2×660 MW機組脫硝還原劑液氨改尿素工程設計及經濟分析

李華

摘 要：現代火電廠SCR脫硝還原劑主要選用氨水、液氨及尿素，其中液氨屬于重大危險源。本研究結合燃煤電廠2×660 MW機組脫硝還原劑液氨改尿素工程實施案例，首先對尿素催化水解及普通水解制氨工藝的原理、反應活化能及響應時間等進行比較，得出催化水解響應速度快，普通水解緩沖空間大，在實際運行中不分伯仲;其次闡述了液氨改尿素工程設計的主要系統，指出了水解制氨系統和氨氣伴熱系統的重要性;最后從靜態投資和運行費用入手，分析了水解法、熱解法及液氨法制氨的經濟性。

關鍵詞：SCR脫硝;還原劑;液氨改尿素;工程設計

中圖分類號：X773 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0090-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.020

Engineering Design and Economic Analysis of Liquid Ammonia to Urea as Denitrification Reducing Agent for 2×660 MW Coal-Fired Units

LI Hua

（Fujian Longjing Environmental Protection Co.， Ltd.， Longyan 364200，China）

Abstract：Ammonia， liquid ammonia and urea are mainly used as SCR denitration reducing agents in contemporary thermal power plants， of which liquid ammonia is a major hazard source. Combined with the implementation case of the denitration reducing agent liquid ammonia to urea project of 2 × 660 MW units in coal-fired power plants， firstly， comparing the principle， reaction activation energy and response time of urea catalytic hydrolysis and ordinary hydrolysis to ammonia production process， it is concluded that catalytic hydrolysis has a fast response speed and a large buffer space for ordinary hydrolysis， but in actual operation， they are equal to each other. Secondly， the main system of liquid ammonia to urea engineering design is expounded， and the importance of hydrolysis ammonia production system and ammonia gas tracing system is pointed out;Finally， starting from the static investment and operating costs， the economics of ammonia production by hydrolysis， pyrolysis and liquid ammonia are analyzed.

Keywords：SCR denitration; reducing agent; liquid ammonia to urea; engineering design

0 引言

當前燃煤發電廠SCR 脫硝還原劑主要選用氨水、液氨和尿素。液氨作為脫硝還原劑在投資與運行成本上存在顯著的優勢，國內絕大多數發電廠都選擇液氨作為SCR脫硝還原劑。然而，從安全、環保、經濟等多方面因素考慮，液氨并非是最佳的脫硝還原劑。《重大危險源辨識》（GB 18218—2009）規定：生產場所儲量超過10 t即屬于重大危險源。此外，國家能源局綜合司于2013年下發《關于加強燃煤機組脫硫脫硝安全監督管理的通知》（國能綜安全〔2013〕296號）、2014年下發《燃煤發電廠液氨罐區安全管理規定》（國能安全〔2014〕328號）、2019年發布《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》（國能綜函安全〔2019〕132號）等文件，提出重大危險源管控和改造，要求華能、大唐、華電、國電等集團公司和各大發電企業率先開展脫硝還原劑尿素代替液氨改造工作。近幾年，響應國家政策要求，液氨改尿素項目如火如荼，本研究結合燃煤電廠2×660 MW機組脫硝還原劑液氨改尿素工程實施案例，就工藝方案比選、經濟分析及實施方案進行闡述。

1 尿素水解制氨原理

尿素制氨工藝主要有尿素熱解和水解，尿素熱解可分為電加熱和高溫煙氣換熱，而尿素水解分為催化水解和普通水解兩種工藝。當前，液氨改尿素工程主要采用水解制氨技術。

尿素水解反應是尿素生產過程的逆反應，反應如式（1）（2）所示[1-2]。

NH2CONH2+ H2O ? NH2COONH4

ΔH=-15.5 kJ/mol ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

NH2COONH4 = 2NH3↑+ CO2↑

ΔH=+177 kJ/mol ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

第1步反應為尿素與水生成氨基甲酸銨，該過程為微放熱反應，反應過程非常緩慢;第2步反應為強吸熱反應，氨基甲酸銨迅速分解生成NH3和CO2，反應過程非常迅速。對于水過剩的尿素溶液，過量水的存在可以加快反應速率。在有過量水參與的情況下，尿素水解總的化學方程式為（3）。

NH2CONH2+xH2O=2NH3↑+CO2↑+（x-1）H2O

ΔH=+ 1 615 kJ/mol ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

尿素溶液在0.4～0.6 MPa的反應壓力和130～160 ℃的溫度下發生水解反應，分解為NH3、H2O和CO2。

催化水解基于普通水解，在初次投運時添加一種磷酸銨鹽類催化劑進入水解器，通過催化劑改變反應路徑，降低了尿素水解反應的活化能Ea，使反應速率大大加快，同時也提高了響應速率。

