某4×300 MW 機(jī)組液氨改尿素工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

張志中，裴煜坤，劉沛奇，胡 妲，江建平，張 楊

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州310030）

0 引 言

據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)，截止2020 年底，我國全口徑火電裝機(jī)容量達(dá)124624 萬kW，同比增長4.8%，占全部裝機(jī)容量的56.60%［1］，火力發(fā)電在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。截止2020 年，全國已實(shí)現(xiàn)超低排放的煤電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到9.5 億kW，占煤電總裝機(jī)容量的88%。煤電企業(yè)作為NOx的主要排放源，面臨前所未有的NOx減排壓力。 為了達(dá)到NOx超低排放限值要求，燃煤電廠普遍采用低氮燃燒結(jié)合選擇性催化還原脫硝（SCR） 或選擇性非催化還原脫硝（SNCR）技術(shù)［2］。 SCR因具有技術(shù)成熟、操作簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、脫硝效率高等特點(diǎn)而成為燃煤電廠最廣泛采用的煙氣脫硝技術(shù)，該技術(shù)將還原劑噴入煙氣中與NOx混合并在催化劑的作用下將NOx還原生成氮?dú)夂退?常用的脫硝還原劑包括氨水、液氨和尿素，其中液氨蒸發(fā)工藝在投資和運(yùn)行成本上優(yōu)勢明顯，在國內(nèi)煙氣脫硝裝置中的占比達(dá)80%以上［3］。 氨水工藝采用的氨水濃度一般在20%左右，體積量大，運(yùn)輸成本和投資成本在三種還原劑工藝中均屬最高，且運(yùn)行中蒸發(fā)氣化耗能多，因而使用受到限制，目前使用較多的還原劑主要是液氨和尿素［4-6］。

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，安全生產(chǎn)的重要性日益突出。 液氨作為一種有毒危險(xiǎn)化學(xué)品，當(dāng)與空氣混合后的濃度在16% ～25%時(shí)，遇火源容易發(fā)生燃燒和爆炸，在運(yùn)輸、儲存和使用時(shí)存在較大的安全隱患，一旦儲量超過10 t，即為重大危險(xiǎn)源［7］。 近些年液氨泄漏事故頻發(fā)，對環(huán)境安全和人身安全構(gòu)成較大威脅，城區(qū)或近城區(qū)電廠不再批準(zhǔn)采用液氨作為脫硝還原劑。 隨著國家出臺相關(guān)限制政策，從地方管理部門取得液氨的使用和運(yùn)輸許可證愈發(fā)困難，安全防范要求更加嚴(yán)格，相應(yīng)的安全管理成本不斷提升［8-9］，液氨作為脫硝還原劑受到很大程度的限制。 考慮到尿素分解同樣可以制取氨氣，且尿素性質(zhì)穩(wěn)定，易于保存和運(yùn)輸，是一種綠色肥料，對環(huán)境無害，來源廣泛，用來代替液氨作為脫硝還原劑是一種可行的且安全性更高的制氨方式［10］。 國家能源局《國能函安全（2018）12 號文》鼓勵電廠將液氨裝置改造為更加安全的尿素制氨裝置［11］，特別是對于大中城市及其近郊的電廠、位于人口稠密地區(qū)且防火間距達(dá)不到規(guī)范要求的電廠及水源地等地區(qū)的電廠，液氨改尿素將會成為一種普遍認(rèn)可的工程技術(shù)路線。

尿素制氨工藝主要分為尿素?zé)峤夂湍蛩厮?，尿素?zé)峤飧鶕?jù)稀釋風(fēng)熱源的不同分為電能加熱、燃燒柴油或天然氣加熱及高溫?zé)煔饧訜幔?2-13］，尿素水解法分為尿素普通水解和尿素催化水解。 尿素?zé)峤饧夹g(shù)在我國引入較早，2006 年華能北京熱電有限公司首次引進(jìn)美國NOxOUT ULTR尿素?zé)峤饧夹g(shù)為SCR脫硝工藝提供還原劑氨氣，此后在多臺機(jī)組上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。 尿素水解工藝在我國起步相對較晚，2011 年武漢國電青山電廠首次引進(jìn)美國U2A尿素水解工藝，至2012年成都銳思環(huán)保公司自主研發(fā)的尿素水解工藝在國電成都金堂電廠成功取得首次國產(chǎn)化應(yīng)用［14］，由于尿素水解工藝初次投資明顯降低，能耗相對較少，因此迅速得到推廣應(yīng)用。 尿素催化水解工藝建立在普通水解工藝的基礎(chǔ)上，由清華大學(xué)研發(fā)，被中國電機(jī)工程學(xué)會鑒定為技術(shù)達(dá)到“國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)”水平［8］，這勢必會使尿素水解工藝在燃煤電廠的應(yīng)用得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

