脫硝還原劑選用純氨和尿素的技術(shù)經(jīng)濟(jì)探討

陸生寬

(中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司，北京 100097)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染，特別是燃煤電廠(chǎng)鍋爐排放大量的硫氧化物和氮氧化物更進(jìn)一步加劇了環(huán)境惡化。我國(guó)是以燃煤發(fā)電為主的發(fā)展中國(guó)家，伴隨著發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，燃煤電廠(chǎng)NOx的排放迅速增加。

2011年9月21日，備受矚目的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》正式出臺(tái)。對(duì)NOx污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更加嚴(yán)格的要求。正因如此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)火電廠(chǎng)脫硝工程加速上馬，而原來(lái)還原劑采用傳統(tǒng)的液氨制備，如今也正有被采用更安全的尿素制備所取代的趨勢(shì)。

文中針對(duì)大唐淮南洛河發(fā)電廠(chǎng)三期脫硝工程，探討該工程還原劑采用純氨和尿素的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，以期對(duì)今后脫硝工程還原劑的選擇提供參考。

1 洛河脫硝工程基本情況

大唐淮南洛河發(fā)電廠(chǎng)，現(xiàn)共有六臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組。全廠(chǎng)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)2440 MW，為安徽省第一大火力發(fā)電廠(chǎng)。

一、二期工程4臺(tái)300 MW機(jī)組也完成了煙氣脫硫工程的改造。為進(jìn)一步改善電廠(chǎng)地區(qū)環(huán)境質(zhì)量，洛河電廠(chǎng)擬對(duì)三期工程2臺(tái)600 MW機(jī)組實(shí)施煙氣脫硝改造。

要求脫硝裝置在催化劑壽命期內(nèi)，NOx脫除率不小于80%脫硝還原劑的來(lái)源主要有液氨、氨水和尿素，由于采用氨水法較液氨法相對(duì)安全，但同樣存在安全隱患，且運(yùn)行費(fèi)用最高。因此90年代以后國(guó)際上已經(jīng)很少以氨水作為脫硝還原劑。洛河三期脫硝工程僅要求針對(duì)脫硝還原劑從尿素和液氨兩種方案進(jìn)行比較，選擇適合本脫硝工程的還原劑。以下就兩個(gè)工藝方案作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。見(jiàn)表1和表2。

表1 脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)

表2 脫硝系統(tǒng)入口煙氣中污染物成分

2 還原劑為液氨和尿素的基本特性比較

SCR技術(shù)是還原劑(NH3、尿素)在催化劑作用下，選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故稱(chēng)為“選擇性”。主要反應(yīng)如下:

2.1 液氨的基本特性

(1)氨為無(wú)色氣體，有刺激性惡臭味。

(2)氨氣與空氣會(huì)形成爆炸性混合物，在濃度為16% ～25%時(shí)，明火會(huì)產(chǎn)生爆炸。

(3)氨是有毒物質(zhì)，為GB12268－90規(guī)定的危險(xiǎn)品，會(huì)導(dǎo)致人急、慢性中毒，嚴(yán)重時(shí)可致人死亡。儲(chǔ)存量超過(guò)40 t，則屬于重大危險(xiǎn)源，被納入國(guó)家安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)重點(diǎn)監(jiān)控范圍。

(4)液氨的運(yùn)輸與儲(chǔ)存有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這使得液氨的運(yùn)輸費(fèi)用很高。液氨儲(chǔ)罐與周?chē)牡缆?、廠(chǎng)房、建筑等的防火間距不允許少于15 m。

2.2 尿素的特性

尿素是白色或淺黃色的結(jié)晶體，易溶于水，在高溫(350～650℃)下可完全分解為NH3。因尿素在運(yùn)輸、儲(chǔ)存中無(wú)需安全及危險(xiǎn)性的考慮，從本世紀(jì)初開(kāi)始，尿素越來(lái)越多的應(yīng)用于SCR系統(tǒng)，并逐漸引領(lǐng)SCR領(lǐng)域的潮流。

