2×660 MW机组脱硝还原剂液氨改尿素工程设计及经济分析

李华

摘 要：现代火电厂SCR脱硝还原剂主要选用氨水、液氨及尿素，其中液氨属于重大危险源。本研究结合燃煤电厂2×660 MW机组脱硝还原剂液氨改尿素工程实施案例，首先对尿素催化水解及普通水解制氨工艺的原理、反应活化能及响应时间等进行比较，得出催化水解响应速度快，普通水解缓冲空间大，在实际运行中不分伯仲;其次阐述了液氨改尿素工程设计的主要系统，指出了水解制氨系统和氨气伴热系统的重要性;最后从静态投资和运行费用入手，分析了水解法、热解法及液氨法制氨的经济性。

关键词：SCR脱硝;还原剂;液氨改尿素;工程设计

中图分类号：X773     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）5-0090-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.020

Engineering Design and Economic Analysis of Liquid Ammonia to Urea as Denitrification Reducing Agent for 2×660 MW Coal-Fired Units

LI Hua

（Fujian Longjing Environmental Protection Co.， Ltd.， Longyan 364200，China）

Abstract：Ammonia， liquid ammonia and urea are mainly used as SCR denitration reducing agents in contemporary thermal power plants， of which liquid ammonia is a major hazard source. Combined with the implementation case of the denitration reducing agent liquid ammonia to urea project of 2 × 660 MW units in coal-fired power plants， firstly， comparing the principle， reaction activation energy and response time of urea catalytic hydrolysis and ordinary hydrolysis to ammonia production process， it is concluded that catalytic hydrolysis has a fast response speed and a large buffer space for ordinary hydrolysis， but in actual operation， they are equal to each other. Secondly， the main system of liquid ammonia to urea engineering design is expounded， and the importance of hydrolysis ammonia production system and ammonia gas tracing system is pointed out;Finally， starting from the static investment and operating costs， the economics of ammonia production by hydrolysis， pyrolysis and liquid ammonia are analyzed.

Keywords：SCR denitration; reducing agent; liquid ammonia to urea; engineering design

0 引言

当前燃煤发电厂SCR 脱硝还原剂主要选用氨水、液氨和尿素。液氨作为脱硝还原剂在投资与运行成本上存在显著的优势，国内绝大多数发电厂都选择液氨作为SCR脱硝还原剂。然而，从安全、环保、经济等多方面因素考虑，液氨并非是最佳的脱硝还原剂。《重大危险源辨识》（GB 18218—2009）规定：生产场所储量超过10 t即属于重大危险源。此外，国家能源局综合司于2013年下发《关于加强燃煤机组脱硫脱硝安全监督管理的通知》（国能综安全〔2013〕296号）、2014年下发《燃煤发电厂液氨罐区安全管理规定》（国能安全〔2014〕328号）、2019年发布《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》（国能综函安全〔2019〕132號）等文件，提出重大危险源管控和改造，要求华能、大唐、华电、国电等集团公司和各大发电企业率先开展脱硝还原剂尿素代替液氨改造工作。近几年，响应国家政策要求，液氨改尿素项目如火如荼，本研究结合燃煤电厂2×660 MW机组脱硝还原剂液氨改尿素工程实施案例，就工艺方案比选、经济分析及实施方案进行阐述。

1 尿素水解制氨原理

尿素制氨工艺主要有尿素热解和水解，尿素热解可分为电加热和高温烟气换热，而尿素水解分为催化水解和普通水解两种工艺。当前，液氨改尿素工程主要采用水解制氨技术。

尿素水解反应是尿素生产过程的逆反应，反应如式（1）（2）所示[1-2]。

NH2CONH2+ H2O ⇌ NH2COONH4

ΔH=-15.5 kJ/mol                                            （1）

NH2COONH4 = 2NH3↑+ CO2↑

ΔH=+177 kJ/mol                                             （2）

第1步反应为尿素与水生成氨基甲酸铵，该过程为微放热反应，反应过程非常缓慢;第2步反应为强吸热反应，氨基甲酸铵迅速分解生成NH3和CO2，反应过程非常迅速。对于水过剩的尿素溶液，过量水的存在可以加快反应速率。在有过量水参与的情况下，尿素水解总的化学方程式为（3）。

NH2CONH2+xH2O=2NH3↑+CO2↑+（x-1）H2O

ΔH=+ 1 615 kJ/mol                                         （3）

尿素溶液在0.4～0.6 MPa的反应压力和130～160 ℃的温度下发生水解反应，分解为NH3、H2O和CO2。

催化水解基于普通水解，在初次投运时添加一种磷酸铵盐类催化剂进入水解器，通过催化剂改变反应路径，降低了尿素水解反应的活化能Ea，使反应速率大大加快，同时也提高了响应速率。