催化水解反應方程式為（4）至（6）[3]。

（NH2）2CO+催化劑+ H2O → 中間產物+ CO2↑

（4）

中間產物→ 2NH3↑+ 催化劑 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

綜合反應：（NH2）2CO+ H2O = 2NH3↑+CO2↑

（6）

經計算與試驗數據表明，催化水解反應活化能可降低41%，反應速率常數可提高72%，保證負荷響應速率為10%/min。普通水解與催化水解反應速率參數對比如表1所示[4-5]。

催化水解雖有較快的響應速率，但在實際運行中，由于普通水解器可以通過較大的緩沖空間彌補響應速率不足來滿足機組快速變負荷過程中脫硝系統對制氨的要求，兩種水解工藝在實際運行中差異不明顯。

尿素水解制氨的核心設備是水解器，無論是采用催化水解還是普通水解，水解器都是通過撬裝模塊供貨（如圖1所示），機電控一體化，出廠前所有管道、閥門、儀表等均已安裝、調試完成，并做好了油漆防腐和保溫伴熱，設備到現場接上管口和電纜即可啟動。

2 液氨改尿素水解制氨工程設計

本研究對某電廠2×660 MW機組液氨改尿素工程設計展開闡述，該工程選用普通水解制氨工藝，工程范圍包括新增尿素存儲與輸送系統、尿素溶解系統、尿素溶液存儲及輸送系統、水解系統、水解輔助系統、廢水系統、伴熱系統，以及對氨計量系統、稀釋風系統、氨空混合器、氨噴射系統進行改造等工作。本工程基本設計參數如表2所示。

2.1 尿素溶液制備與存儲系統

本項目設置2臺尿素溶解罐，單臺體積為60 m3，使用除鹽水或疏水配制成40%～60%的尿素溶液，溶解罐容量按2臺機組滿負荷24 h用量設計。設有4臺30 m3/h的尿素溶解泵，每臺尿素溶解罐對應2臺泵，一運一備，尿素溶液經溶解泵進入尿素溶液儲罐。新建2臺210 m3的溶液儲罐，容量按2臺機組滿負荷7 d，全天24 h的用量設計，同時配置2臺5 m3/h的輸送泵，一運一備，將尿素溶液輸送至尿素水解反應器。

2.2 尿素水解制氨系統

尿素水解系統包括尿素水解反應器模塊、水解產物計量模塊（水解產物計量模塊布置在脫硝鋼架）。本系統設置2臺水解器，一用一備，每臺水解器的容量為2臺機組BMCR工況下最大需氨量的120%，即每臺水解器產氨量為660 kg/h。水解反應器屬于壓力釜表面式換熱器，分為殼程和管程，殼程即壓力容器內部空腔，約50%的尿素溶液被輸送到內部;管程為盤管換熱器，內部介質為飽和蒸汽，為水解反應提供反應所需的熱量，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。水解器內的尿素溶液的質量分數為40%～50%，氣液兩相平衡體系的壓力為0.4～0.6 MPa，溫度為130～160 ℃。在不同進料情況下尿素水解裝置對尿素溶液的水解產氨率均大于95.38%，平均水解產氨率為98.73%。質量分數為50 %的尿素溶液進料時，尿素水解產品氣成分和體積分數為NH3 37.5 %、CO218.75 % 、H2O 43.75 %，產品氣流經廠區管道輸送至鍋爐SCR區域。尿素水解制氨系統流程如圖2所示。

2.3 氨氣管道伴熱系統

尿素水解制氨是一個可逆反應，NH3和CO2在一定條件下可還原生成氨基甲酸銨，此反應為放熱反應，水解產生的含氨產品氣輸送管線如發生溫降會生成氨基甲酸銨或尿素顆粒堵塞管道[4]。做好保溫伴熱在液氨改尿素工程中起著至關重要的作用。

尿素溶液溶解罐及儲罐通過蒸汽盤管加熱裝置維持溶液溫度在尿素結晶溫度20 ℃以上，保證系統不結晶。溶液儲罐至水解器之間的尿素溶液管道長期處于運行狀態，設置電伴熱，確保尿素溶液溫度維持在結晶溫度之上。

成品氣管道除采用良好的保溫材料進行保溫外，還應引用蒸汽雙管伴熱，并在產品氣管道和伴熱蒸汽管道之間敷設導熱膠泥，保證伴熱蒸汽管道能向產品氣管道傳輸足夠的熱量，確保產品氣溫度在回凝點溫度10 ℃以上。產品氣管道每隔50 m設置一路溫度測點，即時監控產品氣溫度狀況。在水解反應器撬裝模塊及公用制系統中氨氣管線切換中設置蒸汽暖管、蒸汽吹掃置換系統。與產品氣接觸的儀表設置了蒸汽吹掃環，定期對其進行吹掃。

