燃煤電廠脫硝系統(tǒng)液氨改尿素技術(shù)研究

某燃煤電廠一期1、2號機組額定容量為2×350MW，分別于2001年6月、12月投入商業(yè)運營；二期3、4號機組額定容量為2×660 MW，分別于2009年6月、12月相繼投產(chǎn)。由于液氨進廠運輸?shù)缆芳皬S邊村莊密集，途徑省道存在道路窄容易發(fā)生堵車使運輸車輛滯留問題，廠周圍存在多處環(huán)境敏感點，隨著安全形勢要求的提高，該電廠加緊落實還原劑替代整改，進行脫硝還原劑尿素工藝改造，停止使用液氨。

SCR脫硝反應可用氨氣作為還原劑，氨氣可直接來自液氨加熱汽化，也可通過氨水蒸發(fā)或者尿素分解間接制備。液氨制氨工藝在國內(nèi)普遍應用，因其初投資及運行費用均較低，是當前國內(nèi)SCR還原劑制氨的主流工藝，但液氨是有毒化學品(GB12268-90規(guī)定之23003號危險有毒物品)，生產(chǎn)場所儲存量超過10噸時，按《重大危險源辨識》(GB18218-2009)規(guī)定屬于重大危險源。隨著國家對安全的日益重視，以及一系列相關(guān)限制措施的出臺，尿素制氨以其安全可靠特點在電廠SCR煙氣脫硝裝置上被廣泛應用。尿素(CH4N2O)不屬于危險產(chǎn)品，便于運輸和儲存并且使用安全，受熱分解即可制成氨氣。

1 尿素制氨技術(shù)

從國內(nèi)應用情況來看，當電廠處于人口密集區(qū)，或其廠內(nèi)用地緊張難以滿足危險品儲存的安全距離要求，或者液氨的采購及運輸路線有很大困難時，為克服燃煤電廠煙氣脫硝使用液氨存在的安全性問題，尿素制氨工藝被開發(fā)出來，尿素系統(tǒng)比較復雜、投資和運行成本高于液氨系統(tǒng)，但是其最大的優(yōu)勢是安全性高。制氨系統(tǒng)由尿素顆粒儲存和溶解系統(tǒng)、尿素溶液儲存和輸送系統(tǒng)及尿素分解系統(tǒng)組成。根據(jù)尿素制氨工藝的不同，分為熱解技術(shù)和水解技術(shù)。

1.1 熱解制氨技術(shù)

尿素熱解法制氨系統(tǒng)主要設(shè)備包括尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液儲罐、供液泵、計量和分配裝置、背壓控制閥、絕熱分解室(內(nèi)含噴射器)煙氣換熱器或電加熱器及控制裝置等。儲存于儲倉的尿素顆粒由螺旋給料機輸送到溶解罐，用去離子水溶解成質(zhì)量分數(shù)約為50%的尿素溶液，通過給料泵輸送到儲罐；之后尿素溶液經(jīng)給料泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入高溫分解室，在350℃～650℃分解生成NH3、H2O和CO2，分解產(chǎn)物經(jīng)氨噴射系統(tǒng)進入SCR系統(tǒng)。其化學，反應方程式：

根據(jù)化學動力學分析，上述反應式(2)需要在催化劑存條件下才能發(fā)生。但一般熱解工藝中，熱解爐內(nèi)沒有設(shè)置催化劑。因此，在熱解室內(nèi)只進行式(1)所示反應，式(2)反應會在SCR反應器中進行。這會降低NH3產(chǎn)量，增加尿素消耗量。

1.2 水解制氨技術(shù)

普通尿素水解制氨系統(tǒng)主要設(shè)備有尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液儲罐、尿素溶液給料泵及尿素水解制氨模塊等。尿素顆粒加入到溶解罐，用去離子水將其溶解成質(zhì)量分數(shù)為40%-60%的尿素溶液，通過溶解泵輸送到儲罐；之后尿素溶液經(jīng)給料泵、計量與分配裝置進入尿素水解制氨反應器，在反應器中尿素水解生成NH3、H2O和CO2，產(chǎn)物經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)進入SCR脫硝系統(tǒng)。其化學反應式為：

