火力發(fā)電1 000 MW機組SCR脫硝劑液氨改尿素的工程應(yīng)用研究

摘要：針對火力發(fā)電1 000 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)，探討了液氨改尿素作為脫硝劑的工程應(yīng)用。研究結(jié)果表明，尿素作為脫硝劑具有更高的安全性、更低的存儲和運輸風(fēng)險，同時其脫硝效率可滿足環(huán)保要求。詳細(xì)闡述了尿素脫硝系統(tǒng)的設(shè)計、改造方案及運行參數(shù)優(yōu)化，為火力發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)綠色、安全、高效的脫硝提供更多技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電；1 000 MW機組；SCR脫硝劑；液氮改尿素

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，火力發(fā)電行業(yè)面臨著巨大的脫硝減排壓力。傳統(tǒng)的SCR脫硝系統(tǒng)多采用液氨作為脫硝劑，但液氨具有易燃易爆的特性，給存儲和運輸帶來了較大風(fēng)險。因此，尋找一種更安全、高效的脫硝劑成為當(dāng)前研究的熱點。尿素作為一種安全、易得、環(huán)保的化工原料，在脫硝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，探究SCR脫硝劑液氨改尿素工程應(yīng)用具有實際意義。

1研究案例闡述

文章以寧海電廠二期工程為例，該工程包括2個1 000 MW超超臨界燃煤機組。該工程的兩臺機組分別于2009年9月和10月正式投入生產(chǎn)。為了保證該電廠安全穩(wěn)定運行及全面保障工作人員安全，其在長期發(fā)展中，以“安全、綠色、環(huán)保”為主要目標(biāo)，致力于建設(shè)成可持續(xù)發(fā)展電廠。在經(jīng)營過程中，出于環(huán)保、綠色、節(jié)能等需求，對脫硝氨區(qū)進行改造，用更為安全的尿素水解制氨工藝取代傳統(tǒng)的液氨制氨工藝，以便消除氨區(qū)重大危險源。在改造過程中，對原有的氨輸送管道進行優(yōu)化，并對多余管道進行拆除，氨區(qū)相關(guān)設(shè)備及附件也進行拆除，整理原氨區(qū)所在場地，用500 mm厚種植土進行回填，并在其上滿鋪馬尼拉草坪。

2尿素制氨工藝分析

2.1尿素特性

尿素，又稱脲、碳酰胺，是一種由碳、氮、氧、氫組成的有機化合物，具有無色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體的物理形態(tài)，在工業(yè)或農(nóng)業(yè)應(yīng)用中通常表現(xiàn)為白色略帶微紅色的固體顆粒，無臭無味。

2.2系統(tǒng)概述

二期工程2*1 000 MW機組鍋爐主機選用上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，型號為SG 3091/23.56M54X。該鍋爐具備一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置等特點，且在不投油的情況下，最低穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)30％BMCR。

尿素制氨系統(tǒng)由兩個水解車間和一個尿素車間組成。二期水解車間設(shè)有兩臺水解器，執(zhí)行一用一備策略，為二期兩臺機組脫硝系統(tǒng)提供氨。尿素車間負(fù)責(zé)制備和輸送兩個水解車間的尿素溶液。

2.3工藝原理

在尿素水解制氨工藝中，尿素和水混合制備成尿素水溶液，通過泵送至水解反應(yīng)器，以產(chǎn)生所需產(chǎn)品氣。產(chǎn)品氣為氨氣、二氧化碳和蒸汽的氣態(tài)混合物，該混合物進一步與鍋爐煙氣混合，以去除氮氧化物。尿素水解制氨工藝的首步為尿素與水反應(yīng)，生成氨基甲酸銨中間體：

NH2CONH2+H2ONH2CO2NH4

氨基甲酸銨在反應(yīng)中進一步分解為氨：

NH2CO2NH42NH3+CO2

尿素水解制氨的總反應(yīng)方程式為：

NH2CONH2+（1+x）H2O2NH3+CO2+（x）H2O

尿素水解制氨反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，熱源來自主機系統(tǒng)蒸汽，蒸汽經(jīng)減溫減壓后供應(yīng)水解反應(yīng)器。尿素水解制氨系統(tǒng)設(shè)計使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～60%的尿素溶液。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的尿素溶液進料情況下，水解的含氨產(chǎn)品成分約為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)28.3%的氨、質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.7%的二氧化碳和質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%的水蒸氣［1］。

