火电厂脱硝系统液氨改尿素实施及性能对比

李秀忠,霍雷霆

(华电国际莱城发电厂，山东 济南 271100)

火电厂运行中，脱硝还原剂大多以液氨作为原料，为认真落实《国家能源局综合司关于切实加强电力行业危险化学品安全综合治理工作的紧急通知》(国能综函安全〔2019〕132号)的具体要求，华电国际莱城发电厂积极实施重大危险源治理，并实施了液氨及尿素替代升级改造。莱城发电厂SCR烟气脱硝还原剂液氨改尿素改造工程，采用尿素催化水解法制备脱硝还原剂，在厂区内新建尿素储存区、尿素制备区、尿素水解区等，同时，对原有氨喷射系统、氨/空混合系统、稀释风系统、计量分配模块进行改造，实施后效果良好。在安全运行同时，有效控制了易燃易爆、有毒有害物质的源头[1]，提升了企业安全水平。

1 脱硝系统概况

莱城发电厂脱硝方式采用了选择性催化还原法(SCR)。系统运行中将SCR反应器布置在火电机组锅炉省煤器和空气预热器之间，烟气垂直进入SCR反应器，经过各层催化剂模块将NOx还原为无害的N2、H2O。上述反应温度可以在300～400 ℃进行，脱硝效率处于较高水平，脱硝SCR系统性能见表1。

表1 脱硝SCR系统性能

2 尿素替代液氨的必要性及可行性

尿素替代液氨的必要性：因全国范围内危险化学品事故频发，国家能源司要求积极推进重大危险源管控及改造，要求对液氨、氢气、氯气等从源头进行管控，迅速开展液氨危险源治理，加快推进液氨与尿素的替代改造。坚决防范、遏制重大事故发生，确保广大人民群众生命及财产安全。

尿素替代液氨的可行性：液氨为有毒物质，储存量超过10 t，属于重大危险源，氨气与空气混合，浓度在16%～25%时，遇明火会产生爆炸。尿素是由碳、氮、氧、氢组成的有机化合物，为白色晶体。现场使用中，通过水解治氨，安全性高，不易发生爆炸等事故[2]。

尿素替代液氨现场设备改动较少，通过试验数据及运行参数曲线(见图1)可知，2种介质参与反应的环境温度、反应效率相近，部分设备无需特殊改造即可投运。

3 液氨改尿素技改及系统设置

2020年1月10日，莱城发电厂将脱硝系统还原剂由液氨改造为尿素，并增加了尿素溶液的制备、储存、输送等相关设施。尿素采用袋装供料，经过气力输送装置输送到尿素缓冲料斗，尿素经传输系统制备成50%浓度的尿素溶液，溶液通过溶解泵送入尿素溶液储存箱中。储存箱中尿素溶液经过输送泵送至水解反应器模块，产生的含氨气体经过分配计量模块后，在氨/空混合器内被空预器出口热一次风稀释后进入混合器管路系统，并由氨喷射系统喷入SCR脱硝系统。尿素热解法原理为

NH2CONH2→NH3+HNCO

HNCO+H2O→NH3+CO2

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

2NO+2HNCO+1/2O2→2N2+2CO2+H2O

3.1 尿素溶液制备与储存系统

尿素溶液制备与储存系统包括尿素颗粒储存间、尿素溶解、尿素溶液储存、输送等设备。尿素溶解采用射流器混合系统制备方式实现尿素颗粒在水中的溶解。

a.尿素溶液制备

尿素溶液制备系统包括吨袋卸料装置、气力输送尿素系统、尿素颗粒缓冲料斗、双螺旋给料器及射流混合器撬装式集成结构装置，本系统按配置50%浓度尿素溶液进行设计。考虑到尿素会有结块的可能，在吨袋卸料装置出口设置过滤网，过滤网上大的结块需人工单独破碎(图2为尿素溶液制备工艺流程)。

b.尿素贮存间

设置1个尿素贮存间，用来存储干燥的袋装尿素，贮存间设计容积为216 m3，满足4台锅炉BMCR工况下至少3天所需的还原剂量。

3.2 技改过程及系统设置

系统技改过程中，莱城发电厂技术攻关小组先对尿素系统进行安装，试验验收合格后，将尿素技改系统接入液氨系统，代替原装置运行。尿素供应方面，单台锅炉BMCR工况下(烟气量为1 050 000 Nm3/h)，SCR入口NOx浓度由500 mg/Nm3降至30 mg/Nm3，所需要的尿素耗量为400 kg/h，即4台锅炉BMCR工况下，SCR入口NOx浓度由500 mg/Nm3降至30 mg/Nm3，1天的尿素耗量为38.4 t。

