2×660 MW機(jī)組脫硝還原劑液氨改尿素工程設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)分析

李華

摘 要：現(xiàn)代火電廠SCR脫硝還原劑主要選用氨水、液氨及尿素，其中液氨屬于重大危險(xiǎn)源。本研究結(jié)合燃煤電廠2×660 MW機(jī)組脫硝還原劑液氨改尿素工程實(shí)施案例，首先對(duì)尿素催化水解及普通水解制氨工藝的原理、反應(yīng)活化能及響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行比較，得出催化水解響應(yīng)速度快，普通水解緩沖空間大，在實(shí)際運(yùn)行中不分伯仲;其次闡述了液氨改尿素工程設(shè)計(jì)的主要系統(tǒng)，指出了水解制氨系統(tǒng)和氨氣伴熱系統(tǒng)的重要性;最后從靜態(tài)投資和運(yùn)行費(fèi)用入手，分析了水解法、熱解法及液氨法制氨的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝;還原劑;液氨改尿素;工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：X773 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）5-0090-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.020

Engineering Design and Economic Analysis of Liquid Ammonia to Urea as Denitrification Reducing Agent for 2×660 MW Coal-Fired Units

LI Hua

（Fujian Longjing Environmental Protection Co.， Ltd.， Longyan 364200，China）

Abstract：Ammonia， liquid ammonia and urea are mainly used as SCR denitration reducing agents in contemporary thermal power plants， of which liquid ammonia is a major hazard source. Combined with the implementation case of the denitration reducing agent liquid ammonia to urea project of 2 × 660 MW units in coal-fired power plants， firstly， comparing the principle， reaction activation energy and response time of urea catalytic hydrolysis and ordinary hydrolysis to ammonia production process， it is concluded that catalytic hydrolysis has a fast response speed and a large buffer space for ordinary hydrolysis， but in actual operation， they are equal to each other. Secondly， the main system of liquid ammonia to urea engineering design is expounded， and the importance of hydrolysis ammonia production system and ammonia gas tracing system is pointed out;Finally， starting from the static investment and operating costs， the economics of ammonia production by hydrolysis， pyrolysis and liquid ammonia are analyzed.

Keywords：SCR denitration; reducing agent; liquid ammonia to urea; engineering design

0 引言

當(dāng)前燃煤發(fā)電廠SCR 脫硝還原劑主要選用氨水、液氨和尿素。液氨作為脫硝還原劑在投資與運(yùn)行成本上存在顯著的優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)絕大多數(shù)發(fā)電廠都選擇液氨作為SCR脫硝還原劑。然而，從安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等多方面因素考慮，液氨并非是最佳的脫硝還原劑?！吨卮笪ｋU(xiǎn)源辨識(shí)》（GB 18218—2009）規(guī)定：生產(chǎn)場(chǎng)所儲(chǔ)量超過10 t即屬于重大危險(xiǎn)源。此外，國家能源局綜合司于2013年下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)燃煤機(jī)組脫硫脫硝安全監(jiān)督管理的通知》（國能綜安全〔2013〕296號(hào)）、2014年下發(fā)《燃煤發(fā)電廠液氨罐區(qū)安全管理規(guī)定》（國能安全〔2014〕328號(hào)）、2019年發(fā)布《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》（國能綜函安全〔2019〕132號(hào)）等文件，提出重大危險(xiǎn)源管控和改造，要求華能、大唐、華電、國電等集團(tuán)公司和各大發(fā)電企業(yè)率先開展脫硝還原劑尿素代替液氨改造工作。近幾年，響應(yīng)國家政策要求，液氨改尿素項(xiàng)目如火如荼，本研究結(jié)合燃煤電廠2×660 MW機(jī)組脫硝還原劑液氨改尿素工程實(shí)施案例，就工藝方案比選、經(jīng)濟(jì)分析及實(shí)施方案進(jìn)行闡述。

1 尿素水解制氨原理

尿素制氨工藝主要有尿素?zé)峤夂退?，尿素?zé)峤饪煞譃殡娂訜岷透邷責(zé)煔鈸Q熱，而尿素水解分為催化水解和普通水解兩種工藝。當(dāng)前，液氨改尿素工程主要采用水解制氨技術(shù)。

