国内首台烟气热解尿素制氨脱硝工艺研究与应用

张志良，刘富强，王海涛

（1.五凌电力贵州黔东电力有限公司，贵州 黔东南 557702；2.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004； 3.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 概述

液氨属于易燃易爆危险品，10 t以上储存量即为“重大危险源”，黔东电厂2×600 MW机组液氨储存区配置3台150 m³的储罐，属于“重大危险源”，需要与地方安监部门联网监控，必须有严格的安全保障和防火措施，其运输、存储涉及到国家和当地的法规及劳动卫生标准，系统设备安全运行维护成本高。尿素则是无毒、无害的化学品，是农业常用的肥料，无爆炸可能性，完全没有危险性，出于尿素在运输、储存中无需安全及危险性的考量，对环境无害，以及不需任何的紧急措施来确保安全，更加适用于燃煤电站烟气脱硝工程，根据DL/T 5480-2013《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》中1.0.8：位于大中城市及近郊区的电厂，宜选择尿素作为还原剂。近年来液氨泄漏事故时有发生，鉴于目前安全要求日趋严格的背景下以及国家电投火电〔2016〕201号《国家电力投资集团公司火电工程设计优化指导意见》要求新建电厂脱硝选择尿素作为还原剂，脱硝系统采用尿素制氨已成为环保趋势。为响应集团公司号召，黔东电厂以超低排改造为契机将脱硝液氨改为尿素热解工艺制氨。

2 尿素制氨工艺路线的选择

由于早期尿素热解工艺能耗高（机组负荷50%以下需投入电加热运行），故对热解工艺选择较少。近几年随着尿素制氨工艺的不断更新换代，能耗和安全性也有所提高，调研和走访以尿素热解工艺制氨的行业和电厂，对系统运行安全稳定性、效益性、操作便利性和改进性等方面开展了专题调研，结合我厂实际情况，通过调取近1年机组启停机锅炉烟气温度曲线和SCR投运条件等多项重要参数反复验证，编制了专项报告，首次提出“液氨改尿素热解项目采用冷风+炉内烟气加热器不设电加热器辅助加热的方式”能满足机组自并网至满负荷全程投入脱硝的全新技术路线。

3 项目实施的技术创新及特点

本次液氨改尿素热解工艺制氨项目中共有3个技术创新和特点：

（1）首次创新性提出“液氨改尿素热解工艺制氨项目采用冷风+炉内烟气加热器不设电加热器辅助加热的方式”，能满足机组自并网前半小时至满负荷全程投入脱硝的全新技术路线。

普通热解工艺是机组负荷在并网初期和300 MW以下需投入电加热器对稀释风进行辅助加热，以满足尿素热解所需的热量。按我厂风量计算电加热器容量至少需配置2 200 KW，电耗非常高。创新特点是通过对机组开机并网时烟气温度等多项参数和设备内部构造反复研究、论证，最终确定将炉内加热器悬吊布置在锅炉水平烟道内，冷热风集箱全部布置在炉内，提高换热效率，减少热量损失。与普通热解工艺相比具有系统布置简单、设备投入量少、运行维护简便、故障率低、运行成本更低等特点，在国内600 MW及以上W型火焰锅炉机组属首台。

（2）首次创新性提出我厂尿素溶液分解氨气使用的热解炉为单炉体设计，最大制氨量高达640 kg/h。

目前普通制造工艺普遍设计单炉体最大制氨量480 kg/h的能力。按照我厂消耗氨气量需求，单台机组需配置2台热解炉才能满足要求。创新特点是与热解炉厂家充分论证和建模对比，为了杜绝稀释风流速高可能会出现尿素溶液分解不完全，最终造成尿素结晶的风险，在热解炉上采用了一些特殊设计，调整热解炉入口旋流分布器的设计，增强热解炉内气流旋转的强度；同时增加尿素溶液在炉内停留时间，通过增加喷枪至热解炉出口法兰之间的高度，以保证停留时间不低于8 s。优化高、低负荷区间喷枪投退逻辑，提高喷尿素精度。目前我厂投用的热解炉为单台制氨量最大、热解炉尺寸最大、喷枪数量最多，在国内600 MW及以上W型火焰锅炉机组属首台。

（3）尿素热解项目原计划4月1日开工建设，6月15日并网发电，总建设工期75 d。

因特殊情况4月20日才开工，从开工到6月19日并网发电，整个项目从设计、施工、设备供货到投产只用了60 d，大家群策群力，采取多项有力措施，将时间追回，保证了项目如期投运，工期在行业内建设同类型600 MW级项目用时最短。

4 尿素热解系统

（1）尿素储存系统

袋装尿素由汽车运输到厂尿素站。尿素站应设置1个尿素储存区，用于堆放袋装尿素，储量按2台机组BMCR工况下3 d所需设计。

（2）尿素溶解罐

设置2个尿素溶解罐，采用地下式，将尿素拆包后输送到溶解罐，溶解罐用于制备尿素溶液和精确配置其浓度，每天配置2罐即可满足2台机组1 d消耗总量，材料采用304不锈钢。溶解罐中装有盘管式加热器，当罐中溶液温度低时，开启加热蒸汽进行加热，防止结晶。每个尿素溶解罐上设置1台搅拌器，作用是使尿素更好地溶解混合、防止颗粒沉淀。

溶解罐上装有水流量控制系统、排风扇、密度计。尿素溶解罐设有人孔、颗粒尿素进口、蒸汽进口、溶解水进口、循环回流口、尿素溶液出口、呼吸管及热排风机、溢流管、排污管、搅拌器、液位、温度测量等设施。

