以尿素替代液氨实现烟气脱硝本质安全的实践

葛 爽

(神华国华徐州发电有限公司，江苏 徐州 221166)

0 前言

随着火力发电企业机组容量的快速扩张，燃煤电厂排放的大量SOx和NOx恶化了生态环境，环保形势日益严峻。为此，国家对NOx污染物排放标准提出了更严格的要求。

神华国华徐州发电有限公司(以下简称国华徐州电厂)脱硝工程采用液氨作为还原剂，不仅造成电厂对重大危险源管控压力变大，同时也使厂区周边居民区、学校等人员密集区面临的氨泄漏风险变大。该电厂分析了华能国际电力股份有限公司玉环电厂(以下简称华能玉环电厂)1 000 MW机组采用尿素替代液氨还原剂的生产工艺，对比了二者的安全性、经济性、可靠性，为火电机组采用尿素替代液氨脱硝、消除重大危险源提供了参考。

1 尿素作还原剂的脱硝过程

1.1 华能玉环电厂脱硝工程基本情况

华能玉环电厂4×1 000 MW机组的锅炉脱硝工程采用选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)工艺，将尿素作为还原剂。全厂4台锅炉共用1个还原剂储存与供应系统，实现100 %烟气脱硝，脱硝率不低于80 %。每台锅炉配备2个SCR反应器，反应器布置在锅炉两侧省煤器出口和空气预热器之间，位于送风机和一次风机上方，使用蜂窝式催化剂。脱硝系统设置SCR反应器烟气旁路。

1.2 SCR工作原理

将浓度为5 %的还原剂NH3(氨气)均匀喷入烟气中，在催化剂作用下，氨气将烟气中的NOx还原成N2和H2O，即：

在脱硝系统中，每台脱硝反应器安装1套完整的氨喷射及涡流混合系统。该系统能保证NH3与空气混合物喷入烟道后与烟气充分混合，达到烟气中的NH3与NOx均匀分布。

1.3 SCR工艺流程

还原剂SCR烟气脱硝装置主要由尿素供应系统、尿素溶解系统、热解炉、催化剂、排气系统、反应器等组成，其脱销工艺流程如图1所示。

(1) 尿素颗粒经斗提机输送到尿素斗，再输送到溶解罐里。

(2) 在溶解罐里，除盐水将干尿素溶解成质量浓度55 %的尿素溶液，通过尿素溶液输送泵输送到尿素溶液罐，尿素溶液经过输送循环装置进入计量分配装置。

(3) 尿素溶液在热解室内裂解为氨气，热解炉出口的氨/空气混合气体经母管送入各分支管，分支管的混合气体喷入位于烟道内的涡流混合器处。

(4) 氨/空气通过涡流混合器，与烟气充分混合后进入催化反应器。当达到反应温度且与氨气充分混合的烟气气流经SCR反应器的催化层时，NH3与NOx发生催化氧化还原反应，将NOx还原为无害的N2和H2O。

图1 尿素脱硝工艺流程

另外，在尿素溶解罐和尿素溶液罐装有蒸汽加热系统，以控制尿素溶液的温度，防止尿素析出结晶。蒸汽加热系统疏水全部返回到疏水箱，再通过疏水泵返回用于尿素溶解。

1.4 主要设备介绍

每台锅炉设1套尿素热解炉。尿素溶液由喷射器(每台炉设12支)雾化后喷入分解室，在342—600 ℃的高温热风/烟气条件下，尿素液滴裂解成NH3，H2O和CO2。尿素热解采用一次高温空气，风量设计值为8 289 Nm3/h，最大值为9 000 Nm3/h。用电加热器将高温空气最高加热到600 ℃，每台炉的电加热器最高功率1 200 kW。热风管道从热一次风的管道接口处接出。

热解炉由北京福泰克环保科技有限公司设计，常州斯派克能源设备有限公司制造。热解炉高度17 370 mm，重量15 239 kg，内径Φ2 745/755，壁厚8 mm。热解炉包括热解炉本体部分、热解炉尾部U型管道、热解炉长短喷枪及连接管道、计量模块控制部分的管道、阀门，其尾部部分钢材材质为16 Mn，最高允许温度值为450 ℃，高于工作温度约100 ℃。每台热解炉出口至SCR反应器管道有流量测量装置并有相应的调节阀门。

4台锅炉的脱硝装置共用1个还原剂(尿素)储存、卸装及供应区域。

尿素溶解车间主要设备系统有：尿素存储、制备、供应系统，包括尿素颗粒仓、袋式除尘器、斗提机、尿素斗、尿素溶解罐、尿素溶液输送泵、尿素车间地坑泵、尿素溶液罐、尿素溶液循环装置、蒸汽加热及管路伴热系统以及工艺水、水源、气源等引接系统等。

华能玉环电厂在运行中发现，尿素车间储存袋装尿素易受潮板结，无法使用。斗提机料斗、尿素入口处尿素受潮板结后，会造成提升机效率低及故障频发。因此，该电厂对其进行了改造，增设1台压缩空气储罐(使用杂用气，通过减压阀调整压力为0.2 MPa)，尿素斗增加尿素进口管道。

