烟气脱硝尿素单元制与公用制水解工艺技术比较

姜艳靓，朱林，李枭鸣，王娴娜

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京市 210044；2.国电环境保护研究院，南京市 210031)



烟气脱硝尿素单元制与公用制水解工艺技术比较

姜艳靓1,2，朱林1,2，李枭鸣1,2，王娴娜1,2

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京市 210044；2.国电环境保护研究院，南京市 210031)

结合具体工程实例，采用调查、个案研究与经验总结相结合的研究方法，比较了烟气脱硝尿素单元制与公用制这2种布置方式的安全性和空间适应性。与单元制布置方式相比，公用制布置的主要优势体现在：水解反应器互为备用，系统更安全可靠；主管道以输送氨气为主，降低了管道堵塞的可能；更能适应入口氮氧化物浓度波动；空间布置更灵活紧凑；锅炉台数越多，公用制布置方式优势越明显。对于负荷率不高、氮氧化物浓度波动较大，且位于寒冷地区的电厂，建议优先考虑公用制尿素水解布置方式。

尿素水解；布置方式；烟气脱硝； 选择性催化还原法(SCR)

0 引 言

目前，烟气脱硝尿素制氨技术主要分为热解和水解[1]。尿素热解制氨是在热烟气中分解提供氨，还原剂利用率低[2]，运行成本高，且热解炉尾部积物速度较快，维护困难[3]。

与热解技术相比，尿素水解法起步较晚，1999年才开始在国外锅炉烟气脱硝工程中运用[4]，初期投资高[5]，但实际运行中水解制氨以更高还原剂利用率、更低能耗和更安全稳定的冗余布置，在大型火力发电机组中的应用更具实用性[6-7]。因而，近几年随着尿素水解国产化的推进，国内烟气脱硝工程采用尿素水解制氨技术的比例不断增大，成为尿素制氨的主流技术。

国内尿素水解工艺制氨技术起步较晚，起源于化工行业的深度水解技术。目前，许多学者从尿素分解特性角度对水解在脱硝工程中的应用做了相关研究[8]，也有从尿素水解的工艺窗口和影响因素出发，结合动力学参数，对具体实例进行数值建模计算分析等[9]，这些都对研制开发具有自主产权的尿素水解制氨技术具有一定的参考意义。但是，将该技术应用于实际工程还存在许多困难，仍然主要采用AOD(ammonia on demand)、U2A(urea to ammonia)等单元制配置的国外引进技术[10]，存在尿素溶液输送管道易堵塞、空间利用率低、设备故障降低脱硝投运率等问题[11-12]。

针对上述情况，本文提出公用制尿素水解技术布置方案，从布置方式、安全性和空间适应性等运行技术方面对公用制和单元制尿素水解技术进行比较，并以具体脱硝工程为例加以佐证。

1 尿素水解工艺简介

尿素水解工艺流程为：储仓的颗粒尿素由螺旋给料机输送至尿素溶液储存罐，溶解成质量浓度为40%～55%的尿素溶液，尿素溶液再经给料泵、计量与分配装置进入水解反应器生成NH3、H2O和CO2，工艺流程见图1[13]。

图1 尿素水解制氨工艺Fig.1 Ammonia process of urea hydrolysis

2 尿素水解布置方式

2.1 单元制尿素水解

目前国内采用的尿素水解技术主要是单元制的布置方式，布置方式如图2所示，1台尿素水解反应器对应于1台锅炉的2个选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)脱硝反应器，这种布置方式通常将水解器设置在SCR钢架上。单元制水解技术布置距离SCR反应器较近，氨气管道输送距离短，能有效防止因长距离输送引起的温降问题，但实际运行中，由于尿素水解器距离尿素储罐较远，长距离的尿素溶液输送会由于管道伴热不均而发生尿素结晶堵塞[14]；单元制布置方式中单台水解反应器与锅炉一一对应，水解器发生故障造成整个机组的脱硝系统停运。

图2 单元制尿素水解布置示意图Fig.2 Schematic diagram of unit urea hydrolysis

2.2 公用制尿素水解

针对上述单元制存在的问题，本文对布置方式进行优化，提出公用制布置方式，配置如图3所示，1台尿素水解反应器向多台锅炉的脱硝系统供氨，通常设置方式为一拖二或一拖三。根据DL/T 5480—2013《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》[15]，对于有4台及以上锅炉的电厂只需设置2～3套尿素水解反应器模块便可满足需要，投资省，管理方便，适用于尿素车间离锅炉房较近的情况。