本文以某電廠4 ×300 MW 燃煤機(jī)組液氨改尿素工程為例，對電加熱型尿素?zé)峤狻煔饧訜嵝湍蛩責(zé)峤?、尿素普通水解和尿素催化劑水解方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，為燃煤機(jī)組液氨改尿素工程的技術(shù)選取、系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析依據(jù)。

1 尿素?zé)峤饧夹g(shù)

尿素?zé)峤夤に囍饕赡蛩厝芤褐苽渑c儲存系統(tǒng)、稀釋風(fēng)及稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)、計(jì)量分配模塊、熱解制氨系統(tǒng)等構(gòu)成，工藝流程如圖1 所示（圖中標(biāo)注紅色和綠色代表兩種常用的稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)只選一種）。 具體流程為：用除鹽水將顆粒尿素在尿素溶解罐內(nèi)溶解成濃度約50%的尿素溶液并用配料輸送泵送至尿素溶液儲罐內(nèi)儲存，供氨時(shí)利用尿素溶液輸送泵將尿素溶液送至計(jì)量分配模塊，經(jīng)準(zhǔn)確測量并控制后由多個(gè)霧化噴槍噴入尿素?zé)峤鉅t，在來至稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)出口溫度達(dá)到350 ～650 ℃的熱風(fēng)加熱作用下分解成含NH3濃度小于5%的混合氣［15］，然后通過噴氨格柵噴入脫硝反應(yīng)器入口煙道。 尿素?zé)峤獍慈缦路磻?yīng)方程式［16］進(jìn)行：

圖1 尿素?zé)峤夤に嚵鞒?/p>

熱解工藝稀釋風(fēng)通常采用鍋爐空預(yù)器出口的熱一次風(fēng)或熱二次風(fēng)，鑒于燃燒柴油或天然氣加熱稀釋風(fēng)需要消耗大量燃料，系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行成本較高，目前工程中稀釋風(fēng)的加熱方式主要采用電加熱和高溫?zé)煔饧訜帷?一般一次風(fēng)風(fēng)壓能夠克服熱解系統(tǒng)阻力，二次風(fēng)由于風(fēng)壓較低，需設(shè)置高溫稀釋風(fēng)機(jī)。 熱解爐設(shè)計(jì)時(shí)需考慮熱風(fēng)含塵量，一般不超過200 mg/m3，主要是為了減少粉塵對高溫稀釋風(fēng)機(jī)和電加熱器加熱管的磨損［17］。 理論上熱二次風(fēng)含塵量高于熱一次風(fēng)，在選擇稀釋風(fēng)時(shí)推薦采用熱一次風(fēng)以提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性，所取一次風(fēng)量僅為鍋爐總一次風(fēng)量的1%左右，對鍋爐燃燒的影響甚微。 采用電加熱時(shí)，熱一次風(fēng)從空預(yù)器出口依靠自身壓力進(jìn)入電加熱器，經(jīng)加熱后進(jìn)入尿素?zé)峤鉅t。 采用高溫?zé)煔饧訜釙r(shí)主要通過氣氣換熱器對熱一次風(fēng)進(jìn)行加熱，換熱器根據(jù)布置位置分為爐內(nèi)氣氣換熱器和爐外氣氣換熱器。 爐內(nèi)氣氣換熱器通常設(shè)在低溫再熱器或低溫過熱器的前面，該區(qū)域煙溫在600 ～700 ℃，熱一次風(fēng)沿管內(nèi)流動，高溫?zé)煔饬鹘?jīng)換熱管時(shí)對其進(jìn)行加熱。 爐外氣氣換熱器設(shè)在熱解爐附近的鍋爐鋼架上且垂直布置，高溫?zé)煔馔ǔＨ∽愿邷卦贌崞骱?、低溫再熱器前的區(qū)域，該區(qū)域煙溫在650 ～750 ℃，高溫?zé)煔庖揽吭袩煹赖膲翰钛負(fù)Q熱器管程向下流動，出換熱器后匯入空預(yù)器出口煙道內(nèi)，熱一次風(fēng)依靠一次風(fēng)機(jī)壓頭沿?fù)Q熱器殼程向上流出換熱器，達(dá)到加熱目的。 爐內(nèi)氣氣換熱器一般適用于新建機(jī)組，設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留安裝空間，而且存在磨損、積灰，不便于檢修等問題，因此使用受到較多限制，爐外氣氣換熱器可根據(jù)電廠現(xiàn)場條件靈活布置，成為當(dāng)前的主流形式。 為了降低電耗，近年來尿素?zé)峤夤に嚫脑熘胁捎酶邷責(zé)煔饧訜嵯♂岋L(fēng)成為一種行之有效的手段［4］。

