火電廠SCR脫硝還原劑技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

姜艷靚，朱 林，王可輝，王嫻娜

(1.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210044;2.國電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京 210031)

0 引言

NOx是大氣主要污染物之一，對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。2012年我國NOx排放2337萬t，其中火電廠占全國NOx總排放量的42%［1］，控制其排放十分重要?！痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)規(guī)定自2014－07－01起現(xiàn)有的火力發(fā)電鍋爐和燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組執(zhí)行100mg/m3的NOx排放限值。因?yàn)榈偷紵夹g(shù)的脫硝效率一般在50%以下，單一采用不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，所以火電機(jī)組均需采用煙氣脫硝技術(shù)，增設(shè)煙氣脫硝系統(tǒng)［2］。

煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)和SNCR/SCR混合法。其中，SCR技術(shù)成熟且脫硝效率高，在國內(nèi)應(yīng)用更廣泛［3－4］。SCR工藝中脫硝還原劑的選擇非常重要，直接影響到整個(gè)脫硝工程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和安全性。SCR最常用的脫硝還原劑主要有液氨、尿素和氨水等3種。氨水因其采購濃度僅為25%，屬于危險(xiǎn)藥品且運(yùn)行費(fèi)用最高，國內(nèi)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中很少應(yīng)用。針對(duì)上述情況，本文主要從技術(shù)成熟性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等3個(gè)方面來分析和比較液氨和尿素等2種脫硝還原劑。

1 技術(shù)比較

目前國內(nèi)制氨法主要有液氨法和尿素法，尿素法又可分為水解法和熱解法兩種。液氨法工藝流程為:液氨在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，送到氨氣緩沖槽備用［5］。尿素水解法主要有三種技術(shù):U2A、AOD和SafeDeNOx技術(shù)［6－8］，目前國內(nèi)電廠主要是采用U2A 水解工藝［9］。

尿素?zé)峤夥ǖ牡湫痛硎敲绹鳩uel Tech公司的NOxOUT ULTRA技術(shù)，其反應(yīng)過程是將高濃度的尿素溶液噴入熱解室，在溫度為300～650℃熱煙氣條件下，液滴蒸發(fā)得到固態(tài)或者熔化態(tài)的尿素。純尿素在加熱條件下分解，提供氨［10］。

液氨法和尿素法的技術(shù)比較見表1。

表1 純氨法和尿素法技術(shù)比較［11］

從表1可知，液氨法和尿素法的技術(shù)都較成熟;液氨法制氨系統(tǒng)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間快、無管道堵塞問題;尿素法制氨系統(tǒng)較復(fù)雜，其中水解法響應(yīng)性較差、管道易堵塞。

2 安全比較

液氨是一種有毒、易燃的化學(xué)危險(xiǎn)品，具有腐蝕性和揮發(fā)性，作業(yè)場(chǎng)所最高允許濃度為30mg/m3，與空氣混合可形成爆炸性混合物，其爆炸上限為27.0%、下限為15.5%。泄漏時(shí)可導(dǎo)致中毒，對(duì)眼、黏膜和皮膚有刺激性，有燒傷危險(xiǎn)［12］。按照《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》(GB 18218－2009)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氨臨界儲(chǔ)存量大于10t就構(gòu)成了重大危險(xiǎn)源［13］。

此外，由于液氨通常在帶壓狀態(tài)下操作，其運(yùn)輸、貯存和安全注意事項(xiàng)應(yīng)滿足《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)程》(SH 3007－1999)及《液體無水氨》(GB 526－1988)規(guī)定。卸液氨用軟管應(yīng)滿足《輸送無水氨用橡膠軟管和軟管組合件規(guī)范》(GB 16591－1996)的要求。《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50160－2006)關(guān)于儲(chǔ)罐防火間距的要求，氨站應(yīng)該距離生產(chǎn)廠房和生產(chǎn)設(shè)備20m，距離明火和散發(fā)火花地點(diǎn)25m，距離全廠重要設(shè)施30m，距離運(yùn)輸?shù)缆?、廠圍墻10m?！段ｋU(xiǎn)貨物品名表》(GB 12268－1990)氨為有毒氣體。

與液氨不同，尿素是一種穩(wěn)定、無毒的固體物料，不存在爆炸危險(xiǎn)、毒性危害和重大危險(xiǎn)源等因素，其使用不會(huì)對(duì)人員和周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響［15］。尿素作為還原劑可被散裝運(yùn)輸并長(zhǎng)期儲(chǔ)存，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存及安全距離、布置場(chǎng)地等方面無特殊要求，是一種理想的氨來源［16］。