图3 公用制布置示意图Fig.3 Schematic diagram of public system

3 技术比较

3.1 安全性分析

根据最新颁布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020)》和《关于调整排污费征收标准等有关问题的通知》要求，脱硝装置应确保满足最低技术出力以上全负荷、全时段稳定达标排放要求，若氮氧化物浓度或总量超标排放，排污费将翻倍处罚，不达标所征收的费用将远高于环保设施的运行成本。因此，对于燃煤机组而言，尿素水解装置系统的可靠稳定运行相当重要。

3.1.1 设备配置可靠性

采用单元制布置方式，1台锅炉对应布置1台尿素水解反应器器，若反应器发生故障，则整台机组的喷氨系统无法正常运行；而采用公用制布置方式，2台水解器互为备用，若发生故障则可交替使用，可保证这个系统的正常运行，较单元制配置的安全可靠性得以提高。

3.1.2 管道输送可靠性

就管道输送而言，单元制尿素水解制氨管道输送主要为50%的尿素溶液，而公用制水解制氨管道输送的主要为成品氨气(混合气体)。

尿素溶解过程是吸热反应，其溶解热高达-241.8 J/g，因此尿素溶液在输送过程中容易因温度降低而结晶[16]。为避免尿素结晶，管道均须伴热，温度一般保持在50 ℃以上。单元制布置时，水解器与尿素溶液储存车间距离较远，尿素溶液输送距离长，尤其在北方地区，均匀伴热实际操作困难，因此管道易发生尿素结晶堵塞，目前已投运的装置中该问题经常发生。

采用公用制布置方式，水解器布置在尿素车间，此段管道主要输送的为氨气，且水解反应后温度较高通常大于140 ℃，且水解器出口增加了过热器进一步保证成品氨气的输送温度，氨气管道配置蒸汽吹扫，相比于输送尿素溶液发生堵塞的几率大大降低，提高了系统管道输送的可靠性。

3.1.3 氮氧化物浓度波动的适应性

从适应氮氧化物浓度变化和负荷率角度看，进口氮氧化物浓度波动较大时，公用制布置方式设备裕度为200%，供氨可满足较大范围氮氧化物浓度变化，适应性强；而单元制方式设备裕度低于120%，实际工程中裕量取值远不足20%，当氮氧化物波动大时，将无法满足供氨需求，影响脱硝效率及达标排放。

此外，对于机组负荷率较高的装置，单元制和公用制布置方式的投运效果差异较小；对机组负荷率不高的装置，单元制布置方式下每台水解器均处于低出力方式运行，而采用公用制布置方式单台水解反应器出力较高，其运行经济性较单元制高。

3.2 空间适应性分析

采用单元制配置时，1台锅炉反应器钢架下方对应布置1台尿素水解反应器并配套有疏水箱。一般情况下，反应器钢架下方布置有原厂区车间及设备，需进行拆除改造提供水解器空间，增加了额外的场地与投资。

出于布置方便考虑，也可将尿素水解反应器布置在一定高度的钢架上，技术要求较高，后期管理维护困难。现有火力发电厂以老厂房居多，除锅炉钢架外可利用的空间场地小。当锅炉台数较多时，场地更难以满足要求。

公用制配置时，水解器布置在尿素车间，疏水箱不随水解器配置，实现公用，节省了制氨反应区的空间。此外，水解器统一布置于原有尿素车间的场地上，场地利用率高，操作运输方便。整个系统布置更加紧凑灵活，且锅炉台数越多，优势越明显。

综上所述，公用制系统对多台炉情况下技术上要优于单元制布置，这2种布置方式的技术指标总体比较如表1。

表1 公有制和单元制尿素水解布置方式的技术比较

Table 1 Technical comparison between unit and public urea hydrolysis layout

4 工程应用

A电厂位于我国北方内蒙古高原地区，以其2×330 MW燃煤机组SCR脱硝工程为例，对尿素水解公有制和单元制布置方式进行相关分析。根据周围环境的要求、运输储存的安全性和还原剂制备系统的投资等因素，确定该工程采用尿素水解制氨法，具体环境及工程参数见表2。

表2 环境及工程参数

Table 2 Environment and engineering parameters

由于A厂处于北方，年平均温度低，且尿素车间紧邻锅炉房布置，车间场地条件合适，故为了提高整个系统的运行安全性和可靠性，对常规的单元制配置进行优化，率先提出了将尿素水解器集中布置于尿素车间的公用制工艺方案。