熱解反應(yīng)受熱解爐內(nèi)環(huán)境溫度影響較大，在低溫條件下會產(chǎn)生三聚氰酸、三聚氰胺、三異氰酸、乙二肟、縮二脲、縮三脲等中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物與熱風(fēng)中的粉塵結(jié)合會形成難以分解的多孔結(jié)晶物質(zhì)，易引起淤積堵塞現(xiàn)象，尿素?zé)峤廪D(zhuǎn)化率也會相應(yīng)降低［17-19］。 另外熱解過程中形成的HNCO在熱解爐的氣氛條件下難以分解為NH3，因此熱解工藝的尿素轉(zhuǎn)化率受到一定限制，一般在80% ～90%。

2 尿素水解技術(shù)

尿素水解工藝主要由尿素溶液制備與儲存系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、計(jì)量分配模塊、水解制氨系統(tǒng)等構(gòu)成，對于尿素催化水解工藝，還包括催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)，工藝流程如圖2 所示（圖中標(biāo)注綠色部分為尿素催化劑水解所特有的，去掉該部分為尿素普通水解）。 尿素普通水解具體流程為：用除鹽水將顆粒尿素在尿素溶解罐內(nèi)溶解成濃度約50%的尿素溶液并用配料輸送泵送至尿素溶液儲罐內(nèi)儲存，供氨時(shí)利用尿素溶液輸送泵將尿素溶液送至水解反應(yīng)器，在壓力為0.4 ～0.6 MPa，溫度為130 ～160 ℃的操作條件下，尿素以水溶液的形式受熱分解為NH3和CO2，含NH3濃度約37.5%的混合氣進(jìn)入計(jì)量分配模塊并經(jīng)計(jì)量控制后進(jìn)入氨空混合器與來至稀釋風(fēng)系統(tǒng)的熱風(fēng)混合，形成含NH3濃度小于5%的混合氣［6］，最后由噴氨格柵噴入脫硝反應(yīng)器入口煙道。 尿素催化水解工藝流程基本與尿素普通水解工藝相同，區(qū)別在于前者多出了催化劑溶解及催化劑溶液輸送至水解反應(yīng)器這部分流程。 尿素普通水解按著如下反應(yīng)方程式［13］進(jìn)行，其中第一步為微放熱反應(yīng)，第二步為強(qiáng)烈吸熱反應(yīng)：

圖2 尿素水解工藝流程

尿素催化劑水解工藝主要采用磷酸鹽作為催化劑配制成一定濃度的溶液［3］，在水解系統(tǒng)啟動時(shí)泵入水解反應(yīng)器，催化劑在水解過程中循環(huán)使用，主要起到改變反應(yīng)路徑，加速水解反應(yīng)進(jìn)度，降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的作用，具體反應(yīng)方程式如下［9］：CO（NH2）2+催化劑+H2→■O 中間產(chǎn)物+CO2

