锅炉脱硝装置液氨改尿素可行性研究及实际应用

徐州发电有限公司 时世明 徐州华鑫发电有限公司 胡 伟

1 尿素水解制氨可行性研究

液氨是一种急性毒性、易挥发、易腐蚀、刺激皮肤的易燃物质，在使用和运输中极易发生火灾、爆炸、人员中毒、灼烫等事故，液氨临界储存量大于或者等于10t 属于重大危险源，两个电厂氨站储氨量都大于临界量，均属重大危险源。

根据国家政策及相关文件规定要求，在2019年8月两个电厂启动了液氨重大危险源替代改造可行性研究工作。

尿素（CH4N2O），又称二氨基碳酰胺（Carbamide），尿素是一种无毒无味的有机化合物，一般晶体呈现微弱的偏碱性，其物理性和化学性较稳定，尿素不属于危险化学品，便于进行交通运输和方便物料储存并且使用安全可靠，受热分解即可制成氨气。近年来，随着燃煤火力电厂尿素水解技术工艺逐步实现国产化，水解加热工艺的日益成熟，运行和维护费用也将大大降低，尿素水解反应制氨工艺在国内国外多家火力电厂脱硝脱氮中已经成功得到了广泛应用。电厂尿素水解技术工艺制氨，初期工程成本相对较高，但由于水解工艺所需温度较低，除去亚硝酸盐水后又可连续重复使用，能耗远远要低于尿素热解工艺制氨，当火力发电厂拥有多台机组时，优势更为明显。目前在国内已有较多的应用业绩，实现了水解技术和产品的国产化，投资成本明显降低。总而言之，尿素水解制氨技术工艺的日益成熟，其投资及运行费用降低，已在国内多家燃煤电厂分别得到推广。

2 尿素制氨技术方案比选

根据目前采用制氨操作技术的不同，可以细分两类：尿素热解工艺制氨和尿素水解工艺制氨。

尿素热解工艺技术制氨时，本工程因锅炉尾部烟道空间有限，换热器安装在炉内要占用很大空间，还需要考虑防磨问题，所以烟气换热器不适宜在炉内安装布置。假如烟气换热器在炉外布置时：换热器就必须布置在锅炉本体尾部区域钢梁上，需重新计算锅炉荷载和空间，且一台炉对应一套尿素热解工艺系统，此技术方案主要需增加烟气换热器成套设备，还需对受热区域钢梁的整体结构进行重新核算和结构改造，所以烟气换热器也不适宜在炉外布置[1]。

尿素水解工艺技术制氨时，从运行安全可靠性考虑，采用公用制，多母管供氨，并设置备用水解反应器。水解器制成的氨气至炉侧时需经热风（不低于160℃）稀释后，进入喷氨系统，沿程管道做好伴热保温措施。

综合考虑尿素热解制氨和尿素水解制氨两种改造方案的施工工期、总投资和运行成本等因素，考虑到热解方案停炉工期长约2个月以上，钢架上布置施工需要核算加固钢架且改造工作量多，热解设备安装空间受限，施工难度大，徐州发电有限公司、华鑫发电有限公司液氨改尿素工程均采用尿素水解制氨技术方案。

3 主要技术原则

参照《火力发电厂脱硝还原剂液氨改尿素项目可行性研究报告内容深度规定》的要求，脱硝还原剂液氨改尿素工程可行性研究从现有脱硝装置及氨区实际运行情况出发，提出尿素制氨工艺技术可靠、经济合理的改造方案，做到“范围明确、重点突出、便于实施”的原则。

