，尿素物料在停機(jī)時(shí)也能保持穩(wěn)定狀態(tài)。斗式提升機(jī)下部采用螺栓調(diào)整裝置，用螺栓進(jìn)行微調(diào)可保證底輪兩邊的平衡，確保在運(yùn)行過程中皮帶不會(huì)出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象。

5.2.2 尿素溶液制備系統(tǒng)

（1）尿素溶解罐。本工程項(xiàng)目設(shè)有1個(gè)尿素溶解罐，溶解罐容量為60m3。采用斗提機(jī)把尿素輸送到尿素溶解罐內(nèi)，在尿素溶解罐中，用除鹽水配制成60%的尿素溶液。如果尿素溶液溫度偏低時(shí)，啟動(dòng)蒸汽快速加熱該系統(tǒng)來提供尿素溶液所需熱量，預(yù)防尿素溶液出現(xiàn)結(jié)晶。加熱盤管材料一般采用316L 高級(jí)不銹鋼。溶解罐設(shè)有水流量和溫度控制系統(tǒng)，還采用尿素溶液溶解泵將尿素溶液從儲(chǔ)罐底部向側(cè)部進(jìn)行循環(huán)，使尿素溶液很好地混合溶解。

（2）尿素溶液溶解泵。溶解罐設(shè)置2臺(tái)尿素溶液溶解泵，1運(yùn)1備。尿素在溶解罐中連續(xù)進(jìn)行化學(xué)溶解時(shí)，利用溶解泵和循環(huán)管道將尿素溶液充分溶解，待尿素溶液配置成需要的濃度后，通過輸送泵把符合要求的溶液輸送到尿素溶液存儲(chǔ)罐。

（3）尿素溶液儲(chǔ)罐。尿素溶液由輸送泵打入尿素溶液儲(chǔ)罐。設(shè)置2個(gè)尿素溶液儲(chǔ)罐，每個(gè)容量為90m3，總?cè)萘繚M足2臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行7天（每天24小時(shí)）用量設(shè)計(jì)。儲(chǔ)罐罐體用優(yōu)質(zhì)316L 不銹鋼復(fù)合材料焊接制成，加熱管材料采用316L 不銹鋼。儲(chǔ)罐構(gòu)造形式為立式結(jié)構(gòu)，并分別裝有液位顯示儀、溫度測(cè)量裝置、排污裝置、梯子、通氣口及加熱裝置等，并分別設(shè)有尿素溶液加熱系統(tǒng)以及管道伴熱裝備，確保溶液溫度高于結(jié)晶溫度。

（4）尿素溶液輸送泵。設(shè)置2臺(tái)尿素溶液輸送泵，1運(yùn)1備。主要作用把尿素溶液打到水解反應(yīng)器中。本工程項(xiàng)目采用臥式離心泵，并配置過濾器。

5.2.3 尿素水解反應(yīng)系統(tǒng)

按照《火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，尿素水解裝置宜為公用系統(tǒng)，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用，水解裝置制氨總量要求：應(yīng)能夠滿足在最大負(fù)荷下的氨總量需要。

本次改造工程設(shè)有2臺(tái)水解器，運(yùn)行期間一運(yùn)一備，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組負(fù)荷都達(dá)到85%以上時(shí)，兩個(gè)水解器同時(shí)投運(yùn)。

水解化學(xué)反應(yīng)器主體材質(zhì)全部采用316L 高級(jí)不銹鋼，不再需要額外使用防腐防蝕措施即可滿足不同客戶的需求。

5.2.4 疏水系統(tǒng)

尿素處理車間內(nèi)設(shè)一個(gè)疏水箱，兩臺(tái)疏水泵，疏水泵為一用一備。疏水泵應(yīng)滿足輸送高溫水的要求，疏水泵采用臥式離心泵。疏水箱容量不小于單個(gè)溶解罐容量的一半。疏水箱、泵體均采用304材料。

5.2.5 廢水系統(tǒng)

尿素處理車間設(shè)置一個(gè)地坑和兩臺(tái)排污泵，排污泵一運(yùn)一備。坑內(nèi)保持清潔衛(wèi)生，不允許發(fā)生冒汽漏水現(xiàn)象。地坑排氣設(shè)備設(shè)置至室外，坑內(nèi)頂層設(shè)置空氣霧化、水霧化等系統(tǒng)。

5.2.6 氨氣計(jì)量裝置

本工程每臺(tái)機(jī)組設(shè)有一套氨氣脫硝計(jì)量調(diào)節(jié)裝置，以充分滿足氨氣脫硝裝置在燃煤鍋爐40%～100%BMCR 之間任何一個(gè)負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行的性能要求。氨氣調(diào)節(jié)裝置需設(shè)有伴熱系統(tǒng)，流量檢測(cè)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)模塊（自動(dòng)打開關(guān)閉閥、調(diào)節(jié)器和閥控裝置、流量檢測(cè)儀、溫度檢測(cè)點(diǎn)）等。

5.2.7 稀釋風(fēng)機(jī)

根據(jù)水解系統(tǒng)要求，稀釋風(fēng)需要加熱至170℃以上，用以保證混合氣體的溫度不低于規(guī)定溫度值，防止氨氣發(fā)生逆反應(yīng)重新生成尿素。本工程#1、2機(jī)組原稀釋風(fēng)機(jī)風(fēng)量4210Nm3/h，全壓6900Pa，此次改造每臺(tái)爐脫硝裝置運(yùn)行時(shí)所需氨氣量為161kg/h，每臺(tái)機(jī)組需稀釋風(fēng)量為3520Nm3/h，全壓9000 Pa，原稀釋風(fēng)機(jī)壓頭不能滿足要求，需進(jìn)行更換。本改造工程采用稀釋風(fēng)煙氣加熱的方案，利用煙氣對(duì)稀釋風(fēng)進(jìn)行加熱。

6 社會(huì)效益

氨是有毒有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，會(huì)造成很多受害人急、慢性呼吸道感染中毒，嚴(yán)重時(shí)極有可能會(huì)導(dǎo)致人員中毒死亡。其中液氨的大量輸送、卸料、貯存均同時(shí)存在重大生產(chǎn)安全隱患，液氨泄漏后可能造成重大影響或事故，社會(huì)影響突出，影響社會(huì)安全穩(wěn)定；采用尿素制氨可避免該危險(xiǎn)性、可保證電廠工作人員人身安全及發(fā)電生產(chǎn)安全穩(wěn)定、消除液氨運(yùn)送對(duì)沿途城市、鄉(xiāng)村居民的危險(xiǎn)性，具有重大的社會(huì)效益。