尿素水解反應(yīng)是尿素生產(chǎn)過程的逆反應(yīng)，反應(yīng)如式（1）（2）所示[1-2]。

NH2CONH2+ H2O ? NH2COONH4

ΔH=-15.5 kJ/mol ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

NH2COONH4 = 2NH3↑+ CO2↑

ΔH=+177 kJ/mol ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

第1步反應(yīng)為尿素與水生成氨基甲酸銨，該過程為微放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程非常緩慢;第2步反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，氨基甲酸銨迅速分解生成NH3和CO2，反應(yīng)過程非常迅速。對(duì)于水過剩的尿素溶液，過量水的存在可以加快反應(yīng)速率。在有過量水參與的情況下，尿素水解總的化學(xué)方程式為（3）。

NH2CONH2+xH2O=2NH3↑+CO2↑+（x-1）H2O

ΔH=+ 1 615 kJ/mol ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

尿素溶液在0.4～0.6 MPa的反應(yīng)壓力和130～160 ℃的溫度下發(fā)生水解反應(yīng)，分解為NH3、H2O和CO2。

催化水解基于普通水解，在初次投運(yùn)時(shí)添加一種磷酸銨鹽類催化劑進(jìn)入水解器，通過催化劑改變反應(yīng)路徑，降低了尿素水解反應(yīng)的活化能Ea，使反應(yīng)速率大大加快，同時(shí)也提高了響應(yīng)速率。

催化水解反應(yīng)方程式為（4）至（6）[3]。

（NH2）2CO+催化劑+ H2O → 中間產(chǎn)物+ CO2↑

（4）

中間產(chǎn)物→ 2NH3↑+ 催化劑 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

綜合反應(yīng)：（NH2）2CO+ H2O = 2NH3↑+CO2↑

（6）

經(jīng)計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，催化水解反應(yīng)活化能可降低41%，反應(yīng)速率常數(shù)可提高72%，保證負(fù)荷響應(yīng)速率為10%/min。普通水解與催化水解反應(yīng)速率參數(shù)對(duì)比如表1所示[4-5]。

催化水解雖有較快的響應(yīng)速率，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于普通水解器可以通過較大的緩沖空間彌補(bǔ)響應(yīng)速率不足來滿足機(jī)組快速變負(fù)荷過程中脫硝系統(tǒng)對(duì)制氨的要求，兩種水解工藝在實(shí)際運(yùn)行中差異不明顯。

尿素水解制氨的核心設(shè)備是水解器，無論是采用催化水解還是普通水解，水解器都是通過撬裝模塊供貨（如圖1所示），機(jī)電控一體化，出廠前所有管道、閥門、儀表等均已安裝、調(diào)試完成，并做好了油漆防腐和保溫伴熱，設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)接上管口和電纜即可啟動(dòng)。

2 液氨改尿素水解制氨工程設(shè)計(jì)

本研究對(duì)某電廠2×660 MW機(jī)組液氨改尿素工程設(shè)計(jì)展開闡述，該工程選用普通水解制氨工藝，工程范圍包括新增尿素存儲(chǔ)與輸送系統(tǒng)、尿素溶解系統(tǒng)、尿素溶液存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)、水解系統(tǒng)、水解輔助系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、伴熱系統(tǒng)，以及對(duì)氨計(jì)量系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、氨空混合器、氨噴射系統(tǒng)進(jìn)行改造等工作。本工程基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

2.1 尿素溶液制備與存儲(chǔ)系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)置2臺(tái)尿素溶解罐，單臺(tái)體積為60 m3，使用除鹽水或疏水配制成40%～60%的尿素溶液，溶解罐容量按2臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷24 h用量設(shè)計(jì)。設(shè)有4臺(tái)30 m3/h的尿素溶解泵，每臺(tái)尿素溶解罐對(duì)應(yīng)2臺(tái)泵，一運(yùn)一備，尿素溶液經(jīng)溶解泵進(jìn)入尿素溶液儲(chǔ)罐。新建2臺(tái)210 m3的溶液儲(chǔ)罐，容量按2臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷7 d，全天24 h的用量設(shè)計(jì)，同時(shí)配置2臺(tái)5 m3/h的輸送泵，一運(yùn)一備，將尿素溶液輸送至尿素水解反應(yīng)器。