2 液氨作还原剂的脱硝流程

2.1 国华徐州电厂脱硝工程基本情况

国华徐州电厂2×1 000 MW机组锅炉脱硝工程采用SCR工艺，将液氨作为还原剂，以达到去除烟气中NOX目的。SCR反应器采用高灰型工艺布置(即反应器布置在锅炉省煤器与空预器之间)。1，2号机组共用1套液氨储存与供应系统，外购液氨通过液氨槽车运至液氨储存区，通过往复式卸料压缩机将液氨储罐中的气氨压缩后送入液氨槽车，利用压差将液氨槽车中的液氨输送到液氨储罐中；液氨经液氨蒸发槽蒸发成氨气后进入氨气缓冲罐，氨气通过稀释风机稀释后，分别经过2台机组的喷氨格栅送入SCR反应器。液氨脱硝工艺流程如图2所示。

2.2 工作原理

图2 液氨脱硝工艺流程

NOX和NH3按1∶1的比例喷入锅炉烟气中的NH3，在SCR反应器中催化剂的作用下，与烟气中NOX按下述化学反应式进行反应，从而达到降低排烟中NOX含量的目的。

液氨储罐设置2套，每个储罐的容积为95 m3，充装系数为0.85。为了减少液氨泄漏风险，仅按照系数0.55充装，能满足2台锅炉BMCR工况连续运行3天的消耗量。储罐上安装有逆止阀、紧急门和安全阀等，并装有温度计、压力表、液位计、高液位报警仪和相应的变送器等。储罐有防太阳辐射措施，四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴，当储罐本体温度过高时，自动启动淋水装置降温。

下面主要介绍工艺设计中脱硝剂的存储和制备系统中的一些设备流程。

2.3 工艺设备

2.3.1 卸料压缩机

卸料压缩机一般为往复式压缩机，压缩机抽取液氨储罐中的气态氨，经压缩后将槽车中的液氨推挤入液氨储罐中。由于槽车向储罐供氨的过程中，随着槽车中液氨量的减少，压力也不断下降，甚至影响继续供氨，因此用卸料压缩机提高槽车内的压力，以保证槽内的液氨可全部顺利卸出。卸氨系统主要由卸料压缩机和液氨槽车组成，这部分管道的设计需与槽车相配，而且与槽车接口的管道宜用不锈钢材质。

2.3.2 液氨储罐

液氨储罐是SCR系统液氨储存的设备，一般为能承受一定压力载荷的罐体。储罐上安装有超流阀、逆止阀、紧急关断阀和安全阀，在储罐液氨泄漏时起保护作用。储罐还装有温度计、压力表、液位计和相应的变送器，并将信号送到脱硝控制系统，当储罐内温度或压力过高时报警。储罐四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴，当储罐罐体温度过高时自动淋水装置启动，对罐体自动喷淋减温；当有微量氨气泄漏时，也可启动自动淋水装置，对氨气进行吸收，控制氨气污染。2.3.3 液氨蒸发槽

液氨蒸发槽一般为螺旋管式。管内为液氨，管外为温水浴，以蒸汽直接将水加热到40 ℃供液氨汽化，并加热至常温。蒸汽流量受蒸发槽本身水浴温度控制调节，当水的温度高过45 ℃时则切断蒸汽来源，并在控制室DCS上报警显示。蒸发槽上装有压力控制阀，将氨气出口压力控制在0.2 MPa，当出口压力达到0.38 MPa时，则切断液氨进料。在氨气出口管线上也装有温度检测器，当温度低于10 ℃时切断液氨，使氨气至缓冲槽维持适当温度及压力。蒸发槽也装有安全阀，可防止设备压力异常过高。

2.3.4 氨气缓冲罐

从蒸发槽蒸发的氨气流进入氨气缓冲罐，通过调压阀减压到0.18 MPa，再经氨气输送管线送到锅炉侧的脱硝系统。缓冲罐的作用是保证氨气有一定的压力，稳定氨气的供应，避免受蒸发槽操作不稳定的影响。

2.3.5 稀释风机

稀释风机可将稀释风引入氨与空气混合系统，有以下3个作用：

(1) 用于控制；

(2) 作为NH3载体，通过喷氨格栅使NH3在烟道中均匀分布；

(3) 混入加热后的稀释风，有助于氨气中的水分汽化。引入稀释风后，需要增加1个稀释风的加热器，通常采用蒸汽加热或电加热，个别工艺采用蒸汽加热为主、电加热器为辅的方式。

在管路设计中，一般在风机进口处设置气动阀门，在风机出风口加装止回阀，避免因备用风机投用时停运风机倒转，使氨浓度短时超过安全范围。2.3.6 氨 / 空气混合器

在进入喷氨格栅前，氨气需在氨/空气混合器中充分混合，以便于调节氨气的浓度，同时有助于喷氨格栅中氨气均匀分布。将氨气流量控制器控制的氨气与来自稀释风机的空气以1∶20的比例混合，并经喷射器进入脱硝系统。