綜合反應(yīng)：CO（NH2）2+H2→■O 2NH3+CO2

水解反應(yīng)器出口混合氣中含有NH3、CO2和水蒸氣，在輸送過程中當(dāng)氣體溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)會產(chǎn)生“回凝”現(xiàn)象［20］，即發(fā)生水解反應(yīng)的逆反應(yīng)而生成氨基甲酸銨晶體，從而引起管道或設(shè)備堵塞。 為了避免混合氣出口下游管道和設(shè)備出現(xiàn)結(jié)晶，一方面可提高稀釋風(fēng)溫至180 ℃以上，另一方面水解器至爐側(cè)氨空混合器間的管道設(shè)置嚴(yán)格的蒸汽伴熱，伴熱溫度不低于150 ℃。 水解工藝稀釋風(fēng)一般采用熱一次風(fēng)和經(jīng)過煙氣加熱處理的自然風(fēng)和冷一次風(fēng)。 由于熱一次風(fēng)本身攜帶一定量的粉塵，容易導(dǎo)致氨空混合氣和噴氨格柵支管的堵塞，對燃煤灰分高和空預(yù)器漏風(fēng)量大的機(jī)組開展水解工藝設(shè)計(jì)時(shí)一般不推薦熱一次風(fēng)作為稀釋風(fēng)。 煙氣加熱方式是通過在SCR出口煙道內(nèi)增設(shè)管式換熱器，利用煙氣的熱量對自然風(fēng)或冷一次風(fēng)進(jìn)行加熱作為熱稀釋風(fēng)。 若冷一次風(fēng)壓頭較大，可以省去稀釋風(fēng)機(jī)，但實(shí)際應(yīng)用案例較少。采用自然風(fēng)時(shí)必須配置稀釋風(fēng)機(jī)。

水解反應(yīng)器內(nèi)尿素溶液主要通過蒸汽盤管間接加熱，蒸汽引自廠用蒸汽系統(tǒng)，經(jīng)減溫減壓后進(jìn)入蒸汽盤管。 蒸汽放熱后形成的冷凝水由疏水箱收集，收集的疏水部分作為尿素溶解用水，多余部分由疏水泵送至鍋爐疏水?dāng)U容器回收利用。 水解反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到160 ℃時(shí)，尿素會分解形成HNCO，HNCO活性較強(qiáng)，會與尿素反應(yīng)生成難溶于水的縮二脲等聚合物［21］，易引起水解系統(tǒng)堵塞，水解反應(yīng)器正常運(yùn)行時(shí)需在線排污，將含有尿素、氨水、縮二脲等的廢液輸送至尿素區(qū)地坑進(jìn)行收集。 通過嚴(yán)格控制水解反應(yīng)器溫度、壓力、尿素溶液濃度等參數(shù)可以保證水解工藝尿素轉(zhuǎn)化率達(dá)到98% ～99%。

3 某4 ×300 MW 機(jī)組液氨改尿素技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 機(jī)組概況

某城市電廠1 ～4 號燃煤機(jī)組煙氣脫硝采用SCR脫硝工藝，分別于2013 年10 月、2014 年5月、2012 年9 月和2013 年7 月投運(yùn)，催化劑按“2+1”模式布置，初裝2 層蜂窩式催化劑，后均于2016 年完成煙氣脫硝超低排放改造，加裝備用層催化劑，采用液氨作為還原劑。 氨區(qū)為4 臺機(jī)組公用，配有3 臺容積為80 m3的液氨儲罐、4 臺液氨蒸發(fā)器、3 臺氨氣緩沖罐和1 臺氨氣吸收罐，液氨儲量可達(dá)120 t。 迫于安全生產(chǎn)壓力，該電廠擬實(shí)施液氨改尿素工程，從本質(zhì)上消除重大危險(xiǎn)源，提高脫硝安全性的同時(shí)降低管理風(fēng)險(xiǎn)。 液氨改尿素工程工藝水由全廠工業(yè)水管網(wǎng)提供，消防水由全廠消防水系統(tǒng)提供，尿素溶解除鹽水由化學(xué)車間提供，蒸汽取自鍋爐輔汽系統(tǒng)，壓縮空氣取自全廠儀用壓縮空氣系統(tǒng)。 全廠各消耗品供應(yīng)裕量能滿足現(xiàn)有本工程耗品需求，無需設(shè)備擴(kuò)容或增加新設(shè)備。

3.2 工程設(shè)計(jì)參數(shù)

液氨改尿素工程的實(shí)施，一方面要替代原有的氨區(qū)供氨功能，即通過新增尿素溶液制備與儲存系統(tǒng)、熱解或水解制氨系統(tǒng)及稀釋風(fēng)系統(tǒng)改造來實(shí)現(xiàn)供氨量滿足脫硝要求，另一方面要通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4 臺機(jī)組的主要煙氣性能指標(biāo)達(dá)到超低排放要求。 某4 ×300 MW 機(jī)組液氨改尿素工程的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，由表1 可知，2 臺機(jī)組的最大氨耗量為552 kg/h，4 臺機(jī)組的總計(jì)氨耗量為922 kg/h。