催化水解反应方程式为（4）至（6）[3]。

（NH2）2CO+催化剂+ H2O → 中间产物+ CO2↑

（4）

中间产物→ 2NH3↑+ 催化剂                       （5）

综合反应：（NH2）2CO+ H2O = 2NH3↑+CO2↑

（6）

经计算与试验数据表明，催化水解反应活化能可降低41%，反应速率常数可提高72%，保证负荷响应速率为10%/min。普通水解与催化水解反应速率参数对比如表1所示[4-5]。

催化水解虽有较快的响应速率，但在实际运行中，由于普通水解器可以通过较大的缓冲空间弥补响应速率不足来满足机组快速变负荷过程中脱硝系统对制氨的要求，两种水解工艺在实际运行中差异不明显。

尿素水解制氨的核心設备是水解器，无论是采用催化水解还是普通水解，水解器都是通过撬装模块供货（如图1所示），机电控一体化，出厂前所有管道、阀门、仪表等均已安装、调试完成，并做好了油漆防腐和保温伴热，设备到现场接上管口和电缆即可启动。

2 液氨改尿素水解制氨工程设计

本研究对某电厂2×660 MW机组液氨改尿素工程设计展开阐述，该工程选用普通水解制氨工艺，工程范围包括新增尿素存储与输送系统、尿素溶解系统、尿素溶液存储及输送系统、水解系统、水解辅助系统、废水系统、伴热系统，以及对氨计量系统、稀释风系统、氨空混合器、氨喷射系统进行改造等工作。本工程基本设计参数如表2所示。

2.1 尿素溶液制备与存储系统

本项目设置2台尿素溶解罐，单台体积为60 m3，使用除盐水或疏水配制成40%～60%的尿素溶液，溶解罐容量按2台机组满负荷24 h用量设计。设有4台30 m3/h的尿素溶解泵，每台尿素溶解罐对应2台泵，一运一备，尿素溶液经溶解泵进入尿素溶液储罐。新建2台210 m3的溶液储罐，容量按2台机组满负荷7 d，全天24 h的用量设计，同时配置2台5 m3/h的输送泵，一运一备，将尿素溶液输送至尿素水解反应器。

2.2 尿素水解制氨系统

尿素水解系统包括尿素水解反应器模块、水解产物计量模块（水解产物计量模块布置在脱硝钢架）。本系统设置2台水解器，一用一备，每台水解器的容量为2台机组BMCR工况下最大需氨量的120%，即每台水解器产氨量为660 kg/h。水解反应器属于压力釜表面式换热器，分为壳程和管程，壳程即压力容器内部空腔，约50%的尿素溶液被输送到内部;管程为盘管换热器，内部介质为饱和蒸汽，为水解反应提供反应所需的热量，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。水解器内的尿素溶液的质量分数为40%～50%，气液两相平衡体系的压力为0.4～0.6 MPa，温度为130～160 ℃。在不同进料情况下尿素水解装置对尿素溶液的水解产氨率均大于95.38%，平均水解产氨率为98.73%。质量分数为50 %的尿素溶液进料时，尿素水解产品气成分和体积分数为NH3 37.5 %、CO218.75 % 、H2O 43.75 %，产品气流经厂区管道输送至锅炉SCR区域。尿素水解制氨系统流程如图2所示。

2.3 氨气管道伴热系统

尿素水解制氨是一个可逆反应，NH3和CO2在一定条件下可还原生成氨基甲酸铵，此反应为放热反应，水解产生的含氨产品气输送管线如发生温降会生成氨基甲酸铵或尿素颗粒堵塞管道[4]。做好保温伴热在液氨改尿素工程中起着至关重要的作用。

尿素溶液溶解罐及储罐通过蒸汽盘管加热装置维持溶液温度在尿素结晶温度20 ℃以上，保证系统不结晶。溶液储罐至水解器之间的尿素溶液管道长期处于运行状态，设置电伴热，确保尿素溶液温度维持在结晶温度之上。

成品气管道除采用良好的保温材料进行保温外，还应引用蒸汽双管伴热，并在产品气管道和伴热蒸汽管道之间敷设导热胶泥，保证伴热蒸汽管道能向产品气管道传输足够的热量，确保产品气温度在回凝点温度10 ℃以上。产品气管道每隔50 m设置一路温度测点，即时监控产品气温度状况。在水解反应器撬装模块及公用制系统中氨气管线切换中设置蒸汽暖管、蒸汽吹扫置换系统。与产品气接触的仪表设置了蒸汽吹扫环，定期对其进行吹扫。