（3）尿素溶液输送泵

设置2台尿素溶液输送泵，将溶解罐中的尿素溶液输送至尿素溶液储罐；尿素溶液输送泵入口加装过滤装置，泵出口设置反冲洗水，泵停运时立即启动冲洗水冲洗管道、泵和阀门等，防止残留尿素溶液结晶堵塞管道泵、阀门。

（4）尿素溶液储罐

设置2个尿素溶液储罐，尿素溶液经由尿素溶液输送泵进入尿素溶液储罐。尿素溶液储罐满足2台机组BMCR工况下3 d所需用量（50%尿素溶液）要求。储罐采用304不锈钢制造。储罐为立式平底结构，装有液面、温度显示仪、人孔、梯子、通风孔及蒸汽加热装置（保证溶液温度高于结晶温度5℃）等。储罐基础为混凝土结构，露天放置。设置尿素溶液加热盘管，尿素溶液管道需要用蒸汽进行伴热和保温。

（5）尿素溶液循环泵

设置3台尿素溶液循环泵，采用多级变频离心泵，每台泵对应1台尿素热解器，单元制设置，2运1备。容量按照锅炉满负荷运行需要的尿素溶液量设计。尿素溶液供液泵过流部件材质为304不锈钢、机械密封，入口加装过滤器。管道、阀门等与尿素接触的设备的材料均为304不锈钢。

（6）尿素热解系统

尿素热解系统包括尿素热解炉、计量模块、相应的管道阀门等。

热解系统是一个由钢结构底座、热解炉、工艺管道、电气控制柜、仪表阀门、安全阀等组成的撬装设备，具体如下：

1）热解炉

一个完整的热解炉系统由出入口连接法兰、外部保温、电加热装置和温度控制以及氨/空气混合物的流量、压力以及温度的控制和过程指示等组成。

2）计量和分配装置

尿素溶液的计量和分配装置能精确地测量和控制输送到热解炉的尿素溶液流量，以精确计量和分配控制输送到每台热解炉的每一个喷射器的尿素流量、雾化和冷却空气的压力和流量。

3）尿素溶液喷射器（喷枪）

热解炉喷射组件（喷枪）设计安装在热解炉上，布置在热解炉的周围，经过计量和分配装置的尿素溶液由喷射器喷入热解炉。

4）主要的工艺管道

包括：蒸汽加热管道、尿素溶液管道、产品气（即氨蒸汽）管道、除盐水冲洗管道、表面排污管道、底部排污管道、安全泄放管道等。

浓度约40%～60%的尿素溶液经喷枪雾化后喷入分解室，在500℃～600℃的高温热风条件下，尿素液滴分解成NH3、H2O、CO2。

设置2台热解炉，每台热解炉供1台机组用。单台热解器制氨能力为640 kg/h。

5）加热蒸汽及疏水回收系统

加热蒸汽来自尿素区旁综合管架蒸汽主管，用于溶解罐、尿素溶液储罐加热。蒸汽经溶解罐、储罐加热后冷凝的疏水，由各疏水管道收集到疏水箱，用作配制尿素溶液、冲洗尿素溶液管道、尿素溶液管道伴热等。

6）伴热系统

各尿素溶液管道均设置有伴热系统，防止其内温度降低带来结晶危险。

7）其它辅助系统

冲洗系统

尿素溶液输送泵、给料泵在停运后均应进行冲洗，消除结晶，防止堵塞管道、阀门等。冲洗水由疏水泵从疏水箱提供，设1个疏水箱，2台疏水泵（1运1备）。

除盐水系统

从厂区除盐水母管处引入除盐水，用作溶解罐、储罐、疏水箱的补水及尿素溶液输送泵、给料泵的冲洗，在尿素制氨车间设置有1个除盐水小总门。

废水系统

尿素制备区设1个废水坑，箱罐排放采用管道收集至地坑。设置2台废水泵（1运1备）。

5 设备投运后情况分析

黔东电厂液氨改尿素热解项目自2021年06月19日首次投运至今，运行已满1年，2台机组经历30余次启机，每次都能满足并网前0.5 h即投运尿素热解系统，且系统运行稳定，几乎无增加运行人员操作量，也未发生设备损坏和异常事件。

采用冷风+炉内烟气加热器辅助加热的全新热解技术路线，由于取消了电加热器在机组启动初期和300 MW负荷以下运行，每年2台机组节省电费近150万元。采用全新设计的尿素热解炉，制氨效率较普通尿素热解炉提升2.7%，尿素单耗降低0.27 g/kW·h，年节约费用约324万元。采用全新工艺的热解系统减少了大型电加热器、变压器、开关、电缆、DCS增加点数等设备，2台机组减少投资成本200余万元（材料量估算）；同时减少了设备维护工作量和备品备件费用。采用全新热解工艺增加的炉内烟气加热器、热解炉等主设备多为纯机械设备，烟气加热器只需与锅炉4管防磨防爆一起开展检查，热解炉每次机组启动前检查喷枪雾化效果即可，无须设置单独大、小修计划，节省检修成本。

6 总结

黔东电厂液氨改尿素热解工艺制氨项目自2021年06月19日首次并网发电，尿素热解系统所有设备一次投运成功；06月23日机组满负荷连续出力运行，尿素热解系统运行稳定，参数优良，满足机组并网前0.5 h到满负荷区间的尿素制氨要求；2022年3月份经第三方检测机构性能试验，各项参数优良，完全满足超低排放标准，改造非常成功，创造了精品工程，在其他电厂有同类型新建或改造尿素热解制氨项目可进行大范围推广和应用。