表1 液氨改尿素工程設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 技術(shù)分析

根據(jù)電廠脫硝裝置煙氣條件和還原劑改造目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用較多的尿素制氨工藝的特點(diǎn)，對液氨改尿素工程提出了4 種改造方案，分別為電加熱型尿素?zé)峤狻煔饧訜嵝湍蛩責(zé)峤?、尿素普通水解和尿素催化水解?/p>

4 種改造方案的尿素溶液制備與儲存系統(tǒng)的設(shè)備配置和參數(shù)基本一致，主要區(qū)別在于熱解方案和水解方案的尿素溶液輸送泵數(shù)量不同。 設(shè)置尿素儲存小間1 個(gè)，用于儲存袋裝尿素，堆高按3 m考慮，設(shè)計(jì)容積約240 m3，滿足4 臺鍋爐BMCR工況下至少3 天的尿素需求量。 設(shè)置尿素溶解罐2 只，單罐容積50 m3，罐體采用SS304 不銹鋼材質(zhì)并配備蒸汽加熱裝置和攪拌器，每天配制2 罐50%濃度的尿素溶液即可滿足4 臺鍋爐BMCR工況下1 天的尿素溶液量。 配料輸送泵設(shè)4 臺（2用2 備），為不銹鋼離心泵，流量40 m3/h，揚(yáng)程30m。 設(shè)置尿素溶液儲罐2 只，單罐容積250 m3，罐體采用SS304 不銹鋼并配備蒸汽加熱裝置，滿足4 臺鍋爐BMCR工況下至少5 天的尿素溶液量。 方案1 和方案2 尿素溶液輸送泵設(shè)6 臺（4用2 備），方案3 和方案4 尿素溶液輸送泵設(shè)3 臺（2 用1 備），均為不銹鋼離心泵，流量9 m3/h，揚(yáng)程250 m；方案1 和方案2 在正常運(yùn)行條件下，每臺鍋爐對應(yīng)的熱解爐由1 臺尿素溶液輸送泵供給尿素溶液，方案3 和方案4 在正常運(yùn)行條件下，每臺水解反應(yīng)器由1 臺尿素溶液輸送泵供給尿素溶液。 尿素間設(shè)1 個(gè)地坑和2 臺地坑泵（1 用1備），地坑泵流量30 m3/h，揚(yáng)程35 m；地坑用于收集尿素溶液制備與儲存區(qū)域和水解反應(yīng)器的排污水，收集的廢水統(tǒng)一輸送至生活污水處理系統(tǒng)，稀釋后作為廠區(qū)綠化用水。

方案1 和方案2 中尿素?zé)峤庀♂岋L(fēng)均引自空預(yù)器出口熱一次風(fēng)，其中1、2 號機(jī)組稀釋風(fēng)量為6300 m3/h，分別占總一次風(fēng)量的2.3%和3.1%，對鍋爐燃燒造成的影響極?。?、4 號機(jī)組稀釋風(fēng)量為5300 m3/h，均小于總一次風(fēng)量的2%，對鍋爐燃燒造成的影響可忽略不計(jì)。 方案1 和方案2的熱一次風(fēng)溫度在315 ～330 ℃，需要增設(shè)稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)；方案1 采用電加熱，1、2 號機(jī)組各配套1 臺1060 kW 的電加熱器，3、4 號機(jī)組各配套1 臺890 kW 的電加熱器，保證熱一次風(fēng)溫度達(dá)到350～650 ℃；方案2 采用煙氣加熱，1 ～4 號機(jī)組各設(shè)置1 臺氣氣換熱器，高溫?zé)煔獬槿↑c(diǎn)位于低溫過熱器水平段前轉(zhuǎn)向室，1、2 號機(jī)組所需煙氣量約7000 m3/h，3、4 號機(jī)組所需煙氣量約6000 m3/h；1、2 號機(jī)組加熱系統(tǒng)配套氣氣換熱器換熱面積約550 m2，3、4 號機(jī)組加熱系統(tǒng)配套氣氣換熱器換熱面積約450 m2，換熱器功率與采用電加熱器相當(dāng)?？紤]到該電廠設(shè)計(jì)灰分達(dá)到40 g/m3，一次風(fēng)煙道內(nèi)積灰較多的現(xiàn)狀，方案3 和方案4 采用自然風(fēng)作為稀釋風(fēng)，通過在1 ～4 號機(jī)組SCR出口煙道內(nèi)各設(shè)置2 臺管式換熱器將稀釋風(fēng)加熱至180 ℃左右，現(xiàn)有稀釋風(fēng)機(jī)壓頭不足，每臺機(jī)組更換2 臺。 因管式換熱器加熱風(fēng)量較少，其吸熱導(dǎo)致煙氣溫度的降幅極小，對下游設(shè)備的影響可忽略不計(jì)。 管式換熱器滿足耐高溫、耐磨損等工作環(huán)境要求。