3 經(jīng)濟(jì)比較

脫硝還原劑的成本主要包括兩方面的費(fèi)用:一是消耗還原劑的物料費(fèi)用;二是運(yùn)輸費(fèi)用。一般而言，制氨系統(tǒng)中液氨和尿素兩種方法物料消耗量比為1∶1.76。按照目前液氨3300元/t，尿素2000元/t計(jì)算，兩者費(fèi)用相差不大。運(yùn)輸費(fèi)用方面，本文不完全統(tǒng)計(jì)了19個(gè)使用液氨為還原劑的脫硝項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)液氨的運(yùn)輸距離一般都較遠(yuǎn)，50km以上的約占3/4，導(dǎo)致運(yùn)輸管理費(fèi)用相對(duì)較高，但在10km以下的供應(yīng)源也占到了3個(gè)，可見液氨的供應(yīng)一般有兩種形式:一是液氨需要通過較遠(yuǎn)距離的轉(zhuǎn)運(yùn)來獲得，二是電廠本身就處于工業(yè)區(qū)，周圍就有液氨的供應(yīng)公司。尿素作為一般的農(nóng)用肥料可就近購買，火車或汽車運(yùn)輸均可，供應(yīng)源廣泛，因而運(yùn)輸費(fèi)用相對(duì)較低。

在項(xiàng)目初投資、運(yùn)行成本和電耗上，具體以我國某2×600MW級(jí)機(jī)組脫硝工程的各項(xiàng)費(fèi)用比為例，可以發(fā)現(xiàn):以液氨法為基準(zhǔn)時(shí)，尿素水解和熱解法的初期投資大概增加10% ～20%左右［17］，即尿素法制氨的單位千瓦投資較液氨高;液氨法在年運(yùn)行成本和年電耗成本上費(fèi)用最低。尿素水解由于部分系統(tǒng)和設(shè)備需要進(jìn)口，因此初期投資較大，但能耗相對(duì)熱解法為低［16］(見表 2)。

表2 某600MW級(jí)機(jī)組脫硝工程費(fèi)用比(以液氨為基準(zhǔn))

綜上所述，雖然液氨制氨的原料成本較高，且在實(shí)際工程中液氨的儲(chǔ)存必須考慮安全性，如需對(duì)操作人員進(jìn)行安全培訓(xùn)、液氨安措管理費(fèi)用投資等，但使用液氨時(shí)只需蒸發(fā)即可得到氨蒸汽，工藝相對(duì)簡(jiǎn)便，而尿素法必須要經(jīng)過熱解或水解才能得到氨蒸氣，電耗和蒸汽耗量都較液氨大，且能耗所占比例大，因而液氨較尿素仍有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)［18］。

部分統(tǒng)計(jì)國內(nèi)近3年的45個(gè)脫硝工程的還原劑選用情況，液氨30個(gè)、占66.7%，而尿素水解和熱解分別為12個(gè)和3個(gè)，分別占26.7%和6.6%。其中，江蘇地區(qū)的12個(gè)脫硝項(xiàng)目中的11個(gè)采用了液氨法。由此可見，目前國內(nèi)尿素法制氨總體上仍相對(duì)較少，其中熱解技術(shù)有較為成功的使用業(yè)績(jī)并已實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的國產(chǎn)化，水解技術(shù)則大多依賴進(jìn)口設(shè)備。針對(duì)上述情況，本文進(jìn)一步對(duì)以液氨為還原劑的不同機(jī)組容量的改造脫硝項(xiàng)目情況做一比較，其中脫硝效率為80%，制備車間為2臺(tái)機(jī)組公用(見表3)。

表3 火電廠SCR法脫硝費(fèi)用比較表(以液氨為還原劑)

從表3可知，一般情況下，脫硝還原劑消耗費(fèi)用占年運(yùn)行成本的比值基本上在10% ～20%之間，且隨機(jī)組容量的增大，脫硝消耗的還原劑費(fèi)用和電耗也增大，但單位kW脫硝的投資費(fèi)用呈遞減關(guān)系。進(jìn)一步不完全統(tǒng)計(jì)了不同機(jī)組容量的16個(gè)脫硝項(xiàng)目，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。由圖可知單位千瓦脫硝投資隨機(jī)組容量明顯降低，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 機(jī)組容量對(duì)單位千瓦脫硝投資的影響

4 結(jié)論與建議

(1)液氨法和尿素法技術(shù)都較成熟，均適合作為大型火電機(jī)組SCR脫硝反應(yīng)器的氨氣制備方法，目前還原劑仍以液氨為主。液氨作為還原劑在初投資和運(yùn)行費(fèi)用上都有較大優(yōu)勢(shì)，且一般情況下液氨消耗成本占總運(yùn)行費(fèi)用比值在10% ～20%之間，單位千瓦脫硝投資與機(jī)組容量大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)在具有充分的安全運(yùn)行管理保障措施下或人口稀少的地區(qū)，可選用液氨法以節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用;如在人口密集居住區(qū)等敏感區(qū)域附近的電廠，安全因素更為重要，尿素法則具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(3)液氨作為還原劑有一定的安全隱患，必須通過安全性評(píng)價(jià)確認(rèn)項(xiàng)目的安全性，在公眾參與中還將安全問題納入影響反饋范圍。采用尿素法制氨時(shí)主要應(yīng)避免儲(chǔ)存過程的板結(jié)，防止尿素溶液水解器內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng)引起管道堵塞。

(4)今后煙氣脫硝工程不斷投產(chǎn)以及工程安全度的要求提高，尿素的價(jià)格可能會(huì)隨需求量的增加而上升。建議國家通過免征尿素進(jìn)口增值稅等手段抑制市場(chǎng)價(jià)格，降低火電煙氣脫硝成本。

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