燃煤电厂脱硝系统液氨改尿素技术探讨及应用

国能徐州发电有限公司 时世明 徐州华鑫发电有限公司 胡 伟

1 项目的必要性

根据《化学品分类和危险性公示通则》（GB13690-2009）记录，液氨是一种急性毒性、易挥发、易腐蚀/刺激皮肤的易燃物质。液氨的挥发物，氨气与空气会形成爆炸性混合物，在浓度为16%～25%时，遇明火会产生爆炸。当液氨所在的生产场所超过40吨或储存量超过10吨时，按《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218-2018）规定属于重大危险源。

为进一步加强电力安全生产监督管理，持续推进电力行业危险化学品安全综合治理，2019年4月2日，国家能源局综合司发布《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》，要求积极开展液氨罐区重大危险源治理，加快推进尿素替代升级改造进度。

尿素是一种稳定、无毒的固体物料，使用过程中对人和环境均无害，同时可被散装运输和长期储存，且无需运输与存储方面的特殊处理，是一种较为理想的工业制氨原料。尿素制氨的工艺原理是将尿素水溶液在一定温度下发生分解，生成氨气。近年来，随着尿素热解、水解工艺的日益成熟，其投资及运行费用降低，已在国内多家燃煤电厂分别得到推广和应用。

国内应用尿素水解工艺的电厂主要采用源自美国的U2A 工艺，即将质量分数为40%～50%的尿素溶液通过尿素溶液输送泵送到水解反应器，在150℃、0.5MPa 的条件下发生水解反应，制取氨气。尿素水解工艺初始投资较高，但由于加热分解温度低、加热蒸汽的冷凝水可循环使用，能耗低于尿素热解工艺，同时可实现多台机组公用，在电厂有多台机组或机组容量较大时，优势更为明显。

2 尿素制氨技术

从国内应用情况来看，当电厂处于人口密集区，或其厂内用地紧张难以满足危险品储存的安全距离要求，或者液氨的采购及运输路线有很大困难时，为克服燃煤电厂烟气脱硝使用液氨存在的安全性问题，尿素制氨工艺被开发出来，尿素系统比较复杂、投资和运行成本高于液氨系统，但是其最大的优势是安全性高。制氨系统由尿素颗粒储存和溶解系统、尿素溶液储存和输送系统及尿素分解系统组成。根据尿素制氨工艺的不同，分为热解技术和水解技术。

2.1 尿素热解技术

尿素热解系统包括计量分配模块、绝热分解室、尿素溶液喷射器等。尿素溶液经由计量与分配装置、尿素溶液喷射器等进入绝热分解室（350～650℃）与高温稀释空气（650～700℃）混合均匀，分解生成NH3、H2O 和CO2。混合产物经氨喷射系统进入SCR 系统。整个工艺过程需要监测压力、流量及温度以满足脱硝系统的设计要求。同时需设置尿素溶液计量分配装置，根据系统的需要自动控制喷入热解炉的尿素溶液量。热解炉（绝热分解室）后的氨气输送管道需进行保温处理，保证氨喷射系统前的温度不低于350℃。

原理：利用辅助能源（燃油、电加热、烟气等）在热解炉内制造650℃以上温度的温度场，将雾化的尿素溶液直接喷入分解为氨气。

不足：尿素转化氨的效率低，不完全热解所产生的副产物易沉积，导致其物耗高，由于其、燃料消耗量大，能耗不能随机组负荷降低而降低，不能多机组公用。

2.2 尿素水解技术

尿素水解制氨的化学反应方程式如下：

尿素水解系统包括尿素水解反应器模块、计量模块、疏水箱、废水箱、废水泵等。浓度约为40%～50%的尿素溶液输送至尿素水解反应器内，饱和蒸汽通过盘管的方式进入水解反应器，饱和蒸汽不与尿素溶液混合，通过盘管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。气液两相平衡体系的压力约为0.4～0.6MPa，温度约为150～170℃。水解反应器产生的含氨混合气流（NH3、H2O 和CO2）进入计量与分配装置，被热稀释风稀释后，进入氨气—烟气混合系统。

尿素普通水解制氨工艺主要有意大利Siirtec Nigi 公司的Ammogen®工艺和美国Wahlco 公司及Hamon 公司的U2A®工艺。近几年，国产尿素水解工艺也已成熟，国内众多电厂脱硝已采用尿素水解工艺。通过众多工程说明，国产尿素普通水解工艺运行状态稳定，还原剂制备效果良好。目前国内提供该工艺的厂家主要有四川晨光工程设计院、成都锐思环保公司等企业。

2.3 尿素制氨技术方案比选

采用尿素热解工艺时：热解系统采用单元制，布置在SCR 反应器附近锅炉区钢架上，一台炉对应一套热解系统。此方案需配套进行锅炉及SCR 区钢架的局部核算或加固改造。

采用尿素水解工艺时：从运行安全可靠性考虑，采用公用制，多母管供氨，并设置备用水解反应器。水解器制成的氨气至炉侧时需经热风（不低于160℃）稀释后，进入喷氨系统，沿程管道做好伴热保温措施。

综合考虑尿素热解制氨和尿素水解制氨两种改造方案的施工工期、总投资和运行成本等因素，考虑到热解方案停炉工期长约1个月以上，钢架上布置施工需要核算加固钢架且改造工作量多，热解设备安装空间受限，施工难度大，徐州发电有限公司、华鑫发电有限公司液氨改尿素工程采用尿素水解制氨技术方案。

