煙氣脫硝尿素單元制與公用制水解工藝技術(shù)比較

姜艷靚，朱林，李梟鳴，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，南京市 210044；2.國電環(huán)境保護(hù)研究院，南京市 210031)

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煙氣脫硝尿素單元制與公用制水解工藝技術(shù)比較

姜艷靚1,2，朱林1,2，李梟鳴1,2，王嫻娜1,2

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

結(jié)合具體工程實(shí)例，采用調(diào)查、個(gè)案研究與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)相結(jié)合的研究方法，比較了煙氣脫硝尿素單元制與公用制這2種布置方式的安全性和空間適應(yīng)性。與單元制布置方式相比，公用制布置的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：水解反應(yīng)器互為備用，系統(tǒng)更安全可靠；主管道以輸送氨氣為主，降低了管道堵塞的可能；更能適應(yīng)入口氮氧化物濃度波動(dòng)；空間布置更靈活緊湊；鍋爐臺(tái)數(shù)越多，公用制布置方式優(yōu)勢越明顯。對(duì)于負(fù)荷率不高、氮氧化物濃度波動(dòng)較大，且位于寒冷地區(qū)的電廠，建議優(yōu)先考慮公用制尿素水解布置方式。

尿素水解；布置方式；煙氣脫硝； 選擇性催化還原法(SCR)

0 引 言

目前，煙氣脫硝尿素制氨技術(shù)主要分為熱解和水解[1]。尿素?zé)峤庵瓢笔窃跓釤煔庵蟹纸馓峁┌?，還原劑利用率低[2]，運(yùn)行成本高，且熱解爐尾部積物速度較快，維護(hù)困難[3]。

與熱解技術(shù)相比，尿素水解法起步較晚，1999年才開始在國外鍋爐煙氣脫硝工程中運(yùn)用[4]，初期投資高[5]，但實(shí)際運(yùn)行中水解制氨以更高還原劑利用率、更低能耗和更安全穩(wěn)定的冗余布置，在大型火力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用更具實(shí)用性[6-7]。因而，近幾年隨著尿素水解國產(chǎn)化的推進(jìn)，國內(nèi)煙氣脫硝工程采用尿素水解制氨技術(shù)的比例不斷增大，成為尿素制氨的主流技術(shù)。

國內(nèi)尿素水解工藝制氨技術(shù)起步較晚，起源于化工行業(yè)的深度水解技術(shù)。目前，許多學(xué)者從尿素分解特性角度對(duì)水解在脫硝工程中的應(yīng)用做了相關(guān)研究[8]，也有從尿素水解的工藝窗口和影響因素出發(fā)，結(jié)合動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)具體實(shí)例進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算分析等[9]，這些都對(duì)研制開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的尿素水解制氨技術(shù)具有一定的參考意義。但是，將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程還存在許多困難，仍然主要采用AOD(ammonia on demand)、U2A(urea to ammonia)等單元制配置的國外引進(jìn)技術(shù)[10]，存在尿素溶液輸送管道易堵塞、空間利用率低、設(shè)備故障降低脫硝投運(yùn)率等問題[11-12]。

針對(duì)上述情況，本文提出公用制尿素水解技術(shù)布置方案，從布置方式、安全性和空間適應(yīng)性等運(yùn)行技術(shù)方面對(duì)公用制和單元制尿素水解技術(shù)進(jìn)行比較，并以具體脫硝工程為例加以佐證。

1 尿素水解工藝簡介

尿素水解工藝流程為：儲(chǔ)倉的顆粒尿素由螺旋給料機(jī)輸送至尿素溶液儲(chǔ)存罐，溶解成質(zhì)量濃度為40%～55%的尿素溶液，尿素溶液再經(jīng)給料泵、計(jì)量與分配裝置進(jìn)入水解反應(yīng)器生成NH3、H2O和CO2，工藝流程見圖1[13]。

