火電廠脫硝系統(tǒng)液氨改尿素實(shí)施及性能對(duì)比

李秀忠,霍雷霆

(華電國(guó)際萊城發(fā)電廠，山東 濟(jì)南 271100)

火電廠運(yùn)行中，脫硝還原劑大多以液氨作為原料，為認(rèn)真落實(shí)《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)電力行業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品安全綜合治理工作的緊急通知》(國(guó)能綜函安全〔2019〕132號(hào))的具體要求，華電國(guó)際萊城發(fā)電廠積極實(shí)施重大危險(xiǎn)源治理，并實(shí)施了液氨及尿素替代升級(jí)改造。萊城發(fā)電廠SCR煙氣脫硝還原劑液氨改尿素改造工程，采用尿素催化水解法制備脫硝還原劑，在廠區(qū)內(nèi)新建尿素儲(chǔ)存區(qū)、尿素制備區(qū)、尿素水解區(qū)等，同時(shí)，對(duì)原有氨噴射系統(tǒng)、氨/空混合系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、計(jì)量分配模塊進(jìn)行改造，實(shí)施后效果良好。在安全運(yùn)行同時(shí)，有效控制了易燃易爆、有毒有害物質(zhì)的源頭[1]，提升了企業(yè)安全水平。

1 脫硝系統(tǒng)概況

萊城發(fā)電廠脫硝方式采用了選擇性催化還原法(SCR)。系統(tǒng)運(yùn)行中將SCR反應(yīng)器布置在火電機(jī)組鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間，煙氣垂直進(jìn)入SCR反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)各層催化劑模塊將NOx還原為無(wú)害的N2、H2O。上述反應(yīng)溫度可以在300～400 ℃進(jìn)行，脫硝效率處于較高水平，脫硝SCR系統(tǒng)性能見表1。

表1 脫硝SCR系統(tǒng)性能

2 尿素替代液氨的必要性及可行性

尿素替代液氨的必要性：因全國(guó)范圍內(nèi)危險(xiǎn)化學(xué)品事故頻發(fā)，國(guó)家能源司要求積極推進(jìn)重大危險(xiǎn)源管控及改造，要求對(duì)液氨、氫氣、氯氣等從源頭進(jìn)行管控，迅速開展液氨危險(xiǎn)源治理，加快推進(jìn)液氨與尿素的替代改造。堅(jiān)決防范、遏制重大事故發(fā)生，確保廣大人民群眾生命及財(cái)產(chǎn)安全。

尿素替代液氨的可行性：液氨為有毒物質(zhì)，儲(chǔ)存量超過(guò)10 t，屬于重大危險(xiǎn)源，氨氣與空氣混合，濃度在16%～25%時(shí)，遇明火會(huì)產(chǎn)生爆炸。尿素是由碳、氮、氧、氫組成的有機(jī)化合物，為白色晶體。現(xiàn)場(chǎng)使用中，通過(guò)水解治氨，安全性高，不易發(fā)生爆炸等事故[2]。

尿素替代液氨現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改動(dòng)較少，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)曲線(見圖1)可知，2種介質(zhì)參與反應(yīng)的環(huán)境溫度、反應(yīng)效率相近，部分設(shè)備無(wú)需特殊改造即可投運(yùn)。

3 液氨改尿素技改及系統(tǒng)設(shè)置

2020年1月10日，萊城發(fā)電廠將脫硝系統(tǒng)還原劑由液氨改造為尿素，并增加了尿素溶液的制備、儲(chǔ)存、輸送等相關(guān)設(shè)施。尿素采用袋裝供料，經(jīng)過(guò)氣力輸送裝置輸送到尿素緩沖料斗，尿素經(jīng)傳輸系統(tǒng)制備成50%濃度的尿素溶液，溶液通過(guò)溶解泵送入尿素溶液儲(chǔ)存箱中。儲(chǔ)存箱中尿素溶液經(jīng)過(guò)輸送泵送至水解反應(yīng)器模塊，產(chǎn)生的含氨氣體經(jīng)過(guò)分配計(jì)量模塊后，在氨/空混合器內(nèi)被空預(yù)器出口熱一次風(fēng)稀釋后進(jìn)入混合器管路系統(tǒng)，并由氨噴射系統(tǒng)噴入SCR脫硝系統(tǒng)。尿素?zé)峤夥ㄔ頌?/p>

NH2CONH2→NH3+HNCO

HNCO+H2O→NH3+CO2

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

2NO+2HNCO+1/2O2→2N2+2CO2+H2O

3.1 尿素溶液制備與儲(chǔ)存系統(tǒng)