2.3.7 氨气稀释槽

氨气稀释槽一般为立式水槽，水槽液位由满溢流管线维持，稀释槽设计连结有槽顶淋水和槽侧进水。液氨系统各排放处排出的氨气由管线汇集后，从稀释槽低部进入，通过分散管将氨气分散入稀释槽水中，利用大量水来吸收安全阀排放的氨气。

2.3.8 氨气泄漏检测器

液氨储存及供应系统周边设有氨气检测器，以检测氨气的泄漏，并显示空气中氨的浓度。当检测器测得空气中氨浓度过高时，在机组控制室会出现警报，操作人员需采取必要措施，以防止发生氨气泄漏的异常情况。电厂液氨储存及供应系统宜设在炉后，并采取措施与周围系统作适当隔离。

2.3.9 排放系统

液氨储存和供应系统的氨排放管路为一个封闭系统，将经由氨气稀释槽吸收成氨废水后排放至废水池，再经由废水泵送到废水处理系统。由于废水具有一定的腐蚀性，因此要求废水泵具备耐腐蚀性。

2.3.10 氮气吹扫

保持液氨储存及供应系统的严密性，防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合造成爆炸是最关键的安全问题。SCR系统的卸料压缩机、液氨储罐、氨气温水槽、氨气缓冲罐等都需设置氮气吹扫管线。在液氨卸料之前，要对以上设备进行严格的系统严密性检查和氮气吹扫，防止氨气泄漏和系统中残余的空气与氨气混合而产生潜在的爆炸危险。在系统拆卸检修前，也必须对系统用氮气进行吹扫置换，达到要求后方可进行拆卸检修和动火。

3 安全性分析

华能玉环电厂采用尿素作还原剂，无臭无味，是无色或白色针状或棒状结晶体，含氮量约为46.67 %，熔点132.7 ℃，易溶于水、醇，呈弱碱性，安全性极高。

国华徐州电厂采用液氨作还原剂，液氨为无色液体，是强腐蚀性有毒物质、强制冷剂，有强烈的刺激性气味，极易转化为氨气，在-33 ℃(在标准大气压力)沸腾。液氨蒸汽对皮肤和眼睛有强烈的腐蚀作用，会产生严重疼痛性灼伤，对呼吸道有窒息作用，当氨气在空气中浓度达到0.5 %时，吸入5—10 min即可使人死亡，属于中度危害的化学物质。气体无水氨与空气混合物的爆炸极限为15 %—28 %。

4 经济性分析

在同等负荷和利用小时数下，分析华能玉环电厂和国华徐州电厂的经济性。

(1) 华能玉环电厂以尿素作还原剂，到厂价约2 500元/t，单机年消耗量约5 000 t，单机费用约1 250万元。

(2) 国华徐州电厂以液氨作还原剂，到厂价约为4 000元/t，单机年消耗量1 100 t，单机费用约440万元。另外，液氨储罐的年度检测与安全评估综合费用约2万元，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 ℃导致的烟温损失)等，与尿素系统费用基本相同。

结合以上费用，若采用尿素作为还原剂，其单机费用为液氨的2.7倍。

同时，如果采用尿素替代液氨进行脱硝工程改造，整套设备投资概算资金约1 000万元，其中热解炉耗资较大，约为800万元，尿素溶解车间和其他设施投资不大。

5 可靠性分析

整套尿素热解设备整体运行故障率较低，检修和运行工作量都不大，且不存在泄漏危险性，管理成本低，规避了重大危险源——液氨泄漏造成的人身伤害风险。

液氨在运输、装卸、运行过程中均存在泄漏风险，系统较复杂。泄漏后，由氨气检测装置启动紧急制动阀，联动工艺喷淋、消防喷淋，人员操作水炮，可有效吸释氨气，将氨气泄漏危害性降到最低。

6 技改提升计划

华能玉环电厂热解炉采用300 ℃的一次风作为部分加热源，若使用500—600 ℃烟气作加热源，则更为节能、经济。

7 结论

通过比较可知，用尿素或液氨作为SCR还原剂各有优劣。采用尿素作还原剂是安全的，但初期投资高，运行费用高；采用液氨作还原剂，初期投资低，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，在运输和生产安全管理上对电厂的要求较高。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。相对来说，使用尿素安全可靠，在运输及储存等方面没有特殊要求，设备布置相对紧凑，可以在运输不便或者场地较紧张且周边入口稀少的情况下采用。脱硝还原剂采用尿素替代液氨，生产工艺简单、操作流程简便、环境污染较小，运行安全可靠，管理成本降低，虽运营成本大幅增加，但实现了从生产原料的源头上消除了重大危险源，减少了液氨泄漏对周边人员造成伤亡的风险，实现了燃煤电厂脱硝设备运行本质安全。