液氨改尿素工程中各管道伴熱溫度設定值如表3所示。

2.4 SCR脫硝區噴氨系統改造

SCR區噴氨改造系統包括氨氣計量模塊、稀釋風系統、氣氣換熱器以及噴氨格柵。

氨氣計量和調節模塊設置在SCR區，每臺反應器設置一套，對進入SCR反應器氨氣流量進行調節，以滿足鍋爐穩燃負荷～100%BMCR之間任何負荷運行的要求。

稀釋風機經核算，原有余量滿足稀釋風加熱至160 ℃后的流量要求，按利舊考慮。

為了防止尿素水解反應的產品氣發生逆反應，將稀釋風引入鍋爐空預器上部煙道內的氣氣換熱器，把冷風加熱至160 ℃以上，保證改造后氨空混合器內的混合氣溫度由常溫升至160 ℃以上。溫度變化導致氣體體積流量增大，現有的氨空混合器出口管徑、噴氨格柵管徑及噴嘴無法滿足要求，須拆除原氨空混合器、氨空混合器出口管道及管道附件、噴氨格柵等，并更換。此外，應對SCR脫硝噴氨系統整體流場進行CFD模擬分析，優化設計噴氨格柵和入口煙道導流板，并對脫硝反應器本體、 出口煙道導流板流場進行校核。

2.5 尿素水解制氨區構筑物及設備平面布置方式

尿素水解制氨區占地約640 m2，采用室內室外聯合單層布置，分為尿素車間和水解車間，尿素車間室內設電子間、配電間、應急尿素堆料區、尿素溶解罐、尿素溶解泵、疏水罐及疏水泵，采用鋼筋混凝土結構。水解車間放置水解器，選用鋼結構房，其四周采用2 m高夾芯彩鋼板半封閉，屋面壓型鋼板。此外，尿素溶液儲罐、蒸汽減溫減壓裝置、廢水坑等布置附近室外空地，整體平面布置見圖3。

3 液氨改尿素工程投資及運行費用對比分析

以上述2×660 MW機組液氨改尿素工程為例，將脫硝還原劑液氨替換尿素制氨，進行氨區硝區改造工程，對比尿素水解、熱解制氨及液氨制氨工藝靜態投資成本和運行費用，詳見表4。

從表4可以看出，尿素水解制氨工程靜態投資小于熱解制氨工藝，其年運行綜合費用介于熱解和液氨制氨兩者之間。尿素水解和熱解在工藝原理及實際應用方面均可行，且國內外都有工程案例。熱解制氨比水解響應速度更快，系統無壓力容器，安全性較高;水解制氨一般采取公用制，互為備用，當一臺水解器發生故障，不會影響整個脫硝系統的正常運行，可靠性高;而熱解爐采用單元制，一旦出現故障，必須停爐檢修[6]。

4 結語

當前，液氨改尿素制氨工藝主要選擇水解，水解包括催化水解和普通水解，在實際運行中不分伯仲，都能滿足脫硝系統用氨需求，工程案例均不在少數。本研究對2×660 MW機組尿素普通水解制氨工程設計展開了詳細的闡述，其中水解器是制氨氣最為關鍵的設備，該設備由撬裝模塊供貨，現場只需接上管口和電纜即可啟動。而氨氣輸送管道的伴熱系統設計和施工是否合理對機組能否投運起著決定性的作用。SCR脫硝區噴氨系統改造工程涉及稀釋風機、噴氨格柵及管道的更換和利舊的碰撞。同時，本研究對液氨改尿素工程經濟性也進行了分析，尿素水解制氨工程靜態投資低于熱解制氨工藝，其年運行綜合費用介于熱解和液氨制氨兩者之間。液氨改尿素工程整體難度較大，水、電、汽、氣等接口眾多，同時涉及大量壓力管道及設備的設計和選型，綜合管架跨越整個廠區，成品氣、蒸汽、疏水等輸送管道較長，保溫、伴熱、疏水等設計或安裝不當，問題將層出不窮。希望本研究所闡述的內容可為今后液氨改尿素工程設計提供借鑒。

參考文獻：

[1] 慕國巍，嚴利貞，王時珍，等.氮肥工藝設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1988.

[2] PERLIS U M.Urea， its properties and manufacture[M].Califomia：Chao’S Institute，1967：1-36.

[3] 易文彬.燃煤電廠尿素制氨技術研究[J].能源與節能，2020（7）：4.

[4] 羅峻，劉國軍.煙氣脫硝尿素制氨工藝技術研究進展[J].潔凈煤技術，2019（4）：8-13.

[5] 孟磊.火電廠煙氣SCR脫硝尿素催化水解制氨技術研究[J].中國電力，2016（1）：157-160.

[6] 張力，張元賞.燃煤電廠脫硝還原劑液氨改尿素工藝比選[J].能源與環境，2019（5）：77-79.