3.2.1 尿素溶液储存系统

系统设置2个尿素溶液储存箱，用来储存溶解后的50%浓度尿素溶液，尿素溶液储存箱尺寸Φ5 m×7 m，容积137 m3，满足BMCR工况下4台锅炉4天的需求量。尿素溶液输送泵设置4台，2用2备。输送泵为316L不锈钢离心泵，设计流量为2.5 m3/h，扬程为100 m。尿素溶液输送泵向3台水解反应器分别输送尿素溶液。

3.2.2 水解制氨系统

本次改造设置3台尿素水解反应器，2用1备，每台尿素水解反应器的容量为未使用催化剂情况下满足2台锅炉BMCR工况下，SCR入口NOx浓度由500 mg/Nm3降至30 mg/Nm3的供氨量，即每台尿素水解反应器产氨量为438 kg/h。浓度约50%的尿素溶液被输送到尿素水解反应器，在压力为0.4～0.6 MPa、温度为140～160 ℃条件下水解反应生成含氨浓度37.5%的混合气。混合气经计量分配模块后与热稀释风在氨/空气混合器混合，稀释至氨浓度5%以下，最后通过喷氨格栅进入SCR反应器进行脱硝。水解反应器本体集成氨气缓冲空间，其反应速率需能跟上机组负荷变化。

3.2.3 催化剂溶解供应系统

系统所用催化剂为白色晶体，是一种常见的廉价化工产品，主要用于制造化肥和灭火器。尿素水解采用催化剂，需增设催化剂溶解供应系统。由于水解制氨系统全厂公用，故设置催化剂溶解和制备装置，包含催化剂溶解罐和催化剂泵。

3.2.4 氨气供应系统

3台尿素水解反应器(A、B、C)供氨管道之间设有联络管线，A、B反应器之间互为备用，为1、2号机组供氨；B、C反应器之间互为备用，为3、4号机组供氨。1、2号机组设置2根供氨母管，1用1备；3、4号机组设置2根供氨母管，1用1备。母管管径DN100，支管管径DN65，并加装蒸汽吹扫系统，供氨管道采用316L不锈钢材质，确保氨气管内温度不低于150 ℃。

3.2.5 计量分配模块

每台机组设置2套氨气计量分配模块，对进入SCR反应器的氨气流量进行调节，以满足锅炉30%～100%BMCR之间任何负荷工况下脱硝系统运行的需求。流量调节模块包含自动关断阀、调节阀组、质量流量计、温度测点等。

3.2.6 稀释风系统

1-4号机组SCR烟气脱硝稀释温度要求200 ℃以上，风压8 kPa，为保证注入烟道的氨/空气混合物绝对安全，以脱硝所需最大供氨量和氨体积比例5%，设计氨稀释风及氨/空气混合系统。经核算稀释风量小于现有空预器出口热一次风风量2%，对锅炉燃烧造成的影响可忽略不计，本次改造1-4号机组稀释风从空预器出口热一次风接入新的混合器，拆除原有稀释风系统，同时考虑锅炉冷态开机热一次风温190 ℃左右，热态开机热一次风温160 ℃左右，为满足稀释风要求，在每路稀释风管路上设置一套电加热器，当稀释风温低于200 ℃时开启。

机组满负荷时热一次风温280 ℃左右，低负荷时热一次风温200 ℃左右，稀释风量较原设计增加90%，需对原有氨/空气混合系统以及至喷氨格栅的管路系统进行改造，涉及氨/空气混合器、稀释风管道、氨气分配集箱和相关连接管道。根据目前电厂实际运行情况，热一次风含尘量大，易积灰导致氨/空气混合器堵塞，每台机组设置4台氨/空气混合器，2用2备，给锅炉脱硝系统提供氨气，可实现在机组运行中切换，进行在线人工清理，避免环保数据超标[3]。

3.2.7 SCR区域喷氨系统

原脱硝稀释风为单独设置的稀释风机，风温为常温，本次改造后，脱硝稀释风采用热一次风，风温在280 ℃左右(机组低负荷时风温约为200 ℃)，实际状态稀释风量较原设计增加90%，因此对原有氨/空气混合系统以及至喷氨格栅的管路系统、喷氨格栅本体进行了改造。本次流场模拟对整体流场进行分析，对改造后的喷氨格栅和入口烟道导流板进行优化设计，对脱硝反应器本体(含入口整流格栅)、出口烟道导流板流场进行校核。

4 实施效果

通过脱硝液氨改尿素制氨技术改造，设备运行稳定，出力能够完全满足脱硝装置所需氨量，机组NOx排放量能稳定在50 mg/m3以下，达到了预期目标，通过改造前后对比(表2为氨水与尿素性能对比)，运行效果良好。

表2 氨水与尿素性能对比

脱硝液氨改尿素制氨后，可实现拆除液氨站，消除唯一重大危险源，提升了火电厂安全性、可靠性[4-5]；同时，尿素不仅具有安全性高的特点，还具有不易挥发、对人体无害、利用率高、腐蚀性低等特点，火电厂脱硝液氨改尿素系统具有较高的推广价值。