火电厂SCR脱硝还原剂技术经济比较

姜艳靓，朱 林，王可辉，王娴娜

(1.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏南京 210044;2.国电环境保护研究院，江苏南京 210031)

0 引言

NOx是大气主要污染物之一，对人体健康构成威胁。2012年我国NOx排放2337万t，其中火电厂占全国NOx总排放量的42%［1］，控制其排放十分重要。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)规定自2014－07－01起现有的火力发电锅炉和燃气轮机机组执行100mg/m3的NOx排放限值。因为低氮燃烧技术的脱硝效率一般在50%以下，单一采用不能满足排放标准，所以火电机组均需采用烟气脱硝技术，增设烟气脱硝系统［2］。

烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)和SNCR/SCR混合法。其中，SCR技术成熟且脱硝效率高，在国内应用更广泛［3－4］。SCR工艺中脱硝还原剂的选择非常重要，直接影响到整个脱硝工程的经济指标和安全性。SCR最常用的脱硝还原剂主要有液氨、尿素和氨水等3种。氨水因其采购浓度仅为25%，属于危险药品且运行费用最高，国内SCR烟气脱硝系统中很少应用。针对上述情况，本文主要从技术成熟性、安全性和经济性等3个方面来分析和比较液氨和尿素等2种脱硝还原剂。

1 技术比较

目前国内制氨法主要有液氨法和尿素法，尿素法又可分为水解法和热解法两种。液氨法工艺流程为:液氨在蒸发器内蒸发为氨气，送到氨气缓冲槽备用［5］。尿素水解法主要有三种技术:U2A、AOD和SafeDeNOx技术［6－8］，目前国内电厂主要是采用U2A 水解工艺［9］。

尿素热解法的典型代表是美国Fuel Tech公司的NOxOUT ULTRA技术，其反应过程是将高浓度的尿素溶液喷入热解室，在温度为300～650℃热烟气条件下，液滴蒸发得到固态或者熔化态的尿素。纯尿素在加热条件下分解，提供氨［10］。

液氨法和尿素法的技术比较见表1。

表1 纯氨法和尿素法技术比较［11］

从表1可知，液氨法和尿素法的技术都较成熟;液氨法制氨系统简单、响应时间快、无管道堵塞问题;尿素法制氨系统较复杂，其中水解法响应性较差、管道易堵塞。

2 安全比较

液氨是一种有毒、易燃的化学危险品，具有腐蚀性和挥发性，作业场所最高允许浓度为30mg/m3，与空气混合可形成爆炸性混合物，其爆炸上限为27.0%、下限为15.5%。泄漏时可导致中毒，对眼、黏膜和皮肤有刺激性，有烧伤危险［12］。按照《危险化学品重大危险源辨识》(GB 18218－2009)标准规定氨临界储存量大于10t就构成了重大危险源［13］。

此外，由于液氨通常在带压状态下操作，其运输、贮存和安全注意事项应满足《石油化工储运系统罐区设计规程》(SH 3007－1999)及《液体无水氨》(GB 526－1988)规定。卸液氨用软管应满足《输送无水氨用橡胶软管和软管组合件规范》(GB 16591－1996)的要求。《石油化工企业设计防火规范》(GB 50160－2006)关于储罐防火间距的要求，氨站应该距离生产厂房和生产设备20m，距离明火和散发火花地点25m，距离全厂重要设施30m，距离运输道路、厂围墙10m。《危险货物品名表》(GB 12268－1990)氨为有毒气体。

与液氨不同，尿素是一种稳定、无毒的固体物料，不存在爆炸危险、毒性危害和重大危险源等因素，其使用不会对人员和周围环境产生不良影响［15］。尿素作为还原剂可被散装运输并长期储存，在运输、储存及安全距离、布置场地等方面无特殊要求，是一种理想的氨来源［16］。

3 经济比较

脱硝还原剂的成本主要包括两方面的费用:一是消耗还原剂的物料费用;二是运输费用。一般而言，制氨系统中液氨和尿素两种方法物料消耗量比为1∶1.76。按照目前液氨3300元/t，尿素2000元/t计算，两者费用相差不大。运输费用方面，本文不完全统计了19个使用液氨为还原剂的脱硝项目，发现液氨的运输距离一般都较远，50km以上的约占3/4，导致运输管理费用相对较高，但在10km以下的供应源也占到了3个，可见液氨的供应一般有两种形式:一是液氨需要通过较远距离的转运来获得，二是电厂本身就处于工业区，周围就有液氨的供应公司。尿素作为一般的农用肥料可就近购买，火车或汽车运输均可，供应源广泛，因而运输费用相对较低。

在项目初投资、运行成本和电耗上，具体以我国某2×600MW级机组脱硝工程的各项费用比为例，可以发现:以液氨法为基准时，尿素水解和热解法的初期投资大概增加10% ～20%左右［17］，即尿素法制氨的单位千瓦投资较液氨高;液氨法在年运行成本和年电耗成本上费用最低。尿素水解由于部分系统和设备需要进口，因此初期投资较大，但能耗相对热解法为低［16］(见表 2)。

表2 某600MW级机组脱硝工程费用比(以液氨为基准)