方案1 和方案2 每臺機(jī)組配置1 套尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)，各對應(yīng)1 臺熱解爐，熱解爐本體采用304 不銹鋼，每臺熱解爐配有6 只尿素溶液霧化噴槍，噴槍采用316L不銹鋼，霧化空氣采用儀用壓縮空氣，相應(yīng)每套熱解制氨系統(tǒng)設(shè)置1 只壓縮空氣儲罐，容積6 m3。 方案1 和方案2 中1、2 號機(jī)組液氨耗量均為251 kg/h，3、4 號機(jī)組液氨耗量均為210 kg/h，考慮預(yù)留10%的裕量，1、2 號機(jī)組每套熱解制氨系統(tǒng)出力不低于276 kg/h；3、4號機(jī)組每套熱解制氨系統(tǒng)出力不低于231 kg/h。方案3 和方案4 水解制氨系統(tǒng)采用公用制，全廠共設(shè)3 臺水解反應(yīng)器（2 用1 備），每臺水解器的容量按氨耗量較大的2 臺機(jī)組在BMCR工況下用氨量的110%考慮，即每臺水解器產(chǎn)氨量為552 kg/h；水解產(chǎn)生的混合氣通過水解反應(yīng)器上部的汽水分離器分離后經(jīng)成品氣管匯于環(huán)型母管，環(huán)型母管與4 臺機(jī)組提供含氨混合氣的管路連接；水解反應(yīng)器本體集成氨氣緩沖空間，其反應(yīng)速率能跟上機(jī)組負(fù)荷的變化，材質(zhì)采用316 L不銹鋼，為撬裝結(jié)構(gòu)；水解反應(yīng)的熱源采用溫度約165 ℃、壓力約0.7 MPa的飽和蒸汽，汽源引自冷再，配備2 臺減溫減壓器（1 用1 備）；水解反應(yīng)區(qū)設(shè)有疏水箱1 只，容積50 m3，采用不銹鋼材質(zhì)，配備疏水泵2 臺（1用1 備），流量50 m3/h，揚(yáng)程40 m，為不銹鋼離心泵；單臺水解器單次排污量約為0.2 m3（1 周1 次）。

方案4 設(shè)置1 套催化劑溶解與制備裝置為全廠水解制氨系統(tǒng)提供催化劑，包含催化劑溶解罐1只，容積3 m3，催化劑泵2 臺（1 用1 備），流量5 m3/h，揚(yáng)程90 m，均為不銹鋼材質(zhì)。 催化劑的補(bǔ)充在水解器定期排污后進(jìn)行，其在水解反應(yīng)器溶液中的質(zhì)量占比為7% ～10%［3］。 目前尿素催化劑水解技術(shù)在150 ～600 MW 機(jī)組上均有成功應(yīng)用案例［9］。

方案3 和方案4 每臺機(jī)組設(shè)置2 套氨氣計(jì)量分配模塊，對進(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% ～110%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)模塊包含自動關(guān)斷閥、調(diào)節(jié)閥組、質(zhì)量流量計(jì)、溫度測點(diǎn)等。