大唐洛河三期2×600 MW脫硝工程要求設(shè)計(jì)共用一個(gè)還原劑儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)，還原劑按照2臺(tái)爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行5 d用量?jī)?chǔ)存。

3 還原劑為液氨和尿素的工藝系統(tǒng)比較

3.1 液氨系統(tǒng)

液氨的儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)通常包括:液氨卸料壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、氨氣稀釋槽、廢水泵、廢水池、稀釋風(fēng)機(jī)、混合器以及控制系統(tǒng)等(如圖1所示)。

液氨的儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)流程:在卸料壓縮機(jī)的作用下，液氨由槽車(chē)輸入液氨儲(chǔ)罐內(nèi);在壓差作用下，液氨由儲(chǔ)罐輸送到蒸發(fā)槽，蒸發(fā)為氨氣;在氨氣緩沖槽內(nèi)，氨氣蓄積到一定的壓力，由流量閥調(diào)節(jié)爐前噴氨流量;在混合器中，氨氣與稀釋空氣混合均勻，再經(jīng)由噴嘴噴入煙道;排放的廢氨氣首先排入稀釋槽中，經(jīng)水吸收后排入廢水池;泄漏的氨也采用大量水沖洗稀釋?zhuān)湃霃U水池;最后，由泵將廢水送到廢水處理站進(jìn)行處理。

3.2 尿素系統(tǒng)

尿素?zé)峤夤に嚨姆磻?yīng)如下:

尿素在溫度高于150℃以上時(shí)開(kāi)始不穩(wěn)定，會(huì)分解成NH3和HNCO。HNCO與水反應(yīng)生成NH3和CO2。

圖1 液氨的儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)圖

尿素的儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)包括:溶解罐、尿素溶液儲(chǔ)罐、溶液循環(huán)泵、計(jì)量和分配裝置、絕熱分解爐、電加熱器和控制系統(tǒng)等，(如圖2所示)。

圖2 尿素的儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)圖

上圖虛框內(nèi)為尿素?zé)峤?，其主要流程如下?/p>

在溶解罐中將固體尿素溶解配制成濃度55%的尿素溶液，儲(chǔ)存在尿素溶液儲(chǔ)罐內(nèi)，儲(chǔ)罐內(nèi)的尿素溶液經(jīng)過(guò)循環(huán)泵輸送到尿素溶液計(jì)量和分配裝置。尿素溶液經(jīng)過(guò)計(jì)量和分配裝置后由噴射器噴入絕熱分解爐。分解爐的熱源來(lái)自鍋爐一次風(fēng)，一次風(fēng)經(jīng)電加熱器加熱后達(dá)到熱解所需溫度。尿素?zé)峤夂螽a(chǎn)生濃度小于5%的氨氣，通過(guò)AIG送入鍋爐煙氣。

大唐洛河2×600 MW脫硝工程，通過(guò)液氨和尿素兩種系統(tǒng)的比較，結(jié)合技經(jīng)專(zhuān)業(yè)對(duì)采購(gòu)設(shè)備詢(xún)價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于尿素絕熱分解技術(shù)掌握在外國(guó)販技術(shù)支持方手里，分解爐和電加熱器的采購(gòu)成本較高，造成尿素方案的設(shè)備采購(gòu)總體成本比液氨方案較高。

4 主要技術(shù)指標(biāo)及運(yùn)行成本的比較

大唐洛河三期2×600 MW脫硝工程，按照電廠(chǎng)給的煙氣條件，及NOx脫除率不小于80%的要求，通過(guò)計(jì)算及布置，做出如下對(duì)比:

4.1 液氨系統(tǒng)

(1)主要技術(shù)指標(biāo):①每臺(tái)爐的最大氨需量經(jīng)計(jì)算為460 kg/h;②液氨儲(chǔ)存量約為110 t;③液氨溶液制備區(qū)占地面積約3000 m2。

