脱硝还原剂选用纯氨和尿素的技术经济探讨

陆生宽

(中国大唐集团科技工程有限公司，北京 100097)

随着全球经济的高速发展，煤的开发利用已经给环境带来了严重污染，特别是燃煤电厂锅炉排放大量的硫氧化物和氮氧化物更进一步加剧了环境恶化。我国是以燃煤发电为主的发展中国家，伴随着发电行业的快速发展，燃煤电厂NOx的排放迅速增加。

2011年9月21日，备受瞩目的《火电厂大气污染物排放标准》正式出台。对NOx污染物排放标准提出了更加严格的要求。正因如此，近年来，国内火电厂脱硝工程加速上马，而原来还原剂采用传统的液氨制备，如今也正有被采用更安全的尿素制备所取代的趋势。

文中针对大唐淮南洛河发电厂三期脱硝工程，探讨该工程还原剂采用纯氨和尿素的技术经济性，以期对今后脱硝工程还原剂的选择提供参考。

1 洛河脱硝工程基本情况

大唐淮南洛河发电厂，现共有六台燃煤发电机组。全厂装机总容量达2440 MW，为安徽省第一大火力发电厂。

一、二期工程4台300 MW机组也完成了烟气脱硫工程的改造。为进一步改善电厂地区环境质量，洛河电厂拟对三期工程2台600 MW机组实施烟气脱硝改造。

要求脱硝装置在催化剂寿命期内，NOx脱除率不小于80%脱硝还原剂的来源主要有液氨、氨水和尿素，由于采用氨水法较液氨法相对安全，但同样存在安全隐患，且运行费用最高。因此90年代以后国际上已经很少以氨水作为脱硝还原剂。洛河三期脱硝工程仅要求针对脱硝还原剂从尿素和液氨两种方案进行比较，选择适合本脱硝工程的还原剂。以下就两个工艺方案作技术经济比较。见表1和表2。

表1 脱硝系统入口烟气参数

表2 脱硝系统入口烟气中污染物成分

2 还原剂为液氨和尿素的基本特性比较

SCR技术是还原剂(NH3、尿素)在催化剂作用下，选择性地与NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故称为“选择性”。主要反应如下:

2.1 液氨的基本特性

(1)氨为无色气体，有刺激性恶臭味。

(2)氨气与空气会形成爆炸性混合物，在浓度为16% ～25%时，明火会产生爆炸。

(3)氨是有毒物质，为GB12268－90规定的危险品，会导致人急、慢性中毒，严重时可致人死亡。储存量超过40 t，则属于重大危险源，被纳入国家安全监察机构重点监控范围。

(4)液氨的运输与储存有严格的标准规定，这使得液氨的运输费用很高。液氨储罐与周围的道路、厂房、建筑等的防火间距不允许少于15 m。

2.2 尿素的特性

尿素是白色或浅黄色的结晶体，易溶于水，在高温(350～650℃)下可完全分解为NH3。因尿素在运输、储存中无需安全及危险性的考虑，从本世纪初开始，尿素越来越多的应用于SCR系统，并逐渐引领SCR领域的潮流。

大唐洛河三期2×600 MW脱硝工程要求设计共用一个还原剂储存与供应系统，还原剂按照2台炉满负荷运行5 d用量储存。

3 还原剂为液氨和尿素的工艺系统比较

3.1 液氨系统

液氨的储存与供应系统通常包括:液氨卸料压缩机、液氨储罐、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽、氨气稀释槽、废水泵、废水池、稀释风机、混合器以及控制系统等(如图1所示)。

液氨的储存和供应系统流程:在卸料压缩机的作用下，液氨由槽车输入液氨储罐内;在压差作用下，液氨由储罐输送到蒸发槽，蒸发为氨气;在氨气缓冲槽内，氨气蓄积到一定的压力，由流量阀调节炉前喷氨流量;在混合器中，氨气与稀释空气混合均匀，再经由喷嘴喷入烟道;排放的废氨气首先排入稀释槽中，经水吸收后排入废水池;泄漏的氨也采用大量水冲洗稀释，排入废水池;最后，由泵将废水送到废水处理站进行处理。

3.2 尿素系统

尿素热解工艺的反应如下:

尿素在温度高于150℃以上时开始不稳定，会分解成NH3和HNCO。HNCO与水反应生成NH3和CO2。

图1 液氨的储存与供应系统图

尿素的储存和供应系统包括:溶解罐、尿素溶液储罐、溶液循环泵、计量和分配装置、绝热分解炉、电加热器和控制系统等，(如图2所示)。

图2 尿素的储存与供应系统图

上图虚框内为尿素热解，其主要流程如下。

在溶解罐中将固体尿素溶解配制成浓度55%的尿素溶液，储存在尿素溶液储罐内，储罐内的尿素溶液经过循环泵输送到尿素溶液计量和分配装置。尿素溶液经过计量和分配装置后由喷射器喷入绝热分解炉。分解炉的热源来自锅炉一次风，一次风经电加热器加热后达到热解所需温度。尿素热解后产生浓度小于5%的氨气，通过AIG送入锅炉烟气。

大唐洛河2×600 MW脱硝工程，通过液氨和尿素两种系统的比较，结合技经专业对采购设备询价结果，发现由于尿素绝热分解技术掌握在外国贩技术支持方手里，分解炉和电加热器的采购成本较高，造成尿素方案的设备采购总体成本比液氨方案较高。

4 主要技术指标及运行成本的比较

大唐洛河三期2×600 MW脱硝工程，按照电厂给的烟气条件，及NOx脱除率不小于80%的要求，通过计算及布置，做出如下对比:

4.1 液氨系统

(1)主要技术指标:①每台炉的最大氨需量经计算为460 kg/h;②液氨储存量约为110 t;③液氨溶液制备区占地面积约3000 m2。

(2)运行费用:

①还原剂消耗:1台SCR系统每年共需液氨约2760 t(以到厂价4000元/吨计)，年费用约1104万元;②液氨储罐的年度检测与安全评估综合费用约50万元;③其他，诸如蒸汽耗量(蒸发罐)、电耗(风机、控制系统)、烟温损失(20℃的稀释空气进入AIG需升温到350℃左右所导致的烟温损失)等，与尿素系统费用基本相同。

4.2 尿素系统

(1)主要技术指标:①每台炉的最大氨需量估算为460 kg/h;②尿素溶液罐储量约370 t;③尿素制备区占地面积约300 m2。

(2)运行费用:①还原剂消耗:1台SCR系统每年共需尿素5118吨(以到厂价2000元/t计)，年费用约1023万元;②常压设备，无需进行年度检测与安全评估;③热解电耗:单台热解炉所需电耗约为1100 KW，电耗年费用约198万元(厂用电以0.3元/kw·h计);④其他，诸如蒸汽耗量(尿素溶解、溶液罐保温)、其它电耗(控制系统约50kw)和烟温损失等。与液氨系统费用基本相同。

5 结论

通过上述的比较，尿素和液氨作为SCR还原剂各有优劣，采用尿素作为还原剂是比较安全的，但初期投资造价高，运行费用也高。采用液氨作为还原剂，相对初期投资造价低，运行费用低，但液氨作为重大危险源，在运输和储备时存在一定的安全隐患，在运输成本上以及在生产安全管理上对电厂的运行水平要求较高，存在一定的危险性，国外使用较少。

另一方面，在考虑选择何种还原剂进行脱硝时，还需要结合场地布置方面的要求，液氨罐区要求的场地布置较大，对于场地较紧张的老厂改造项目或位于人口较密集地区的电厂不宜采用。而尿素相对来说安全可靠，在运输及储存等方面没有特殊要求，场地布置相对紧凑，对于运输不便或者场地较紧张的改造项目，可以采用。通过比较，可以概括得出以下结论，见表1。

表3 液氨与尿素方案的技术经济比较

尿素与液氨均可作为脱硝的还原剂，但是尿素在安全操作如运输和储存安全等方面更具有优点。对于洛河三期脱硝工程，由于大唐洛河电厂属于大型火电厂，老厂改造空间有限，人员较多等原因，建议还原剂采用尿素热解法为宜。

［1］陈进生.火电厂烟气脱硝技术－选择性催化还原法［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［2］王秉铨.工业锅炉设计手册(第二版)［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［3］蔡小峰，SNCR－SCR烟气脱硝技术及其应用［J］.电力环境保护，2008.