A厂采用公用制布置方案，尿素存储及溶液制备系统的设备选型均按脱硝效率75%考虑，装置占地面积约375 m2。单台水解反应器满足2台锅炉锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工况的供氨需求，设计出力为232 kg/h[17]。尿素溶液在压力0.48～0.6 MPa，温度130～160 ℃条件下反应生成氨，经厂区气氨管道输送到SCR反应器区。自投运以来，系统一直可靠稳定，氮氧化物排放浓度满足国家要求，无系统故障停产改造情况，管道未出现堵塞现象。

经济性方面，以A电厂为例，就附属设备而言，若采用单元制方式，每台尿素水解反应器单独配有1个疏水箱和2个疏水泵(一用一备)，相应的尿素溶解系统和水解系统的辅助设施也与其相应成套配置；公用制配置时，疏水箱、废水池等设备都统一安置于尿素车间，2台水解反应器公用。采用单元制所需的主要附属设备台数都是公用制配置的2倍。由于单元制附属设备多，为防止尿素结晶，伴热成本等能耗也较公用制大。进行估算比较可知(见表3)，公用制在经济上具有一定优势，年运行费用较单元制节省，且锅炉台数越多，经济优势越明显。

表3 附属设备及能耗费用比较表

Table 3 Comparison of subsidiary equipment and energy cost

注：蒸汽单价80 元/t，水价2 元/t，电费0.4 元/(kW·h)。

5 结 论

(1)目前我国烟气脱硝工程采用的尿素水解工艺均是单元制的配置方式，实际运行中存在设备配置裕度低、尿素输送管道易堵塞等缺点，对此进行优化提出公用制配置方案，能够提高系统运行可靠性。

(2)从安全性方面看，单元制尿素溶液输送管道易堵塞，公用制该段输送为氨气，降低堵塞可能性；公用制方式的水解反应器互为备用，能保证发生故障时，喷氨系统正常运行，较单元制更安全可靠；进口氮氧化物浓度波动较大时，公用制方式适应性强。

(3)从空间适应性方面看，公用制方式的空间利用率高、布置灵活、结构紧凑。单元制方式需要考虑疏水箱的占地以及布置位置高，因而对场地要求严格，适应性差。

(4)从经济性方面看，公用制方式的附属设备少，能耗更低，年运行成本节省。锅炉台数越多，经济优势越明显。

(5)鉴于目前已投运尿素水解单元制布置中存在的问题以及国家对脱硝装置全负荷全工况投运的要求，对于负荷率不高、氮氧化物浓度波动较大，且地处北方较为寒冷地区的电厂，建议优先考虑尿素水解公用制布置方式。综合而言，尿素水解制氨水解器的布置方式选择应因地制宜，切合电厂的实际情况。

[1]刘羽,刘强,盖东飞.选择性催化还原法脱硝还原剂的制备工艺[J].华电技术,2012,33(12): 60-62.Liu Yu, Liu Qiang, Gai Dongfei.The preparation of the SCR DeNOXreductant[J].Huadian Technology,2012,33(12): 60-62.

[2]马忠云,陈慧雁,刘振强,等.烟气SCR法脱硝工艺流程的设计与应用[J].电力建设,2010, 29(6):53-56.Ma Zhongyun, Chen Huiyan, Liu Zhenqiang, et al.Process design and application of flue gas denitrification using SCR method[J].Electric Power Construction,2010,29(6): 53-56.

[3]Shimizu K, Satsuma A.Hydrogen assisted urea-SCR and NH3-SCR with silver-alumina as highly active and SO2tolerant DE-NOx catalysis[J].Applied Catalysis B-Environmental,2007, 77(1):202-205.

[4]夏怀祥,短传和.选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝[M].北京:中国电力出版社, 2012:169-220.

[5]彭代军.锅炉烟气脱硝尿素热解与水解制氨技术对比[J].能源与节能,2014(1):188-189.Peng Daijun.Contrast of urea pyrolysis and hydrolysis ammonia production technologies in boiler flue gas denitration [J].Energy and Energy Conservation, 2014 (1):188-189.

[6]中电联.尿素水解工艺简介及尿素还原剂在运行中面临的问题[J/OL].http://www.cec.org.cn/huanbao/ jienenghbfenhui/huanbaochanyejijishufuwu/chanyedongtai/tuoxiao/2012-08-01/88300.html.2012-08-01.

[7]张翔,许红胜,赵龙生.燃煤电厂脱硝还原剂的模糊综合性评判[J].电力建设,2014，35(1): 93-97.Zhang Xiang, Xu Hongsheng, Zhao Longsheng.Fuzzy comprehensive evaluation for red-ucing agents for flue gas denitration systems in coal-fired power plants[J].Electric Power Construction,2014，35(1):93-97.