尿素溶液制備與儲(chǔ)存系統(tǒng)包括尿素顆粒儲(chǔ)存間、尿素溶解、尿素溶液儲(chǔ)存、輸送等設(shè)備。尿素溶解采用射流器混合系統(tǒng)制備方式實(shí)現(xiàn)尿素顆粒在水中的溶解。

a.尿素溶液制備

尿素溶液制備系統(tǒng)包括噸袋卸料裝置、氣力輸送尿素系統(tǒng)、尿素顆粒緩沖料斗、雙螺旋給料器及射流混合器撬裝式集成結(jié)構(gòu)裝置，本系統(tǒng)按配置50%濃度尿素溶液進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到尿素會(huì)有結(jié)塊的可能，在噸袋卸料裝置出口設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾網(wǎng)上大的結(jié)塊需人工單獨(dú)破碎(圖2為尿素溶液制備工藝流程)。

b.尿素貯存間

設(shè)置1個(gè)尿素貯存間，用來(lái)存儲(chǔ)干燥的袋裝尿素，貯存間設(shè)計(jì)容積為216 m3，滿足4臺(tái)鍋爐BMCR工況下至少3天所需的還原劑量。

3.2 技改過(guò)程及系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)技改過(guò)程中，萊城發(fā)電廠技術(shù)攻關(guān)小組先對(duì)尿素系統(tǒng)進(jìn)行安裝，試驗(yàn)驗(yàn)收合格后，將尿素技改系統(tǒng)接入液氨系統(tǒng)，代替原裝置運(yùn)行。尿素供應(yīng)方面，單臺(tái)鍋爐BMCR工況下(煙氣量為1 050 000 Nm3/h)，SCR入口NOx濃度由500 mg/Nm3降至30 mg/Nm3，所需要的尿素耗量為400 kg/h，即4臺(tái)鍋爐BMCR工況下，SCR入口NOx濃度由500 mg/Nm3降至30 mg/Nm3，1天的尿素耗量為38.4 t。

3.2.1 尿素溶液儲(chǔ)存系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)尿素溶液儲(chǔ)存箱，用來(lái)儲(chǔ)存溶解后的50%濃度尿素溶液，尿素溶液儲(chǔ)存箱尺寸Φ5 m×7 m，容積137 m3，滿足BMCR工況下4臺(tái)鍋爐4天的需求量。尿素溶液輸送泵設(shè)置4臺(tái)，2用2備。輸送泵為316L不銹鋼離心泵，設(shè)計(jì)流量為2.5 m3/h，揚(yáng)程為100 m。尿素溶液輸送泵向3臺(tái)水解反應(yīng)器分別輸送尿素溶液。

3.2.2 水解制氨系統(tǒng)

本次改造設(shè)置3臺(tái)尿素水解反應(yīng)器，2用1備，每臺(tái)尿素水解反應(yīng)器的容量為未使用催化劑情況下滿足2臺(tái)鍋爐BMCR工況下，SCR入口NOx濃度由500 mg/Nm3降至30 mg/Nm3的供氨量，即每臺(tái)尿素水解反應(yīng)器產(chǎn)氨量為438 kg/h。濃度約50%的尿素溶液被輸送到尿素水解反應(yīng)器，在壓力為0.4～0.6 MPa、溫度為140～160 ℃條件下水解反應(yīng)生成含氨濃度37.5%的混合氣?；旌蠚饨?jīng)計(jì)量分配模塊后與熱稀釋風(fēng)在氨/空氣混合器混合，稀釋至氨濃度5%以下，最后通過(guò)噴氨格柵進(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝。水解反應(yīng)器本體集成氨氣緩沖空間，其反應(yīng)速率需能跟上機(jī)組負(fù)荷變化。

3.2.3 催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)

系統(tǒng)所用催化劑為白色晶體，是一種常見的廉價(jià)化工產(chǎn)品，主要用于制造化肥和滅火器。尿素水解采用催化劑，需增設(shè)催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)。由于水解制氨系統(tǒng)全廠公用，故設(shè)置催化劑溶解和制備裝置，包含催化劑溶解罐和催化劑泵。

3.2.4 氨氣供應(yīng)系統(tǒng)

3臺(tái)尿素水解反應(yīng)器(A、B、C)供氨管道之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)管線，A、B反應(yīng)器之間互為備用，為1、2號(hào)機(jī)組供氨；B、C反應(yīng)器之間互為備用，為3、4號(hào)機(jī)組供氨。1、2號(hào)機(jī)組設(shè)置2根供氨母管，1用1備；3、4號(hào)機(jī)組設(shè)置2根供氨母管，1用1備。母管管徑DN100，支管管徑DN65，并加裝蒸汽吹掃系統(tǒng)，供氨管道采用316L不銹鋼材質(zhì)，確保氨氣管內(nèi)溫度不低于150 ℃。