3 尿素水解制氨技术方案

3.1 技术参数

3.1.1 烟气量确定

参考脱硝技术协议中设计烟气量，经近期实际燃用煤种核算，确定本次改造烟气量为1055804m3/h（标态、干基、6%含氧量）。

3.1.2 脱硝进出口NOx 浓度确定

在本次改造边界条件选取时，调取了#1、#2机 组2019年3月 到2020年2月脱硝入口CEMS 数据，通过数据分析可以发现，SCR 入口NOX 浓度和设计值相比没有较大变化，#1、#2机组SCR 入口NOX 浓度基本上都在400mg/Nm3以下，部分时段超400mg/Nm3。结合脱硝参数设计值和实际运行情况，本次改造选取SCR 入口NOx 设计浓度为40mg/Nm3。考虑到环保排放标准日趋严格，SCR出口NOx 设计浓度30 mg/Nm3。

3.1.3 设计基本参数

通过以上烟气量及SCR 进出口浓度的确定，经计算，在BMCR 工况下，本工程尿素理论耗量如表1。

表1 华鑫发电有限公司氨耗量与尿素需求量

经计算：徐州华鑫发电有限公司2×330MW 机组超低排放标准运行需液氨耗量为308kg/h，相应计算尿素耗量为553kg/h，年尿素耗量为2765吨。

3.2 尿素站系统设备

3.2.1 斗提机系统

本项目设置1套斗提机上料系统，输送能力为20t/h。

斗式提升机的输送工作原理是：料斗把物料从下面的储仓中舀起，随着输送带或链提升到顶部，绕过顶轮后向下翻转，斗式提升机将物料倾入接受槽内。链传动的斗式提升机一般装有两条平行的传动链，上或下面有一对传动链轮，下或上面是一对改向链轮。斗式提升机一般都装有机壳，以防止斗式提升机中粉尘飞扬。

3.2.2 尿素溶液制备系统

（1）尿素颗粒储存和溶解系统

尿素颗粒存储、溶解系统的主要设备包括尿素颗粒储仓、尿素上料系统、中间储仓、尿素溶解罐、尿素溶液混合泵等。

尿素颗粒经上料系统储存于储仓内，由尿素中间储仓输送到溶解罐内，用除盐水将干尿素颗粒溶解成40-50%质量浓度的尿素溶液，并通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐中。

（2）尿素溶液储存和输送系统

尿素溶液储存和输送系统的主要设备包括尿素溶液储罐、尿素溶液输送泵等。通常情况下，尿素溶液储罐中的尿素溶液总储存容量宜为全厂所有机组BMCR 工况下5-7天的日平均消耗量。

（3）尿素水解反应系统

按照《火力发电厂脱硝系统设计技术规范》规定，尿素水解装置宜为公用系统，1台使用，1台备用，除备用装置外，水解装置总量应满足所有机组BMCR 负荷下的最大制氨需要。

水解反应器材质采用316L 不锈钢，设置合理的腐蚀裕量，要求不额外添加压缩空气等防腐措施即满足使用需求。与尿素溶液接触的阀门采用304L 不锈钢，与水解产物接触的阀门采用316L 不锈钢。与尿素溶液和产品气接触的阀门和执行机构采用进口品牌产品, 采用尿素系列专用阀。

（4）疏水系统

尿素车间设一台疏水箱，两台疏水泵，疏水泵为一用一备。疏水泵应满足输送高温水的要求，疏水泵采用卧式离心泵。

在运行工况下，水解反应器、溶解罐、溶液储罐的蒸发疏水回收至疏水箱。疏水箱收集疏水可用作尿素颗粒溶解用水、管道冲洗水。在正常运行工况下，多余的疏水通过疏水泵统一输送至指定位置。疏水箱容量不小于单个溶解罐容量的一半。

（5）废水系统

尿素车间设置一个地坑及两台地坑排水泵，排水泵一运一备。地坑不允许发生冒汽现象。地坑设置排气设备至室外，坑内顶部设置喷淋、稀释水系统。

（6）水冲洗系统

在尿素溶液管道上设置完善的水冲洗系统，消除尿素溶液结晶的影响。

（7）稀释风机

根据水解系统要求，稀释风需要加热至200℃以上，用以保证混合气体的温度在140℃以上，防止混合气体发生逆反应重新生成尿素。常见的稀释风加热方案有蒸汽加热、烟气加热和热一次风加热三种。本工程采用烟气加热，烟气换热器安装在每台脱硝反应器出口喇叭口内部，利用烟气对稀释风进行加热。

4 社会效益

氨是有毒物质，会导致人急、慢性中毒，严重时可致人死亡。其输送、卸料、贮存均存在安全隐患，液氨泄漏后可能造成重大影响或事故，社会影响突出；采用尿素制氨可避免该危险性、可保证电厂工作人员人身安全及发电生产安全稳定、消除液氨运送对沿途城市、乡村居民的危险性，具有重大的社会效益。

5 结语

该项目工程2021年4月20日开始施工，2021年10月15日交工投运。运行后通过测试，各项技术参数达到设计要求，系统设备运行稳定且能达到较高的效率同时又降低了安全风险、消除潜在的安全隐患。徐州发电有限公司、华鑫发电有限公司脱硝系统液氨改尿素的成功，为同类型机组的改造提供了范例。