[8]陆雅静,熊源泉,高鸣,等.尿素/三乙醇胺湿法烟气脱硫脱硝的试验研究[J].中国电机工程学报,2008,28(5): 44-50.Lu Yajing, Xiong Yuanquan, Gao Ming, et a1.Experimental investigation on the removal of SO2and NOx from flue gas by aqueous solutions of urea/triethanolamine[J].Proceedings of the CSEE, 2008, 28(5): 44-50.

[9]姚宣,沈滨,郑鹏,等.烟气脱硝用尿素水解装置性能分析[J].中国电机工程学报,2013,33(14): 38-43.Yao Xuan, Shen Bin, Zheng Peng, et al.Characteristics of urea hydrolysis equipment for flue gas denitrification[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(14):38-43.

[10]惠润堂,韦飞,闫世平,等.国产首套尿素水解装置在大型火电厂的工业应用及技术优化[J].中国电力,2014(7):150-155.Hui Runtang, Wei Fei, Yan shiping, et al.The industrial application and technical optimization of first domestically-made urea hydrolysis unit in large power plants[J].Electric Power,2014 (7):150-155.

[11]杜成章,刘诚.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用[J].华北电力技术,2010, 3(6): 39-41.Du Chengzhang, Liu Cheng.The applications of urea pyrolysis and hydrolysis technology in boiler flue gas denitration [J].North China Electric Power,2010,3(6):39-41.

[12]Zheng P, Yao X, Zheng W.Design guidelines for urea hydrolysers for ammonia demand of the SCR DeNOXproject in coal-fired power plants[J].Frontiers in Energy, 2013, 7(1):127-132.

[13]郑伟,甄志,黄波,等.烟气脱硝还原剂制备工艺[J].热力发电,2013,42(2):103-105.Zheng Wei, Zhen Zhi, Huang Bo, et al.Preparation process of reductant for flue gas denitrification[J].Thermal Power Generation, 2013,42(2):103-105.

[14]汪家铭.尿素法SCR烟气脱硝技术及其应用前景[J].氮肥技术,2013,34(2):42-46.Wang Jiaming.Urea SCR flue gas denitrification technology and its application prospect[J].Nitrogen Fertilizer Technology, 2013,34(2):42-46.

[15]DL/T 5480—2013 火力发电厂烟气脱硝设计技术规程[S].北京:中国电力出版社,2013.

[16]柏源,李忠华,薛建明,等.尿素为还原剂燃煤烟气脱硝技术的研究与应用[J].电力科技与环保,2011,27(1):19-22.Bai Yuan, Li Zhonghua, Xue Jianming, et al.Study and application of coal-fired flue gas denitrification with urea serving as reducing agent[J].Electric Power Environmental Protection,2011,27(1):19-22.

[17]Q/DG 1-J004—2010火力发电厂脱硝系统设计技术导则[S].北京：中国电力工程顾问集团公司,2010.

(编辑：蒋毅恒)

Comparison of Unit and Public Urea Hydrolysis Process Technology for Flue Gas Denitrification

JIANG Yanliang1,2, ZHU Lin1,2,LI Xiaoming1,2,WANG Xianna1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China; 2.State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China)

Combined with specific project examples, the safety reliability and space adaptability of the public urea hydrolysis technology for flue gas denitrification were compared with that of the unit system urea hydrolysis technology, as well as their arrangements, through the research methods of surveys, case studies and lessons.And compared with the unit system configuration, the main advantages of the public system are embodied in the following aspects: the public system is safer and more reliable because of the mutual standby for the hydrolysis reactor; the main pipeline based on transporting ammonia, reduces the possibility of the blockage of the pipeline; which can adapt to the concentration fluctuation of inlet NOx; the space layout is more flexible and compact; more boilers, more advantages can be taken by the public system.The public layout of urea hydrolysis system is recommended priority for the condition that the loading rate is not high, the concentration of nitrogen oxides fluctuations high and the power plant locates in cold regions.

urea hydrolysis; layout; flue gas denitrification; selective catalytic reduction(SCR)

TM 628

A

1000-7229(2015)03-0114-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.020

2014-09-30

2015-01-23

姜艳靓(1989)，女，硕士研究生，主要从事大气污染控制技术及工程方面的研究工作；

朱林(1964)，男，教授级高级工程师，长期从事燃煤电厂环保科研与工程治理工作；

李枭鸣(1991)，男，硕士研究生，主要从事大气污染控制技术及工程工作；

王娴娜(1990)，女，硕士研究生，主要从事大气污染控制技术及工程工作。