2.4工藝系統(tǒng)流程闡述

配制尿素溶液時，正常上料通過散裝尿素槽車自卸料裝置輸送至尿素溶解罐。若尿素槽車到貨不及時，則人工拆包袋裝尿素，經(jīng)斗提機輸送入罐。調(diào)節(jié)尿素和除鹽水給料量控制溶液密度，制成50%質(zhì)量濃度的尿素溶液，再輸送至儲罐。儲罐內(nèi)尿素溶液保溫至40～50 ℃，送至水解反應(yīng)器產(chǎn)生氨氣，加熱蒸汽回收至疏水箱。尿素溶液經(jīng)泵進入反應(yīng)器，加熱水解產(chǎn)生氨氣，稀釋后濃度小于5%進入氨氣煙氣混合系統(tǒng)，噴入脫硝系統(tǒng)。稀釋風(fēng)由稀釋風(fēng)機提供，加熱至180 ℃保證混合氣體溫度高于150 ℃，防止逆反應(yīng)。氨空氣混合器前增加稀釋風(fēng)煙氣加熱裝置，煙氣換熱裝置氣側(cè)壓力、阻力均有限制［2］。其中SCR入口煙氣參數(shù)及設(shè)計需氨量如表1所示（以單臺機組為例進行闡述）。

2.5控制部分設(shè)計

（1） SCR反應(yīng)裝置。本工程脫硝系統(tǒng)采用集中監(jiān)控方式，在原控制系統(tǒng)上修改，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、順序控制和調(diào)節(jié)控制，無就地操作員站。因是改造工程，原DCS系統(tǒng)已建成，本次更換或新增設(shè)備使用原系統(tǒng)備用點，控制納入原卡件位。建成后，在主機組控制室通過DCS操作員站可完成脫硝系統(tǒng)的啟/停控制、監(jiān)視調(diào)整、異常處理及故障診斷，無需現(xiàn)場人員配合。

（2） 公用系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)公用尿素水解部分采用DCS控制［3］。

3具體應(yīng)用分析

3.1工程前期準(zhǔn)備

（1） 方案制定：根據(jù)機組實際情況和環(huán)保政策要求，制定詳細(xì)的液氨改尿素工程方案，包括尿素儲存、輸送、制備、噴射等系統(tǒng)的設(shè)計和選型。

（2） 設(shè)備采購：根據(jù)方案要求，采購符合標(biāo)準(zhǔn)的尿素儲存罐、輸送泵、水解反應(yīng)器、噴射裝置等設(shè)備，并確保設(shè)備質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定。

（3） 人員培訓(xùn)：對參與工程的技術(shù)人員進行培訓(xùn)，使其熟悉尿素制氨技術(shù)的基本原理和操作要點，確保工程順利進行。

3.2尿素儲存與輸送系統(tǒng)改造

（1） 尿素儲存罐安裝：在合適的位置安裝尿素儲存罐，確保罐體密封性良好，防止尿素泄漏。

（2） 輸送管道鋪設(shè)：鋪設(shè)尿素輸送管道，將尿素儲存罐與水解反應(yīng)器連接起來，確保管道暢通無阻。

（3） 輸送泵安裝與調(diào)試：在尿素輸送管道上安裝合適的輸送泵，并進行調(diào)試，確保泵的性能滿足工程要求。

3.3尿素制氨系統(tǒng)改造

（1） 水解反應(yīng)器安裝：選擇合適的水解反應(yīng)器，并安裝在合適的位置，確保反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理，容積率符合要求。

（2） 催化劑添加：在尿素水解過程中，添加適量的磷酸鹽作為催化劑，以改變反應(yīng)路徑、加快反應(yīng)速率。

（3） 溫度與壓力控制：通過調(diào)整水解反應(yīng)器的溫度和壓力，使尿素在最佳條件下進行水解反應(yīng)，產(chǎn)生NH3、H2O和CO2的混合氣體。