2.2 尿素水解制氨系統(tǒng)

尿素水解系統(tǒng)包括尿素水解反應(yīng)器模塊、水解產(chǎn)物計(jì)量模塊（水解產(chǎn)物計(jì)量模塊布置在脫硝鋼架）。本系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)水解器，一用一備，每臺(tái)水解器的容量為2臺(tái)機(jī)組BMCR工況下最大需氨量的120%，即每臺(tái)水解器產(chǎn)氨量為660 kg/h。水解反應(yīng)器屬于壓力釜表面式換熱器，分為殼程和管程，殼程即壓力容器內(nèi)部空腔，約50%的尿素溶液被輸送到內(nèi)部;管程為盤管換熱器，內(nèi)部介質(zhì)為飽和蒸汽，為水解反應(yīng)提供反應(yīng)所需的熱量，不與尿素溶液混合，通過盤管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。水解器內(nèi)的尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%，氣液兩相平衡體系的壓力為0.4～0.6 MPa，溫度為130～160 ℃。在不同進(jìn)料情況下尿素水解裝置對(duì)尿素溶液的水解產(chǎn)氨率均大于95.38%，平均水解產(chǎn)氨率為98.73%。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 %的尿素溶液進(jìn)料時(shí)，尿素水解產(chǎn)品氣成分和體積分?jǐn)?shù)為NH3 37.5 %、CO218.75 % 、H2O 43.75 %，產(chǎn)品氣流經(jīng)廠區(qū)管道輸送至鍋爐SCR區(qū)域。尿素水解制氨系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.3 氨氣管道伴熱系統(tǒng)

尿素水解制氨是一個(gè)可逆反應(yīng)，NH3和CO2在一定條件下可還原生成氨基甲酸銨，此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，水解產(chǎn)生的含氨產(chǎn)品氣輸送管線如發(fā)生溫降會(huì)生成氨基甲酸銨或尿素顆粒堵塞管道[4]。做好保溫伴熱在液氨改尿素工程中起著至關(guān)重要的作用。

尿素溶液溶解罐及儲(chǔ)罐通過蒸汽盤管加熱裝置維持溶液溫度在尿素結(jié)晶溫度20 ℃以上，保證系統(tǒng)不結(jié)晶。溶液儲(chǔ)罐至水解器之間的尿素溶液管道長期處于運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置電伴熱，確保尿素溶液溫度維持在結(jié)晶溫度之上。

成品氣管道除采用良好的保溫材料進(jìn)行保溫外，還應(yīng)引用蒸汽雙管伴熱，并在產(chǎn)品氣管道和伴熱蒸汽管道之間敷設(shè)導(dǎo)熱膠泥，保證伴熱蒸汽管道能向產(chǎn)品氣管道傳輸足夠的熱量，確保產(chǎn)品氣溫度在回凝點(diǎn)溫度10 ℃以上。產(chǎn)品氣管道每隔50 m設(shè)置一路溫度測(cè)點(diǎn)，即時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品氣溫度狀況。在水解反應(yīng)器撬裝模塊及公用制系統(tǒng)中氨氣管線切換中設(shè)置蒸汽暖管、蒸汽吹掃置換系統(tǒng)。與產(chǎn)品氣接觸的儀表設(shè)置了蒸汽吹掃環(huán)，定期對(duì)其進(jìn)行吹掃。

液氨改尿素工程中各管道伴熱溫度設(shè)定值如表3所示。

2.4 SCR脫硝區(qū)噴氨系統(tǒng)改造

SCR區(qū)噴氨改造系統(tǒng)包括氨氣計(jì)量模塊、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、氣氣換熱器以及噴氨格柵。

氨氣計(jì)量和調(diào)節(jié)模塊設(shè)置在SCR區(qū)，每臺(tái)反應(yīng)器設(shè)置一套，對(duì)進(jìn)入SCR反應(yīng)器氨氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷～100%BMCR之間任何負(fù)荷運(yùn)行的要求。