方案1 和方案2 的熱解爐出口處為溫度不低于350 ℃的含NH3混合氣［17］，為防止尿素結(jié)晶，熱解爐出口至噴氨格柵前管道均進(jìn)行嚴(yán)格保溫；由于改造后混合氣管路實(shí)際狀態(tài)氣體流量較改造前增加1 倍，對熱解爐出口至噴氨格柵的整個(gè)氣流管路進(jìn)行改造，同時(shí)為了保證NH3與煙氣的混合效果，噴氨格柵也進(jìn)行相應(yīng)改造，設(shè)計(jì)成多分區(qū)、多噴嘴的布置；鑒于該電廠脫硝出口與總排口NOx濃度在線數(shù)據(jù)偏差較大，結(jié)合噴氨格柵改造，采用數(shù)值模擬方法對1 -4 號機(jī)組反應(yīng)器內(nèi)部導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，啟機(jī)后通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)降低脫硝出口NOx濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差至10%以下［22］。 方案3 和方案4 中稀釋風(fēng)加熱至180 ℃與含NH3混合氣混合稀釋進(jìn)入氨空混合器及噴氨格柵，實(shí)際狀態(tài)稀釋風(fēng)量較原設(shè)計(jì)約增加50%，需對稀釋風(fēng)管道、氨/空氣混合器、氨氣分配集箱和噴氨格柵前相關(guān)連接管道進(jìn)行改造和保溫，每臺機(jī)組更換2 套氨空混合器；熱稀釋風(fēng)管道采用碳鋼材質(zhì)，流速范圍為15 ～25 m/s；氨空混合器采用316 L不銹鋼材質(zhì)，其出口至噴氨格柵前管道和氨氣分配集箱采用碳鋼材質(zhì)，相關(guān)連接管道設(shè)計(jì)流速15 m/s；考慮到改造后氨噴射速度增加50%以上，對噴氨格柵進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)成多分區(qū)、多噴嘴的布置；流場優(yōu)化改造方法同方案1 和方案2。

3.4 改造工程量比較

4 種改造方案的工程量主要涉及尿素溶液制備與儲存系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)、制氨系統(tǒng)、催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)、氨氣計(jì)量分配模塊、混合氣管路系統(tǒng)、噴氨混合系統(tǒng)、伴熱系統(tǒng)、現(xiàn)有氨區(qū)系統(tǒng)拆除以及電氣、熱控、土建部分。

方案1 和方案2 的相同之處：尿素溶液制備與儲存系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)、制氨系統(tǒng)、混合氣管路系統(tǒng)、噴氨混合系統(tǒng)、伴熱系統(tǒng)、現(xiàn)有氨區(qū)系統(tǒng)拆除等部分改造內(nèi)容；方案1 和方案2 的主要不同之處：在稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)方面，前者新增電加熱器，后者新增氣氣換熱器；在電氣、熱控方面，前者新增2 臺額定容量為2000 k VA低壓干式變壓器、2 臺額定容量為2500 kVA的低壓干式變壓器及4面6 kV真空斷路器柜，后者無該新增內(nèi)容；在土建方面，前者在1、2 號爐之間以及3、4 號爐之間各新增1 個(gè)脫硝低壓配電室，后者新增氣氣換熱器支撐和固定用鋼支架。 方案3 和方案4 絕大部分改造內(nèi)容一致，主要不同點(diǎn)在于前者未設(shè)催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)，后者新增催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)。熱解和水解方案的最大不同之處：在稀釋風(fēng)及稀釋風(fēng)加熱系統(tǒng)方面，前者不需要稀釋風(fēng)機(jī)，新增電加熱器或氣氣換熱器用于加熱熱一次風(fēng)，后者新增稀釋風(fēng)機(jī)，新增管式換熱器用于加熱自然風(fēng)；在制氨系統(tǒng)方面，前者新增尿素?zé)峤鉅t，后者新增水解反應(yīng)器。 水解反應(yīng)器為撬裝結(jié)構(gòu)，安裝簡便，熱解爐采用單元制安裝在對應(yīng)鍋爐鋼架上，施工難度較大。 當(dāng)熱解采用氣氣換熱器時(shí)，由于換熱器體積較大，需要核算鍋爐尾部和脫硝區(qū)域的鋼架強(qiáng)度和空間大小，停爐施工的時(shí)間較長。 因此，結(jié)合結(jié)合技術(shù)分析，可以看出4 種改造方案的工程量排序?yàn)榉桨? ＞方案1 ＞方案4 ＞方案3，總體上4 種改造方案的工程量相差不大。

3.5 適應(yīng)能力比較

4 種改造方案的適應(yīng)能力比較如表2 所示，方案1 和方案2 在響應(yīng)負(fù)荷變化能力和環(huán)境適應(yīng)性方面優(yōu)于方案3 和方案4；方案3 和方案4 在適應(yīng)低負(fù)荷能力方面優(yōu)于方案1 和方案2；4 種改造方案均存在堵塞風(fēng)險(xiǎn)，但采用公用制的水解方案3 和方案4 設(shè)有備用水解反應(yīng)器，運(yùn)行可靠性略優(yōu)于采用單元制的熱解方案1 和方案2［23］；方案4 相較于方案3，在響應(yīng)負(fù)荷能力方面優(yōu)勢明顯。