圖1 尿素水解制氨工藝Fig.1 Ammonia process of urea hydrolysis

2 尿素水解布置方式

2.1 單元制尿素水解

目前國內(nèi)采用的尿素水解技術(shù)主要是單元制的布置方式，布置方式如圖2所示，1臺(tái)尿素水解反應(yīng)器對(duì)應(yīng)于1臺(tái)鍋爐的2個(gè)選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)脫硝反應(yīng)器，這種布置方式通常將水解器設(shè)置在SCR鋼架上。單元制水解技術(shù)布置距離SCR反應(yīng)器較近，氨氣管道輸送距離短，能有效防止因長距離輸送引起的溫降問題，但實(shí)際運(yùn)行中，由于尿素水解器距離尿素儲(chǔ)罐較遠(yuǎn)，長距離的尿素溶液輸送會(huì)由于管道伴熱不均而發(fā)生尿素結(jié)晶堵塞[14]；單元制布置方式中單臺(tái)水解反應(yīng)器與鍋爐一一對(duì)應(yīng)，水解器發(fā)生故障造成整個(gè)機(jī)組的脫硝系統(tǒng)停運(yùn)。

圖2 單元制尿素水解布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of unit urea hydrolysis

2.2 公用制尿素水解

針對(duì)上述單元制存在的問題，本文對(duì)布置方式進(jìn)行優(yōu)化，提出公用制布置方式，配置如圖3所示，1臺(tái)尿素水解反應(yīng)器向多臺(tái)鍋爐的脫硝系統(tǒng)供氨，通常設(shè)置方式為一拖二或一拖三。根據(jù)DL/T 5480—2013《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[15]，對(duì)于有4臺(tái)及以上鍋爐的電廠只需設(shè)置2～3套尿素水解反應(yīng)器模塊便可滿足需要，投資省，管理方便，適用于尿素車間離鍋爐房較近的情況。

圖3 公用制布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of public system

3 技術(shù)比較

3.1 安全性分析

根據(jù)最新頒布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》和《關(guān)于調(diào)整排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)問題的通知》要求，脫硝裝置應(yīng)確保滿足最低技術(shù)出力以上全負(fù)荷、全時(shí)段穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放要求，若氮氧化物濃度或總量超標(biāo)排放，排污費(fèi)將翻倍處罰，不達(dá)標(biāo)所征收的費(fèi)用將遠(yuǎn)高于環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行成本。因此，對(duì)于燃煤機(jī)組而言，尿素水解裝置系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行相當(dāng)重要。

3.1.1 設(shè)備配置可靠性

采用單元制布置方式，1臺(tái)鍋爐對(duì)應(yīng)布置1臺(tái)尿素水解反應(yīng)器器，若反應(yīng)器發(fā)生故障，則整臺(tái)機(jī)組的噴氨系統(tǒng)無法正常運(yùn)行；而采用公用制布置方式，2臺(tái)水解器互為備用，若發(fā)生故障則可交替使用，可保證這個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，較單元制配置的安全可靠性得以提高。

3.1.2 管道輸送可靠性

就管道輸送而言，單元制尿素水解制氨管道輸送主要為50%的尿素溶液，而公用制水解制氨管道輸送的主要為成品氨氣(混合氣體)。

尿素溶解過程是吸熱反應(yīng)，其溶解熱高達(dá)-241.8 J/g，因此尿素溶液在輸送過程中容易因溫度降低而結(jié)晶[16]。為避免尿素結(jié)晶，管道均須伴熱，溫度一般保持在50 ℃以上。單元制布置時(shí)，水解器與尿素溶液儲(chǔ)存車間距離較遠(yuǎn)，尿素溶液輸送距離長，尤其在北方地區(qū)，均勻伴熱實(shí)際操作困難，因此管道易發(fā)生尿素結(jié)晶堵塞，目前已投運(yùn)的裝置中該問題經(jīng)常發(fā)生。

采用公用制布置方式，水解器布置在尿素車間，此段管道主要輸送的為氨氣，且水解反應(yīng)后溫度較高通常大于140 ℃，且水解器出口增加了過熱器進(jìn)一步保證成品氨氣的輸送溫度，氨氣管道配置蒸汽吹掃，相比于輸送尿素溶液發(fā)生堵塞的幾率大大降低，提高了系統(tǒng)管道輸送的可靠性。

3.1.3 氮氧化物濃度波動(dòng)的適應(yīng)性

從適應(yīng)氮氧化物濃度變化和負(fù)荷率角度看，進(jìn)口氮氧化物濃度波動(dòng)較大時(shí)，公用制布置方式設(shè)備裕度為200%，供氨可滿足較大范圍氮氧化物濃度變化，適應(yīng)性強(qiáng)；而單元制方式設(shè)備裕度低于120%，實(shí)際工程中裕量取值遠(yuǎn)不足20%，當(dāng)?shù)趸锊▌?dòng)大時(shí)，將無法滿足供氨需求，影響脫硝效率及達(dá)標(biāo)排放。