稀釋風(fēng)機(jī)經(jīng)核算，原有余量滿足稀釋風(fēng)加熱至160 ℃后的流量要求，按利舊考慮。

為了防止尿素水解反應(yīng)的產(chǎn)品氣發(fā)生逆反應(yīng)，將稀釋風(fēng)引入鍋爐空預(yù)器上部煙道內(nèi)的氣氣換熱器，把冷風(fēng)加熱至160 ℃以上，保證改造后氨空混合器內(nèi)的混合氣溫度由常溫升至160 ℃以上。溫度變化導(dǎo)致氣體體積流量增大，現(xiàn)有的氨空混合器出口管徑、噴氨格柵管徑及噴嘴無法滿足要求，須拆除原氨空混合器、氨空混合器出口管道及管道附件、噴氨格柵等，并更換。此外，應(yīng)對(duì)SCR脫硝噴氨系統(tǒng)整體流場(chǎng)進(jìn)行CFD模擬分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)噴氨格柵和入口煙道導(dǎo)流板，并對(duì)脫硝反應(yīng)器本體、 出口煙道導(dǎo)流板流場(chǎng)進(jìn)行校核。

2.5 尿素水解制氨區(qū)構(gòu)筑物及設(shè)備平面布置方式

尿素水解制氨區(qū)占地約640 m2，采用室內(nèi)室外聯(lián)合單層布置，分為尿素車間和水解車間，尿素車間室內(nèi)設(shè)電子間、配電間、應(yīng)急尿素堆料區(qū)、尿素溶解罐、尿素溶解泵、疏水罐及疏水泵，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水解車間放置水解器，選用鋼結(jié)構(gòu)房，其四周采用2 m高夾芯彩鋼板半封閉，屋面壓型鋼板。此外，尿素溶液儲(chǔ)罐、蒸汽減溫減壓裝置、廢水坑等布置附近室外空地，整體平面布置見圖3。

3 液氨改尿素工程投資及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

以上述2×660 MW機(jī)組液氨改尿素工程為例，將脫硝還原劑液氨替換尿素制氨，進(jìn)行氨區(qū)硝區(qū)改造工程，對(duì)比尿素水解、熱解制氨及液氨制氨工藝靜態(tài)投資成本和運(yùn)行費(fèi)用，詳見表4。

從表4可以看出，尿素水解制氨工程靜態(tài)投資小于熱解制氨工藝，其年運(yùn)行綜合費(fèi)用介于熱解和液氨制氨兩者之間。尿素水解和熱解在工藝原理及實(shí)際應(yīng)用方面均可行，且國內(nèi)外都有工程案例。熱解制氨比水解響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)無壓力容器，安全性較高;水解制氨一般采取公用制，互為備用，當(dāng)一臺(tái)水解器發(fā)生故障，不會(huì)影響整個(gè)脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可靠性高;而熱解爐采用單元制，一旦出現(xiàn)故障，必須停爐檢修[6]。

4 結(jié)語

當(dāng)前，液氨改尿素制氨工藝主要選擇水解，水解包括催化水解和普通水解，在實(shí)際運(yùn)行中不分伯仲，都能滿足脫硝系統(tǒng)用氨需求，工程案例均不在少數(shù)。本研究對(duì)2×660 MW機(jī)組尿素普通水解制氨工程設(shè)計(jì)展開了詳細(xì)的闡述，其中水解器是制氨氣最為關(guān)鍵的設(shè)備，該設(shè)備由撬裝模塊供貨，現(xiàn)場(chǎng)只需接上管口和電纜即可啟動(dòng)。而氨氣輸送管道的伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工是否合理對(duì)機(jī)組能否投運(yùn)起著決定性的作用。SCR脫硝區(qū)噴氨系統(tǒng)改造工程涉及稀釋風(fēng)機(jī)、噴氨格柵及管道的更換和利舊的碰撞。同時(shí)，本研究對(duì)液氨改尿素工程經(jīng)濟(jì)性也進(jìn)行了分析，尿素水解制氨工程靜態(tài)投資低于熱解制氨工藝，其年運(yùn)行綜合費(fèi)用介于熱解和液氨制氨兩者之間。液氨改尿素工程整體難度較大，水、電、汽、氣等接口眾多，同時(shí)涉及大量壓力管道及設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型，綜合管架跨越整個(gè)廠區(qū)，成品氣、蒸汽、疏水等輸送管道較長，保溫、伴熱、疏水等設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)，問題將層出不窮。希望本研究所闡述的內(nèi)容可為今后液氨改尿素工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

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