3.2.5 計(jì)量分配模塊

每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2套氨氣計(jì)量分配模塊，對(duì)進(jìn)入SCR反應(yīng)器的氨氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足鍋爐30%～100%BMCR之間任何負(fù)荷工況下脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的需求。流量調(diào)節(jié)模塊包含自動(dòng)關(guān)斷閥、調(diào)節(jié)閥組、質(zhì)量流量計(jì)、溫度測(cè)點(diǎn)等。

3.2.6 稀釋風(fēng)系統(tǒng)

1-4號(hào)機(jī)組SCR煙氣脫硝稀釋溫度要求200 ℃以上，風(fēng)壓8 kPa，為保證注入煙道的氨/空氣混合物絕對(duì)安全，以脫硝所需最大供氨量和氨體積比例5%，設(shè)計(jì)氨稀釋風(fēng)及氨/空氣混合系統(tǒng)。經(jīng)核算稀釋風(fēng)量小于現(xiàn)有空預(yù)器出口熱一次風(fēng)風(fēng)量2%，對(duì)鍋爐燃燒造成的影響可忽略不計(jì)，本次改造1-4號(hào)機(jī)組稀釋風(fēng)從空預(yù)器出口熱一次風(fēng)接入新的混合器，拆除原有稀釋風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)考慮鍋爐冷態(tài)開機(jī)熱一次風(fēng)溫190 ℃左右，熱態(tài)開機(jī)熱一次風(fēng)溫160 ℃左右，為滿足稀釋風(fēng)要求，在每路稀釋風(fēng)管路上設(shè)置一套電加熱器，當(dāng)稀釋風(fēng)溫低于200 ℃時(shí)開啟。

機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)熱一次風(fēng)溫280 ℃左右，低負(fù)荷時(shí)熱一次風(fēng)溫200 ℃左右，稀釋風(fēng)量較原設(shè)計(jì)增加90%，需對(duì)原有氨/空氣混合系統(tǒng)以及至噴氨格柵的管路系統(tǒng)進(jìn)行改造，涉及氨/空氣混合器、稀釋風(fēng)管道、氨氣分配集箱和相關(guān)連接管道。根據(jù)目前電廠實(shí)際運(yùn)行情況，熱一次風(fēng)含塵量大，易積灰導(dǎo)致氨/空氣混合器堵塞，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置4臺(tái)氨/空氣混合器，2用2備，給鍋爐脫硝系統(tǒng)提供氨氣，可實(shí)現(xiàn)在機(jī)組運(yùn)行中切換，進(jìn)行在線人工清理，避免環(huán)保數(shù)據(jù)超標(biāo)[3]。

3.2.7 SCR區(qū)域噴氨系統(tǒng)

原脫硝稀釋風(fēng)為單獨(dú)設(shè)置的稀釋風(fēng)機(jī)，風(fēng)溫為常溫，本次改造后，脫硝稀釋風(fēng)采用熱一次風(fēng)，風(fēng)溫在280 ℃左右(機(jī)組低負(fù)荷時(shí)風(fēng)溫約為200 ℃)，實(shí)際狀態(tài)稀釋風(fēng)量較原設(shè)計(jì)增加90%，因此對(duì)原有氨/空氣混合系統(tǒng)以及至噴氨格柵的管路系統(tǒng)、噴氨格柵本體進(jìn)行了改造。本次流場(chǎng)模擬對(duì)整體流場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)改造后的噴氨格柵和入口煙道導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)脫硝反應(yīng)器本體(含入口整流格柵)、出口煙道導(dǎo)流板流場(chǎng)進(jìn)行校核。

4 實(shí)施效果

通過(guò)脫硝液氨改尿素制氨技術(shù)改造，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，出力能夠完全滿足脫硝裝置所需氨量，機(jī)組NOx排放量能穩(wěn)定在50 mg/m3以下，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，通過(guò)改造前后對(duì)比(表2為氨水與尿素性能對(duì)比)，運(yùn)行效果良好。

表2 氨水與尿素性能對(duì)比

脫硝液氨改尿素制氨后，可實(shí)現(xiàn)拆除液氨站，消除唯一重大危險(xiǎn)源，提升了火電廠安全性、可靠性[4-5]；同時(shí)，尿素不僅具有安全性高的特點(diǎn)，還具有不易揮發(fā)、對(duì)人體無(wú)害、利用率高、腐蝕性低等特點(diǎn)，火電廠脫硝液氨改尿素系統(tǒng)具有較高的推廣價(jià)值。