3.4尿素噴射系統(tǒng)改造

（1） 噴射裝置選型與安裝：根據(jù)機組SCR脫硝系統(tǒng)的實際情況，選擇合適的尿素噴射裝置，并安裝在合適的位置。

（2） 噴射量控制：通過調(diào)整噴射裝置的噴射量，使尿素與煙氣中的NOx充分反應(yīng)，達(dá)到最佳的脫硝效果。

（3） 噴射均勻性優(yōu)化：優(yōu)化噴射裝置的布局和噴射角度，確保尿素在SCR反應(yīng)器內(nèi)分布均勻，提高脫硝效率［4］。

3.5系統(tǒng)調(diào)試與運行

（1） 系統(tǒng)調(diào)試：在完成各系統(tǒng)改造后，對整個液氨改尿素工程進行調(diào)試，確保各設(shè)備運行正常、參數(shù)設(shè)置合理。

（2） 性能測試：對改造后的SCR脫硝系統(tǒng)進行性能測試，包括脫硝效率、氨逃逸率等指標(biāo)的評價，確保系統(tǒng)性能滿足環(huán)保要求。

（3） 運行監(jiān)控：建立完善的運行監(jiān)控體系，對尿素制氨系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備進行實時監(jiān)控，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4應(yīng)用優(yōu)勢

火力發(fā)電1 000 MW機組SCR脫硝劑液氨改尿素的工程應(yīng)用之后，其具備以下優(yōu)勢。

4.1環(huán)保效益顯著

將液氨改為尿素作為SCR脫硝劑，顯著提升了環(huán)保效益。尿素作為脫硝劑，其分解產(chǎn)生的氨氣與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)，生成無害的氮氣和水，從而有效減少氮氧化物的排放。這不僅有助于改善空氣質(zhì)量，減少酸雨和光化學(xué)煙霧等大氣污染物的形成，還積極響應(yīng)了國家關(guān)于節(jié)能減排和綠色發(fā)展的政策導(dǎo)向。此外，尿素相對于液氨更為安全、穩(wěn)定，降低了儲存和運輸過程中的安全風(fēng)險。

4.2經(jīng)濟效益可觀

液氨改尿素在經(jīng)濟效益方面同樣表現(xiàn)出色。尿素作為一種廣泛應(yīng)用的化工原料，其來源廣泛、價格穩(wěn)定，相較于液氨具有更高的性價比。采用尿素作為脫硝劑，不僅降低了脫硝成本，還有助于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。此外，尿素的使用還可以減少因液氨泄漏或揮發(fā)導(dǎo)致的物料損失，進一步降低了運行成本。

4.3技術(shù)操作簡便

液氨改尿素在技術(shù)操作方面也具有顯著優(yōu)勢。尿素溶液的制備和輸送過程相對簡單，無需特殊的儲存和運輸設(shè)備，降低了設(shè)備的投資和維護成本。同時，尿素溶液的噴射系統(tǒng)也更為靈活，可以根據(jù)機組負(fù)荷和氮氧化物排放量的變化進行實時調(diào)整，確保脫硝效果的穩(wěn)定可靠。此外，尿素系統(tǒng)的自動化程度較高，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，提高了工作效率和管理水平。

5結(jié)語

通過工程應(yīng)用實踐，驗證了尿素作為火力發(fā)電1 000 MW機組SCR脫硝劑的可行性和優(yōu)越性。尿素脫硝系統(tǒng)的成功改造和運行，不僅提高了脫硝過程的安全性，降低了環(huán)境污染風(fēng)險，而且實現(xiàn)了脫硝效率的穩(wěn)定提升。

參考文獻：

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［3］馮前偉，張彭，李存文，等.典型燃煤機組SCR脫硝還原劑尿素制氨技術(shù)經(jīng)濟比較分析［J］.鍋爐技術(shù)，2022，53（1）：7680.

［4］李鵬.超臨界CFB鍋爐脫硝系統(tǒng)深度調(diào)峰改造研究［J］.煤炭科技，2023，44（6）：3539，44.