SCR脫硝液氨改尿素制氨技術經(jīng)濟性研究

文_景杰 丁開瑞

1 北京京能電力股份有限公司 2 山西漳山發(fā)電有限責任公司

尿素制氨技術主要包括尿素熱解制氨技術、普通尿素水解技術和尿素催化水解制氨技術，其中尿素催化水解制氨技術有運行成本低和系統(tǒng)響應速率快的優(yōu)點。裴煜坤等人對尿素熱解和水解兩種制氨方式進行了技術經(jīng)濟比較分析，封琦君對尿素熱解和催化水解兩種技術進行了經(jīng)濟性分析；但少有關于尿素替代液氨方面的技術經(jīng)濟性研究，缺乏相關的數(shù)據(jù)支撐和投資運營參數(shù)。本文以尿素替代液氨前后各項實際參數(shù)為依據(jù)，對替代前后進行相關分析。

1 液氨儲供系統(tǒng)

液氨系統(tǒng)包括卸氨壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水池、廢水泵等儲存、制備和供應設備。外購液氨通過液氨槽車運至液氨儲罐區(qū)，通過往復式卸氨壓縮機將液氨儲罐中的氣氨壓縮后送入液氨槽車，利用壓差將液氨槽車中的液氨輸送到液氨儲罐中；液氨經(jīng)管道輸送至氨蒸發(fā)器，經(jīng)氨蒸發(fā)器蒸發(fā)成氣氨后進入氨氣緩沖罐內(nèi)，氣氨經(jīng)氨管道輸送至氨空混合器內(nèi)，與來自稀釋風機的空氣混合稀釋后，經(jīng)噴氨格柵送入SCR脫硝反應器內(nèi)。

液氨為無色液體，是強腐蝕性有毒物質(zhì)、強制冷劑，有強烈的刺激性氣味，極易轉(zhuǎn)化為氨氣，在-33℃（在標準大氣壓力）沸騰；液氨蒸汽對皮膚和眼睛有強烈的腐蝕作用，會產(chǎn)生嚴重疼痛性灼傷，對呼吸道有窒息作用，當氨氣在空氣中濃度達到0.5%時，吸入5～10min即可使人死亡，屬于中度危害的化學物質(zhì)。氣體無水氨與空氣混合物的爆炸極限為15%～28%。氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣必須排入氨氣稀釋槽中，不得對空排放，經(jīng)水的吸收排入廢水池，再經(jīng)由廢水泵送至廢水處理站處理。

2 尿素催化水解制氨系統(tǒng)

尿素催化水解技術是在尿素普通水解的基礎上的一種較快速制氨技術，反應速度較傳統(tǒng)水解法提高約9倍以上。催化劑的主要作用是通過改變反應路徑，從而大大加快反應速率，負荷響應速度達10%/min。催化水解技術是基于縮短尿素水解反應時間，降低相關設備造價基礎上研發(fā)的。

在溫度135～160℃、壓力約0.4～0.9MPa時，熔融狀態(tài)的尿素在磷酸鹽催化劑的作用下進行快速水解反應，生成NH3、CO2和水蒸氣的混合氣。其中NH3體積分數(shù)為37.5%，反應器出口氨氣濃度較高，需要將其稀釋至5%后供脫硝系統(tǒng)使用，稀釋風為鍋爐一次風或加熱后的空氣。近年來該系統(tǒng)已越來越多地應用于大型機組，安全、穩(wěn)定，技術成熟先進。

尿素催化水解系統(tǒng)包括尿素溶解罐、尿素溶液儲罐、催化水解反應器、尿素溶解泵、尿素輸送泵、催化劑箱，催化劑泵，疏水箱、疏水泵、廢水池、廢水泵、卸料系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、電伴熱系統(tǒng)等組成。尿素顆粒通過卸貨機械或氣力輸送至尿素溶解罐中，加除鹽水溶解配置成50%WT尿素溶液，濃度合格的尿素溶液經(jīng)尿素溶解泵輸送至尿素溶液儲罐存放，并維持一定溫度，防止尿素溶液結晶；根據(jù)氨耗用量，尿素溶液經(jīng)輸送泵送至催化水解反應器，催化劑作用下，尿素溶液發(fā)生水解反應生成NH3混合氣，管道送至爐區(qū)氨氣流量計量及調(diào)節(jié)模塊，在氨空混合器NH3混合氣經(jīng)熱風稀釋后進入SCR脫硝噴氨格柵，尿素催化水解制氨系統(tǒng)見圖1。

圖1 尿素催化水解制氨系統(tǒng)圖

尿素顆粒是無色或白色針狀或棒狀結晶體，無臭無味，含氮量約為46.5%，熔點132.7℃，易溶于水、醇，呈弱堿性。催化水解反應器定期排污及緊急氨氣排放排放至廢水池中，稀釋后廢水經(jīng)由廢水泵送到廢水處理站。袋裝催化劑倒入催化劑箱，稀釋后經(jīng)催化劑泵送入催化水解反應器，當反應器內(nèi)催化劑濃度低于10%，催化劑就需重新加注。

3 經(jīng)濟性分析

以電廠600MW機組鍋爐脫硝系統(tǒng)分別投運20d的液氨和尿素兩個系統(tǒng)來統(tǒng)計脫硝還原劑耗量，液氨儲供系統(tǒng)需提供0.6MPa、260℃的加熱蒸汽將液氨轉(zhuǎn)化為氣氨，系統(tǒng)運行無長期用電負荷；催化水解系統(tǒng)需提供0.6MPa、260℃的加熱蒸汽將尿素水解制成氨水解氣，系統(tǒng)運行存在長期必備用電負荷，含尿素溶解罐攪拌器、水解反應器、尿素輸送泵、減溫水增壓泵。液氨/尿素投運日耗用量見表1。

表1 液氨/尿素投運日耗用量

投運液氨儲供系統(tǒng)，鍋爐脫硝系統(tǒng)液氨單耗為0.169kg/t汽；投運尿素催化水解系統(tǒng)，鍋爐脫硝系統(tǒng)尿素單耗為0.328kg/t汽。

電廠液氨改尿素制氨后，以液氨儲供系統(tǒng)和尿素催化水解系統(tǒng)兩個系統(tǒng)相關投資建設，運維費用，液氨、尿素采購價格等為依據(jù)，統(tǒng)計兩個系統(tǒng)年運營成本。液氨/尿素投資運維見表2。

表2 液氨/尿素投資運維表

單臺600MW機組年運行220d，日均負荷率58%，液氨儲供系統(tǒng)投運后，年運營成本為502.8萬元，尿素催化水解系統(tǒng)投運后，年運營成本818.7萬元。尿素催化水解系統(tǒng)總成本（含折舊費）是液氨儲供系統(tǒng)系統(tǒng)的1.65倍。

4 結語

尿素催化水解系統(tǒng)建設投資費用高，運行成本高；液氨儲供系統(tǒng)建設投資費用低，運行成本低，尿素催化水解系統(tǒng)運營成本是液氨儲供系統(tǒng)系統(tǒng)的1.6倍，總成本是液氨儲供系統(tǒng)系統(tǒng)的1.65倍。但液氨儲供系統(tǒng)危險性很大，存在較多安全不可控因素，尤其是城市近郊電廠，人員相對密集，一旦泄漏危害后果巨大，設備本質(zhì)安全性差。尿素催化水解系統(tǒng)相對安全性較好，不存在泄漏傷人的風險。燃煤電廠應結合安全性、經(jīng)濟性綜合考量脫硝還原劑的選定。