此外，對(duì)于機(jī)組負(fù)荷率較高的裝置，單元制和公用制布置方式的投運(yùn)效果差異較?。粚?duì)機(jī)組負(fù)荷率不高的裝置，單元制布置方式下每臺(tái)水解器均處于低出力方式運(yùn)行，而采用公用制布置方式單臺(tái)水解反應(yīng)器出力較高，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較單元制高。

3.2 空間適應(yīng)性分析

采用單元制配置時(shí)，1臺(tái)鍋爐反應(yīng)器鋼架下方對(duì)應(yīng)布置1臺(tái)尿素水解反應(yīng)器并配套有疏水箱。一般情況下，反應(yīng)器鋼架下方布置有原廠區(qū)車間及設(shè)備，需進(jìn)行拆除改造提供水解器空間，增加了額外的場地與投資。

出于布置方便考慮，也可將尿素水解反應(yīng)器布置在一定高度的鋼架上，技術(shù)要求較高，后期管理維護(hù)困難?，F(xiàn)有火力發(fā)電廠以老廠房居多，除鍋爐鋼架外可利用的空間場地小。當(dāng)鍋爐臺(tái)數(shù)較多時(shí)，場地更難以滿足要求。

公用制配置時(shí)，水解器布置在尿素車間，疏水箱不隨水解器配置，實(shí)現(xiàn)公用，節(jié)省了制氨反應(yīng)區(qū)的空間。此外，水解器統(tǒng)一布置于原有尿素車間的場地上，場地利用率高，操作運(yùn)輸方便。整個(gè)系統(tǒng)布置更加緊湊靈活，且鍋爐臺(tái)數(shù)越多，優(yōu)勢越明顯。

綜上所述，公用制系統(tǒng)對(duì)多臺(tái)爐情況下技術(shù)上要優(yōu)于單元制布置，這2種布置方式的技術(shù)指標(biāo)總體比較如表1。

表1 公有制和單元制尿素水解布置方式的技術(shù)比較

Table 1 Technical comparison between unit and public urea hydrolysis layout

4 工程應(yīng)用

A電廠位于我國北方內(nèi)蒙古高原地區(qū)，以其2×330 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝工程為例，對(duì)尿素水解公有制和單元制布置方式進(jìn)行相關(guān)分析。根據(jù)周圍環(huán)境的要求、運(yùn)輸儲(chǔ)存的安全性和還原劑制備系統(tǒng)的投資等因素，確定該工程采用尿素水解制氨法，具體環(huán)境及工程參數(shù)見表2。

表2 環(huán)境及工程參數(shù)

Table 2 Environment and engineering parameters

由于A廠處于北方，年平均溫度低，且尿素車間緊鄰鍋爐房布置，車間場地條件合適，故為了提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和可靠性，對(duì)常規(guī)的單元制配置進(jìn)行優(yōu)化，率先提出了將尿素水解器集中布置于尿素車間的公用制工藝方案。

A廠采用公用制布置方案，尿素存儲(chǔ)及溶液制備系統(tǒng)的設(shè)備選型均按脫硝效率75%考慮，裝置占地面積約375 m2。單臺(tái)水解反應(yīng)器滿足2臺(tái)鍋爐鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況的供氨需求，設(shè)計(jì)出力為232 kg/h[17]。尿素溶液在壓力0.48～0.6 MPa，溫度130～160 ℃條件下反應(yīng)生成氨，經(jīng)廠區(qū)氣氨管道輸送到SCR反應(yīng)器區(qū)。自投運(yùn)以來，系統(tǒng)一直可靠穩(wěn)定，氮氧化物排放濃度滿足國家要求，無系統(tǒng)故障停產(chǎn)改造情況，管道未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