表2 4 種改造方案適應(yīng)能力比較

3.6 經(jīng)濟(jì)分析

4 種改造方案的投資估算、能耗和物耗及運(yùn)行成本分析分別如表3 -表5 所示。 由表3 可知，方案2 總的靜態(tài)投資較方案1 高1515 萬元，主要是由于熱解解稀釋風(fēng)在獲取相同熱量的條件下增設(shè)氣氣換熱器的設(shè)備投資遠(yuǎn)高于增設(shè)電加熱器的投資；方案4 總的靜態(tài)投資較方案3 高94 萬元，主要是由于方案4 增設(shè)的水解反應(yīng)器設(shè)備費(fèi)用較普通水解反應(yīng)器高，且催化劑溶解供應(yīng)系統(tǒng)也增加一部分投資。 總體來看，方案2 投資最高，方案4 次之，方案1 和方案3 最低且兩者基本持平。

表3 4 種改造方案投資估算分析

由表4 可知，方案1 和方案2 在能耗和物耗差異方面主要體現(xiàn)在電加熱器多出的能耗；方案3 和方案4 在能耗和物耗差異方面主要體現(xiàn)在催化劑多出的物耗；尿素?zé)峤夥桨改芎暮臀锖闹饕性谶€原劑和電能消耗上，尿素水解方案能耗和物耗主要集中在還原劑和低壓蒸汽消耗上。 總體上來看，方案1 的能耗和物耗水平最高，方案3和方案4 次之且兩者基本持平，方案2 最低。

表4 4 種改造方案能耗和物耗分析

由表5 可知，方案2、方案3 和方案4 運(yùn)行成本相近，均明顯低于方案1，方案1 的運(yùn)行成本約為其余3 種方案運(yùn)行成本的1.4 倍；方案2 高出方案1 的總投資在4 年之內(nèi)能夠通過較低的年運(yùn)行成本進(jìn)行抵償。

表5 4 種改造方案運(yùn)行成本分析

4 結(jié) 論

（1）方案1 和方案2 中1、2 號機(jī)組每套熱解制氨系統(tǒng)出力不低于276 kg/h；3、4 號機(jī)組每套熱解制氨系統(tǒng)出力不低于231 kg/h；方案3 和方案4 中設(shè)3 臺水解反應(yīng)器，單臺產(chǎn)氨量552 kg/h。

（2）4 種改造方案的工程量排序?yàn)榉桨? ＞方案1 ＞方案4 ＞方案3，總體上4 種改造方案的工程量相差不大。

（3）方案1 和方案2 在響應(yīng)負(fù)荷變化能力方面優(yōu)于方案3 和方案4；方案3 和方案4 在適應(yīng)低負(fù)荷能力和運(yùn)行可靠性方面優(yōu)于方案1 和方案2；方案4 相較于方案3，在響應(yīng)負(fù)荷能力方面優(yōu)勢明顯。

（4）方案2 投資最高，方案4 次之，方案1 和方案3 最低且兩者基本持平；方案2 投資高的主要原因是氣氣換熱器設(shè)備投資較高。

（5）熱解方案能耗和物耗主要集中在還原劑和電能消耗上，尿素水解方案能耗和物耗主要集中在還原劑和低壓蒸汽消耗上；方案1 的能耗和物耗水平最高，方案3 和方案4 次之且兩者基本持平，方案2 最低。

（6）除方案1 外其余3 種方案運(yùn)行成本相近，方案1 的運(yùn)行成本約為其余3 種方案的1.4倍；方案2 高出方案1 的總投資在4 年之內(nèi)能夠通過較低的年運(yùn)行成本進(jìn)行抵償。

（7）火電廠在選擇液氨改尿素工藝路線時(shí)應(yīng)根據(jù)機(jī)組規(guī)模、工程設(shè)計(jì)參數(shù)、不同尿素制氨工藝的技術(shù)特點(diǎn)、現(xiàn)場空間條件、改造工程量、總投資費(fèi)用、能耗物耗水平及運(yùn)行成本等進(jìn)行綜合分析和決策。