满足脱硝系统还原剂要求，根据现役机组脱硝系统运行要求，确定尿素工艺制氨总出力；合理确定设备规格，做到技术可靠、运行经济、合理选型；对锅炉脱硝装置运行影响降低达到最低，工程改造方案应当依据实际情况，妥善处理与在运机组不衔接的关系，减少工程施工中对发电机组正常运行的直接影响，确保在运燃煤机组安全稳定运行；合理确定占地面积，设备布置紧凑、适度，符合相关土地利用政策；较液氨工艺，在技术选择上大幅度提高安全程度，降低安全风险，达到本次改造降低安全风险目的；与本工程有关的基础参数和数据资料，技术人员根据电厂运行人员提供的数据，进行综合研究分析，并与技术专家充分沟通协商后确定，确保基础参数和资料的可靠性[2]。

4 尿素水解技术

尿素水解制氨的化学反应方程式如下：

CO(NH2)2＋H2O→NH2COONH4

NH2COONH4→CO2＋2NH3

尿素水解反应制氨系统主要设备装置组成：尿素水解混合反应装置、尿素溶液输送泵、及尿素计量软件模块、疏通排水排污系统、废水处理系统等。尿素水解颗粒由动力提升机输送到尿素溶解罐，用去氯离子水将其加热溶解后生成一定浓度（浓度约为40%-60%）的普通尿素水解溶液，用输送进料泵将其送到尿素溶液储罐，然后尿素溶液再经给料泵、计量装置、分配装置喷出进入水解制氨混合反应器，水解生成氨气、水和二氧化碳，含有一定氨量的气体由喷射处理系统喷出，最后进入锅炉脱硝处理系统，来达到脱硝脱碳目的[3]。

5 尿素水解制氨技术方案

5.1 技术参数

5.1.1 烟气量确定

参考脱硝技术协议中设计烟气量，对目前实际燃烧煤质计算，确定此次工程改造烟气量约为1054976m3/h(在标准状态下)。

5.1.2 脱硝进出口NOx 浓度确定

在本次液氨改尿素现场边界条件数据采集时，调取了#1机组2020.03-2020.11脱硝现场入口和出口CEMS 数据，通过数据分析我们可以初步发现：SCR 入口NOx 浓度和设计值相比没有较大变化，#1、#2机组SCR 入口NOx 浓度基本上都在40mg/Nm3以下，部分时段超40mg/Nm3。结合脱硝参数设计值和实际运行情况，本次改造选取SCR 入口NOx 设计浓度为40mg/Nm3。考虑到环保排放标准日趋严格，SCR 出口NOx 设计浓度30mg/Nm3。

5.1.3 设计基本参数

通过以上烟气量及SCR 进出口浓度的确定，经计算，在BMCR 工况下，本工程尿素理论消耗量如表1。

表1 华鑫发电有限公司氨耗量与尿素需求量

经计算，徐州华鑫发电有限公司2×330MW 机组超低排放标准运行需液氨用量为312kg/h，对应核算尿素用量约为560kg/h，每年使用尿素量约为2905吨。

5.2 尿素站系统设备

5.2.1 斗提机系统

本项目设置1套斗提机上料系统，输送能力约为25t/h。

斗提机输送系统主要作用：利用均匀固定在牵引传动构件上的一系列料斗，经输送装置竖向传动提升尿素物料，包括：驱动斗提机系统主体、驱动推进电机、减速装置和传动料斗等。输送系统中采用减速器，并设有止逆装置，输送装置结构合理，柔性传动得到了很好体现，传动装置不仅能平稳运行，而且使减速电机及牵引件等得到很好的保护，尿素物料在停机时也能保持稳定状态。斗式提升机下部采用螺栓调整装置，用螺栓进行微调可保证底轮两边的平衡，确保在运行过程中皮带不会出现跑偏的现象。

5.2.2 尿素溶液制备系统

（1）尿素溶解罐。本工程项目设有1个尿素溶解罐，溶解罐容量为60m3。采用斗提机把尿素输送到尿素溶解罐内，在尿素溶解罐中，用除盐水配制成60%的尿素溶液。如果尿素溶液温度偏低时，启动蒸汽快速加热该系统来提供尿素溶液所需热量，预防尿素溶液出现结晶。加热盘管材料一般采用316L 高级不锈钢。溶解罐设有水流量和温度控制系统，还采用尿素溶液溶解泵将尿素溶液从储罐底部向侧部进行循环，使尿素溶液很好地混合溶解。