液氨改尿素工程中各管道伴热温度设定值如表3所示。

2.4 SCR脱硝区喷氨系统改造

SCR区喷氨改造系统包括氨气计量模块、稀释风系统、气气换热器以及喷氨格栅。

氨气计量和调节模块设置在SCR区，每台反应器设置一套，对进入SCR反应器氨气流量进行调节，以满足锅炉稳燃负荷～100%BMCR之间任何负荷运行的要求。

稀释风机经核算，原有余量满足稀释风加热至160 ℃后的流量要求，按利旧考虑。

为了防止尿素水解反应的产品气发生逆反应，将稀释风引入锅炉空预器上部烟道内的气气换热器，把冷风加热至160 ℃以上，保证改造后氨空混合器内的混合气温度由常温升至160 ℃以上。温度变化导致气体体积流量增大，现有的氨空混合器出口管径、喷氨格栅管径及喷嘴无法满足要求，须拆除原氨空混合器、氨空混合器出口管道及管道附件、喷氨格栅等，并更换。此外，应对SCR脱硝喷氨系统整体流场进行CFD模拟分析，优化设计喷氨格栅和入口烟道导流板，并对脱硝反应器本体、 出口烟道导流板流场进行校核。

2.5 尿素水解制氨区构筑物及设备平面布置方式

尿素水解制氨区占地约640 m2，采用室内室外联合单层布置，分为尿素车间和水解车间，尿素车间室内设电子间、配电间、应急尿素堆料区、尿素溶解罐、尿素溶解泵、疏水罐及疏水泵，采用钢筋混凝土结构。水解车间放置水解器，选用钢结构房，其四周采用2 m高夹芯彩钢板半封闭，屋面压型钢板。此外，尿素溶液储罐、蒸汽减温减压装置、废水坑等布置附近室外空地，整体平面布置见图3。

3 液氨改尿素工程投资及运行费用对比分析

以上述2×660 MW机组液氨改尿素工程为例，将脱硝还原剂液氨替换尿素制氨，进行氨区硝区改造工程，对比尿素水解、热解制氨及液氨制氨工艺静态投资成本和运行费用，详见表4。

從表4可以看出，尿素水解制氨工程静态投资小于热解制氨工艺，其年运行综合费用介于热解和液氨制氨两者之间。尿素水解和热解在工艺原理及实际应用方面均可行，且国内外都有工程案例。热解制氨比水解响应速度更快，系统无压力容器，安全性较高;水解制氨一般采取公用制，互为备用，当一台水解器发生故障，不会影响整个脱硝系统的正常运行，可靠性高;而热解炉采用单元制，一旦出现故障，必须停炉检修[6]。

4 结语

当前，液氨改尿素制氨工艺主要选择水解，水解包括催化水解和普通水解，在实际运行中不分伯仲，都能满足脱硝系统用氨需求，工程案例均不在少数。本研究对2×660 MW机组尿素普通水解制氨工程设计展开了详细的阐述，其中水解器是制氨气最为关键的设备，该设备由撬装模块供货，现场只需接上管口和电缆即可启动。而氨气输送管道的伴热系统设计和施工是否合理对机组能否投运起着决定性的作用。SCR脱硝区喷氨系统改造工程涉及稀释风机、喷氨格栅及管道的更换和利旧的碰撞。同时，本研究对液氨改尿素工程经济性也进行了分析，尿素水解制氨工程静态投资低于热解制氨工艺，其年运行综合费用介于热解和液氨制氨两者之间。液氨改尿素工程整体难度较大，水、电、汽、气等接口众多，同时涉及大量压力管道及设备的设计和选型，综合管架跨越整个厂区，成品气、蒸汽、疏水等输送管道较长，保温、伴热、疏水等设计或安装不当，问题将层出不穷。希望本研究所阐述的内容可为今后液氨改尿素工程设计提供借鉴。

参考文献：

[1] 慕国巍，严利贞，王时珍，等.氮肥工艺设计手册[M].北京：化学工业出版社，1988.

[2] PERLIS U M.Urea， its properties and manufacture[M].Califomia：Chao’S Institute，1967：1-36.

[3] 易文彬.燃煤电厂尿素制氨技术研究[J].能源与节能，2020（7）：4.

[4] 罗峻，刘国军.烟气脱硝尿素制氨工艺技术研究进展[J].洁净煤技术，2019（4）：8-13.

[5] 孟磊.火电厂烟气SCR脱硝尿素催化水解制氨技术研究[J].中国电力，2016（1）：157-160.

[6] 张力，张元赏.燃煤电厂脱硝还原剂液氨改尿素工艺比选[J].能源与环境，2019（5）：77-79.