燃煤电厂烟气脱硝系统液氨改尿素技术分析

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摘要：某燃煤电厂SCR脱硝还原剂采用液氨，由于液氨站属于重大危险源，该电厂积极推进尿素替代液氨作为脱硝还原剂工作，有效防范化解重大安全风险。本文就该电厂脱硝还原剂由液氨改为尿素技术进行了对比分析，就可行的改造方案进行了论证与设计，对工程投资进行了估算，得出采用尿素水解制氨方案结论，为燃煤电厂烟气脱硝系统液氨改尿素技术提供参考。

关键词：制氨系统；尿素水解；尿素热解

SCR脱硝反应可用氨气作为还原剂，氨气可直接来自液氨加热汽化，也可通过氨水蒸发或者尿素分解间接制备。液氨制氨工艺在国内普遍应用，因其初投资及运行费用均较低，是当前国内SCR还原剂制氨的主流工艺，但液氨是有毒化学品，生产场所储存量超过10吨时，按《重大危险源辨识》（GB18218-2009）规定属于重大危险源。随着国家对安全的日益重视，以及一系列相关限制措施的出台，尿素制氨以其安全可靠特点在电厂SCR烟气脱硝装置上被广泛应用。尿素（CH4N2O）不属于危险产品，便于运输和储存并且使用安全，受热分解即可制成氨气。

某燃煤电厂现有脱硝氨区设置两台150m3卧式液氨储罐，液氨储存量超过10t，属于重大危险源。氨区设置单台出力为1000kg/h的蒸发器共三台，总出力为 3000kg/h，满足全厂四台机组设计条件下最大氨耗量。目前在满足超低排放的前提下，统计了一期单台机组氨耗量为323 kg/h；二期单台机组氨耗量为576 kg/h。氨区现有的两台 150m3液氨储罐的总储量为156t，可满足全厂四台机组约 4天 的液氨消耗量，低于《大中型火力发电厂设计规范》（GB50660-2011）中规定的“脱硝还原剂的储量应能满足全部脱硝系统不少于5天的正常消耗量”，且氨区因面积受限，增容难度比较大，结合氨区属于重大危险源因素，该电厂计划将原液氨站改为尿素制氨系统。

1.尿素制氨技术

尿素是氨的理想来源，为无毒无味的白色晶体或粉末，是人工合成的有机化合物，其理化性质较稳定，可以被散装运输并长期储存。尿素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。

1.1尿素热解制氨技术

尿素热解法制氨系统主要设备包括尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液储罐、供液泵、计量和分配装置、背压控制阀、绝热分解室（内含喷射器）烟气换热器或电加热器及控制装置等。储存于储仓的尿素颗粒由螺旋给料机输送到溶解罐，用去离子水溶解成质量分数约为50%的尿素溶液，通过给料泵输送到储罐；之后尿素溶液经给料泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入高温分解室，在350℃～650℃分解生成NH3、H2O和CO2，分解产物经氨喷射系统进入SCR系统[1]。

其化学反应方程式：

CO（NH2）2 → NH3 + HNCO （1）

HNCO + H2O → NH3 + CO2 （2）

根据化学动力学分析，上述反应式（2）需要在催化剂存条件下才能发生[2]。但一般热解工艺中，热解炉内没有设置催化剂。因此，在热解室内只进行式（1）所示反应，式（2）反应会在SCR反应器中进行。这会降低NH3产量，增加尿素消耗量。

1.2尿素水解制氨技术

普通尿素水解制氨系统主要设备有尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液储罐、尿素溶液给料泵及尿素水解制氨模块等。尿素颗粒加入到溶解罐，用去离子水将其溶解成质量分数为40%-60%的尿素溶液，通过溶解泵输送到储罐；之后尿素溶液经给料泵、计量与分配装置进入尿素水解制氨反应器，在反应器中尿素水解生成NH3、H2O和CO2，产物经由氨喷射系统进入SCR脱硝系统[3]。其化学反应式为：

CO（NH2）2 + H2O NH2-COO-NH4 2NH3↑+ CO2↑ （3）

水解反应器内的尿素溶液浓度可达到40%～50%，气液两相平衡体系的压力约为0.48MPa～0.6MPa，温度约为150℃～170℃。水解反应器中产生出来的含氨气流先进入计量模块，然后被锅炉热一次风稀释后进入氨气-烟气混合系统。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。该反应是尿素生产的逆反应。反应速率是温度和浓度的函数[4]。反应所需热量可由电厂辅助蒸汽或电加热提供。