（2）尿素溶液溶解泵。溶解罐设置2台尿素溶液溶解泵，1运1备。尿素在溶解罐中连续进行化学溶解时，利用溶解泵和循环管道将尿素溶液充分溶解，待尿素溶液配置成需要的浓度后，通过输送泵把符合要求的溶液输送到尿素溶液存储罐。

（3）尿素溶液储罐。尿素溶液由输送泵打入尿素溶液储罐。设置2个尿素溶液储罐，每个容量为90m3，总容量满足2台机组满负荷运行7天（每天24小时）用量设计。储罐罐体用优质316L 不锈钢复合材料焊接制成，加热管材料采用316L 不锈钢。储罐构造形式为立式结构，并分别装有液位显示仪、温度测量装置、排污装置、梯子、通气口及加热装置等，并分别设有尿素溶液加热系统以及管道伴热装备，确保溶液温度高于结晶温度。

（4）尿素溶液输送泵。设置2台尿素溶液输送泵，1运1备。主要作用把尿素溶液打到水解反应器中。本工程项目采用卧式离心泵，并配置过滤器。

5.2.3 尿素水解反应系统

按照《火力发电厂脱硝系统设计技术规范》规定，尿素水解装置宜为公用系统，1台使用，1台备用，水解装置制氨总量要求：应能够满足在最大负荷下的氨总量需要。

本次改造工程设有2台水解器，运行期间一运一备，当两台机组负荷都达到85%以上时，两个水解器同时投运。

水解化学反应器主体材质全部采用316L 高级不锈钢，不再需要额外使用防腐防蚀措施即可满足不同客户的需求。

5.2.4 疏水系统

尿素处理车间内设一个疏水箱，两台疏水泵，疏水泵为一用一备。疏水泵应满足输送高温水的要求，疏水泵采用卧式离心泵。疏水箱容量不小于单个溶解罐容量的一半。疏水箱、泵体均采用304材料。

5.2.5 废水系统

尿素处理车间设置一个地坑和两台排污泵，排污泵一运一备。坑内保持清洁卫生，不允许发生冒汽漏水现象。地坑排气设备设置至室外，坑内顶层设置空气雾化、水雾化等系统。

5.2.6 氨气计量装置

本工程每台机组设有一套氨气脱硝计量调节装置，以充分满足氨气脱硝装置在燃煤锅炉40%～100%BMCR 之间任何一个负荷区间运行的性能要求。氨气调节装置需设有伴热系统，流量检测、调节系统模块（自动打开关闭阀、调节器和阀控装置、流量检测仪、温度检测点）等。

5.2.7 稀释风机

根据水解系统要求，稀释风需要加热至170℃以上，用以保证混合气体的温度不低于规定温度值，防止氨气发生逆反应重新生成尿素。本工程#1、2机组原稀释风机风量4210Nm3/h，全压6900Pa，此次改造每台炉脱硝装置运行时所需氨气量为161kg/h，每台机组需稀释风量为3520Nm3/h，全压9000 Pa，原稀释风机压头不能满足要求，需进行更换。本改造工程采用稀释风烟气加热的方案，利用烟气对稀释风进行加热。

6 社会效益

氨是有毒有机化学物质，会造成很多受害人急、慢性呼吸道感染中毒，严重时极有可能会导致人员中毒死亡。其中液氨的大量输送、卸料、贮存均同时存在重大生产安全隐患，液氨泄漏后可能造成重大影响或事故，社会影响突出，影响社会安全稳定；采用尿素制氨可避免该危险性、可保证电厂工作人员人身安全及发电生产安全稳定、消除液氨运送对沿途城市、乡村居民的危险性，具有重大的社会效益。