综上所述，虽然液氨制氨的原料成本较高，且在实际工程中液氨的储存必须考虑安全性，如需对操作人员进行安全培训、液氨安措管理费用投资等，但使用液氨时只需蒸发即可得到氨蒸汽，工艺相对简便，而尿素法必须要经过热解或水解才能得到氨蒸气，电耗和蒸汽耗量都较液氨大，且能耗所占比例大，因而液氨较尿素仍有较大的经济优势［18］。

部分统计国内近3年的45个脱硝工程的还原剂选用情况，液氨30个、占66.7%，而尿素水解和热解分别为12个和3个，分别占26.7%和6.6%。其中，江苏地区的12个脱硝项目中的11个采用了液氨法。由此可见，目前国内尿素法制氨总体上仍相对较少，其中热解技术有较为成功的使用业绩并已实现部分设备的国产化，水解技术则大多依赖进口设备。针对上述情况，本文进一步对以液氨为还原剂的不同机组容量的改造脱硝项目情况做一比较，其中脱硝效率为80%，制备车间为2台机组公用(见表3)。

表3 火电厂SCR法脱硝费用比较表(以液氨为还原剂)

从表3可知，一般情况下，脱硝还原剂消耗费用占年运行成本的比值基本上在10% ～20%之间，且随机组容量的增大，脱硝消耗的还原剂费用和电耗也增大，但单位kW脱硝的投资费用呈递减关系。进一步不完全统计了不同机组容量的16个脱硝项目，统计结果见图2。由图可知单位千瓦脱硝投资随机组容量明显降低，两者呈负相关关系。

图2 机组容量对单位千瓦脱硝投资的影响

4 结论与建议

(1)液氨法和尿素法技术都较成熟，均适合作为大型火电机组SCR脱硝反应器的氨气制备方法，目前还原剂仍以液氨为主。液氨作为还原剂在初投资和运行费用上都有较大优势，且一般情况下液氨消耗成本占总运行费用比值在10% ～20%之间，单位千瓦脱硝投资与机组容量大小呈负相关关系。

(2)在具有充分的安全运行管理保障措施下或人口稀少的地区，可选用液氨法以节省投资和运行费用;如在人口密集居住区等敏感区域附近的电厂，安全因素更为重要，尿素法则具有一定的优势。

(3)液氨作为还原剂有一定的安全隐患，必须通过安全性评价确认项目的安全性，在公众参与中还将安全问题纳入影响反馈范围。采用尿素法制氨时主要应避免储存过程的板结，防止尿素溶液水解器内发生聚合反应引起管道堵塞。

(4)今后烟气脱硝工程不断投产以及工程安全度的要求提高，尿素的价格可能会随需求量的增加而上升。建议国家通过免征尿素进口增值税等手段抑制市场价格，降低火电烟气脱硝成本。

［1］环保部.废气［EB/OL］.:http://zls.mep.gov.cn/hjtj/nb/2012tjnb/201312/t20131225_265552.htm，2013 －12 －25.

［2］陈镇超.基于尿素还原剂的选择性非催化还原高效脱硝技术的实验研究［D］.杭州:浙江大学，2012.

［3］姚宣，沈滨，郑 鹏，等.烟气脱硝用尿素水解装置性能分析［J］.中国电机工程学报，2013，33(14):38－43.

［4］Svachula J，Ferlazzo N，Forzatti P，et al.Selective reduction of nitrogen oxides(NOx)by ammonia over honeycomb selective catalytic reduction catalysts［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research，1993，32(6):1053 －1060.

［5］马千里.火电厂脱硝系统氨气制备方案比较［J］.华电技术，2012，33(12):58 －59.

［6］崔一尘.尿素水解制氨技术的发展［C］.2008年火电厂环境保护综合治理技术研讨会论文集.2008.

［7］Cooper H B H，Spencer III H W.Methods for the production of ammonia from urea and/or biuret，and uses for NOxand/or particulate matter removal［P］.U.S.Patent:6077491，2000 －06 －20.

［8］Brooks B，Jessup W A，MacArthur B W，et al.Process for quantitatively converting urea to ammonia on demand［P］.U.S.Patent:6761 868，2004 －07 －13.

［9］沈 滨.尿素制氨工艺在SCR烟气脱硝工程中的应用［J］.中国特种设备安全，2010，(1):52 －55.

［10］柏源，李忠华，薛建明，等.尿素为还原剂燃煤烟气脱硝技术的研究与应用［J］.电力科技与环保，2011，27，(1):19 －22.

［11］解永刚，程 慧.火电厂SCR脱硝还原剂的选择与比较［J］.电力科技与环保，2010，(5):32 －33.

［12］刘 军.液氨罐区安全运行问题［J］.河北化工，2010(2):55－56.

［13］赵新文.液氨储罐生产过程中危险性分析及预防措施［J］.氮肥技术，2011，32(4):45 －46.

［14］刘勇.液氨储罐在电厂中的布置问题［J］.电力勘测设计，2008，(5):35－40.

［15］朱冲，耿桂淦，腾建军，等.火电厂脱硝的尿素制氨技术概述［J］.中国环保产业，2012(10):47 －49.

［16］汪家铭.尿素法SCR烟气脱硝技术及其应用前景［J］.合成技术及应用，2013，(1):28 －32.

［17］沈洵.SCR脱硝还原剂的制备技术研究［J］.能源与环境，2011，(4):53.

［18］孙克勤，钟 秦.火电厂烟气脱硝技术及工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2007.