1.3尿素制氨技术对比

上述两种SCR脱硝还原剂制备工艺各有特点，工艺各有优势，均能满足烟气脱硝还原剂供应要求，下面将进一步从技术、经济方面论证分析，为该电厂选择提供依据。

2.工程概况及投资估算对比

本项目是针对现役机组的改造工程，工程建设规模为2×350MW+2×660MW共计四台机组SCR脱硝装置还原剂液氨改尿素工程。经计算该电厂超低排放改造运行一期2×350MW 机组至少需液氨耗量为581kg/h，二期 2×660MW 机组氨耗量为981kg/h，四台机组总氨耗量为 1561kg/h。相应计算尿素耗量，一期两台机组尿素需求量为1024.7kg/h，二期两台机组尿素需求量为1730.9kg/h，四台机组总尿素耗量为2756kg/h，尿素年消耗总量为15156吨。

2.1估算原则

（1）定额：执行电力工程造价与定额管理总站定额[2016]45号“关于发布电力工程计价依据营业税改征增值税估价表的通知”发布的《2013年版电力建设工程定额估价表》建筑工程、热力设备安装工程、电气设备安装工程、调试工程、通信工程。

（2）材料价格：安装工程装置性材料价格按照《电力建设工程装置性材料综合预算价格》（不含税版）计列，不足部分采用 《电力建设工程装置性材料预算价格》（不含税版），并计算主要材料市场价格（《火电工程限额设计参考造价指标（2016年水平）》）与预算价格之间的价差。

（3）材机调整：安装工程材机费调整，按照电力工程造价与定额管理总站定额[2016]50号“关于发布2013版电力建设工程概预算定额2016年度价格水平调整的通知”附件3“发电安装工程概预算定额材机调整系数汇总表”中河南省部分进行调整。

（4）设备购置费用：工程设施设备大部分国产化，部分关键设备选择进口。设备购置费按到厂价计，主要设备价格采取厂商询价，部分设备价格采用近期同类型工程合同价。

（5）其他说明：项目预算编制应至《火力发电工程建设预算编制与计算标准规定》（2013版）表三深度，其中基本预备费执行其规定费率的85%，即基本预备费按建筑工程费、安装工程费、设备购置费及其他费用之和的4.25%计算。

（6）本估算统一按国家能源局2013年发布的《火力发电工程建设预算编制与计算规定》中600MW机组的有关费率标准计算。

2.2投资估算结果

针对该厂1～4号机组SCR脱硝尿素制氨改造工程，进行了工程投资估算结果汇总于表2：

（1）尿素水解制氨方案的工程总投资为4238万元，单位投资为21元/kW。其中，水解制氨系统改造投资3761万元，其它费用317万元。

（2）尿素热解制氨方案的工程总投资为5375万元，单位投资为27元/kW。其中，热解制氨系统改造投资4756万元，其它费用392万元。

（3）针对本工程，从初次投资角度看尿素水解方案方案总投资为4238万元，尿素热解方案的总投资为5375万元，在考虑了折旧后的水解方案的运行成本也低于尿素热解方案，故采用尿素水解制氨方案。

3.结论

该厂液氨储站属于国家级重大危险源，为了该厂的可持续发展，有必要将脱销还原剂由液氨制氨工艺改造为尿素制氨工艺，消除该安全隐患。本文对一、二期机组（2×350MW+2×660MW）SCR脱硝还原剂尿素改造工程进行了综合分析，就可行的改造方案进行了论证与设计，对工程投资进行了估算，得出尿素水解制氨方案工艺稳定可靠、投资运行费用低等优点，故该厂采用尿素水解制氨工艺。

参考文献：

[1]喻小伟， 李宇春， 蒋娅， 等. 尿素热解研究及其在脱硝中的应用[J]. 热力发电， 2012， 41（1）： 1-5.

[2]郭伟， 崔宁. 尿素热解制氨 SCR 脱硝技术在电厂的应用与优化[J]. 锅炉技术， 2012， 43（3）： 77-80.

[3]惠润堂， 韦飞， 闫世平， 等. 国产首套尿素水解装置在大型火电厂的工业应用及技术优化[J]. 中国电力， 2014 （7）： 150-155.

[4]姚宣， 沈滨， 郑鹏， 等. 烟气脱硝用尿素水解装置性能分析[J]. 中国电机工程学报， 2013， 33（14）： 38-43.

作者简介：李开拓（1990.01），性别：男，职称：工程师，学历：硕士研究生，从事发电厂集控运行及洁净煤燃烧方面工作。