經(jīng)濟(jì)性方面，以A電廠為例，就附屬設(shè)備而言，若采用單元制方式，每臺(tái)尿素水解反應(yīng)器單獨(dú)配有1個(gè)疏水箱和2個(gè)疏水泵(一用一備)，相應(yīng)的尿素溶解系統(tǒng)和水解系統(tǒng)的輔助設(shè)施也與其相應(yīng)成套配置；公用制配置時(shí)，疏水箱、廢水池等設(shè)備都統(tǒng)一安置于尿素車間，2臺(tái)水解反應(yīng)器公用。采用單元制所需的主要附屬設(shè)備臺(tái)數(shù)都是公用制配置的2倍。由于單元制附屬設(shè)備多，為防止尿素結(jié)晶，伴熱成本等能耗也較公用制大。進(jìn)行估算比較可知(見表3)，公用制在經(jīng)濟(jì)上具有一定優(yōu)勢，年運(yùn)行費(fèi)用較單元制節(jié)省，且鍋爐臺(tái)數(shù)越多，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢越明顯。

表3 附屬設(shè)備及能耗費(fèi)用比較表

Table 3 Comparison of subsidiary equipment and energy cost

注：蒸汽單價(jià)80 元/t，水價(jià)2 元/t，電費(fèi)0.4 元/(kW·h)。

5 結(jié) 論

(1)目前我國煙氣脫硝工程采用的尿素水解工藝均是單元制的配置方式，實(shí)際運(yùn)行中存在設(shè)備配置裕度低、尿素輸送管道易堵塞等缺點(diǎn)，對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化提出公用制配置方案，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

(2)從安全性方面看，單元制尿素溶液輸送管道易堵塞，公用制該段輸送為氨氣，降低堵塞可能性；公用制方式的水解反應(yīng)器互為備用，能保證發(fā)生故障時(shí)，噴氨系統(tǒng)正常運(yùn)行，較單元制更安全可靠；進(jìn)口氮氧化物濃度波動(dòng)較大時(shí)，公用制方式適應(yīng)性強(qiáng)。

(3)從空間適應(yīng)性方面看，公用制方式的空間利用率高、布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊。單元制方式需要考慮疏水箱的占地以及布置位置高，因而對(duì)場地要求嚴(yán)格，適應(yīng)性差。

(4)從經(jīng)濟(jì)性方面看，公用制方式的附屬設(shè)備少，能耗更低，年運(yùn)行成本節(jié)省。鍋爐臺(tái)數(shù)越多，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢越明顯。

(5)鑒于目前已投運(yùn)尿素水解單元制布置中存在的問題以及國家對(duì)脫硝裝置全負(fù)荷全工況投運(yùn)的要求，對(duì)于負(fù)荷率不高、氮氧化物濃度波動(dòng)較大，且地處北方較為寒冷地區(qū)的電廠，建議優(yōu)先考慮尿素水解公用制布置方式。綜合而言，尿素水解制氨水解器的布置方式選擇應(yīng)因地制宜，切合電廠的實(shí)際情況。

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(編輯：蔣毅恒)

Comparison of Unit and Public Urea Hydrolysis Process Technology for Flue Gas Denitrification

JIANG Yanliang1,2, ZHU Lin1,2,LI Xiaoming1,2,WANG Xianna1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China; 2.State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China)

Combined with specific project examples, the safety reliability and space adaptability of the public urea hydrolysis technology for flue gas denitrification were compared with that of the unit system urea hydrolysis technology, as well as their arrangements, through the research methods of surveys, case studies and lessons.And compared with the unit system configuration, the main advantages of the public system are embodied in the following aspects: the public system is safer and more reliable because of the mutual standby for the hydrolysis reactor; the main pipeline based on transporting ammonia, reduces the possibility of the blockage of the pipeline; which can adapt to the concentration fluctuation of inlet NOx; the space layout is more flexible and compact; more boilers, more advantages can be taken by the public system.The public layout of urea hydrolysis system is recommended priority for the condition that the loading rate is not high, the concentration of nitrogen oxides fluctuations high and the power plant locates in cold regions.

urea hydrolysis; layout; flue gas denitrification; selective catalytic reduction(SCR)

TM 628

A

1000-7229(2015)03-0114-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.020

2014-09-30

2015-01-23

姜艷靚(1989)，女，碩士研究生，主要從事大氣污染控制技術(shù)及工程方面的研究工作；

朱林(1964)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，長期從事燃煤電廠環(huán)保科研與工程治理工作；

李梟鳴(1991)，男，碩士研究生，主要從事大氣污染控制技術(shù)及工程工作；

王嫻娜(1990)，女，碩士研究生，主要從事大氣污染控制技術(shù)及工程工作。