(2)運(yùn)行費(fèi)用:

①還原劑消耗:1臺(tái)SCR系統(tǒng)每年共需液氨約2760 t(以到廠(chǎng)價(jià)4000元/噸計(jì))，年費(fèi)用約1104萬(wàn)元;②液氨儲(chǔ)罐的年度檢測(cè)與安全評(píng)估綜合費(fèi)用約50萬(wàn)元;③其他，諸如蒸汽耗量(蒸發(fā)罐)、電耗(風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng))、煙溫?fù)p失(20℃的稀釋空氣進(jìn)入AIG需升溫到350℃左右所導(dǎo)致的煙溫?fù)p失)等，與尿素系統(tǒng)費(fèi)用基本相同。

4.2 尿素系統(tǒng)

(1)主要技術(shù)指標(biāo):①每臺(tái)爐的最大氨需量估算為460 kg/h;②尿素溶液罐儲(chǔ)量約370 t;③尿素制備區(qū)占地面積約300 m2。

(2)運(yùn)行費(fèi)用:①還原劑消耗:1臺(tái)SCR系統(tǒng)每年共需尿素5118噸(以到廠(chǎng)價(jià)2000元/t計(jì))，年費(fèi)用約1023萬(wàn)元;②常壓設(shè)備，無(wú)需進(jìn)行年度檢測(cè)與安全評(píng)估;③熱解電耗:單臺(tái)熱解爐所需電耗約為1100 KW，電耗年費(fèi)用約198萬(wàn)元(廠(chǎng)用電以0.3元/kw·h計(jì));④其他，諸如蒸汽耗量(尿素溶解、溶液罐保溫)、其它電耗(控制系統(tǒng)約50kw)和煙溫?fù)p失等。與液氨系統(tǒng)費(fèi)用基本相同。

5 結(jié)論

通過(guò)上述的比較，尿素和液氨作為SCR還原劑各有優(yōu)劣，采用尿素作為還原劑是比較安全的，但初期投資造價(jià)高，運(yùn)行費(fèi)用也高。采用液氨作為還原劑，相對(duì)初期投資造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用低，但液氨作為重大危險(xiǎn)源，在運(yùn)輸和儲(chǔ)備時(shí)存在一定的安全隱患，在運(yùn)輸成本上以及在生產(chǎn)安全管理上對(duì)電廠(chǎng)的運(yùn)行水平要求較高，存在一定的危險(xiǎn)性，國(guó)外使用較少。

另一方面，在考慮選擇何種還原劑進(jìn)行脫硝時(shí)，還需要結(jié)合場(chǎng)地布置方面的要求，液氨罐區(qū)要求的場(chǎng)地布置較大，對(duì)于場(chǎng)地較緊張的老廠(chǎng)改造項(xiàng)目或位于人口較密集地區(qū)的電廠(chǎng)不宜采用。而尿素相對(duì)來(lái)說(shuō)安全可靠，在運(yùn)輸及儲(chǔ)存等方面沒(méi)有特殊要求，場(chǎng)地布置相對(duì)緊湊，對(duì)于運(yùn)輸不便或者場(chǎng)地較緊張的改造項(xiàng)目，可以采用。通過(guò)比較，可以概括得出以下結(jié)論，見(jiàn)表1。

表3 液氨與尿素方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

尿素與液氨均可作為脫硝的還原劑，但是尿素在安全操作如運(yùn)輸和儲(chǔ)存安全等方面更具有優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于洛河三期脫硝工程，由于大唐洛河電廠(chǎng)屬于大型火電廠(chǎng)，老廠(chǎng)改造空間有限，人員較多等原因，建議還原劑采用尿素?zé)峤夥橐恕?/p>

［1］陳進(jìn)生.火電廠(chǎng)煙氣脫硝技術(shù)－選擇性催化還原法［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［2］王秉銓.工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］蔡小峰，SNCR－SCR煙氣脫硝技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2008.