水解反應器內(nèi)的尿素溶液濃度可達到40%～50%，氣液兩相平衡體系的壓力約為0.48 MPa～0.6 MPa，溫度約為150℃～170℃。水解反應器中產(chǎn)生出來的含氨氣流先進入計量模塊，然后被鍋爐熱一次風稀釋后進入氨氣-煙氣混合系統(tǒng)。飽和蒸汽通過盤管的方式進入水解反應器，飽和蒸汽不與尿素溶液混合，通過盤管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。該反應是尿素生產(chǎn)的逆反應。反應速率是溫度和濃度的函數(shù)。反應所需熱量可由電廠輔助蒸汽或電加熱提供。

1.3 兩種技術(shù)對比

兩種技術(shù)對比如表1所示。

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2 尿素法脫硝設(shè)計

在燃用當前常用煤質(zhì)條件下，查看煙氣量的歷史數(shù)據(jù)與實測結(jié)果的對比分析，考慮到機組未來的燃煤的適應性以及脫硝運行的可靠性，本次尿素改造工程的煙氣量設(shè)計參數(shù)與超低排放改造確定的煙氣量保持一致，進行尿素量計算和運行成本估算。一期機組SCR脫硝入口濃度原設(shè)計700 mg/m3，出口NOx濃度為40 mg/m3(集團要求不超過40 mg/m3為達標)，煙氣流量為1179300m3/h(標態(tài)，干基，6%O2)計算供氨量。二期機組SCR脫硝入口濃度原設(shè)計650 mg/m3，出口NOx濃度為40 mg/m3，煙氣流量為2153700 m3/h(標態(tài)，干基，6%O2)計算供氨量。經(jīng)計算：電廠超低排放改造運行一期2×350 MW機組至少需液氨耗量為581 kg/h，二期2×660 MW機組氨耗量為981 kg/h，四臺機組總氨耗量為1561 kg/h。相應計算尿素耗量，一期兩臺機組尿素需求量為1024.7 kg/h，二期兩臺機組尿素需求量為1730.9 kg/h，四臺機組總尿素耗量為2756 kg/h，尿素年消耗總量為15156噸。

首先根據(jù)煙氣量的歷史數(shù)據(jù)與實測結(jié)果的對比分析，考慮到機組未來的燃煤的適應性以及脫硝運行的可靠性，本次尿素改造工程的煙氣量設(shè)計參數(shù)與超低排放改造確定的煙氣量保持一致，進行了尿素量計算，并以此為基礎(chǔ)進行了參數(shù)的布置。然后分別對尿素水解工藝方案和尿素熱解工藝方案進行了系統(tǒng)的介紹，對兩種制氨工藝過程中存在的問題做了對比分析。

3 投資估算及經(jīng)濟評價

3.1 投資估算原則

(1)概算編制辦法、費用構(gòu)成及計算標準、費用性質(zhì)和項目劃分辦法執(zhí)行國家能源局2013年發(fā)布的《火力發(fā)電工程建設(shè)預算編制與計算規(guī)定(2013版)》及有關(guān)文件。

(2)定額：執(zhí)行電力工程造價與定額管理總站定額[2016]45號"關(guān)于發(fā)布電力工程計價依據(jù)營業(yè)稅改征增值稅估價表的通知"發(fā)布的《2013年版電力建設(shè)工程定額估價表》建筑工程、熱力設(shè)備安裝工程、電氣設(shè)備安裝工程、調(diào)試工程、通信工程。

(3)材料價格：安裝工程裝置性材料價格按照《電力建設(shè)工程裝置性材料綜合預算價格》(不含稅版)計列，不足部分采用《電力建設(shè)工程裝置性材料預算價格》(不含稅版)，并計算主要材料市場價格(《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(2016年水平)》)與預算價格之間的價差。

(4)人工費調(diào)整：按照電力工程造價與定額管理總站定額[2016]50號"關(guān)于發(fā)布2013版電力建設(shè)工程概預算定額2016年度價格水平調(diào)整的通知"附件1"電力建設(shè)工程概預算定額人工費調(diào)整系數(shù)匯總表"中的河南省系數(shù)調(diào)整。

(5)上網(wǎng)電價：《國家發(fā)展改革委關(guān)于降低燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價和工商業(yè)用電價格的通知》(發(fā)改價格【2015】748號)及2016年6月1日起開始執(zhí)行的《河南省關(guān)于2016年電價調(diào)整問題的通知》。

3.2 投資估算結(jié)果

針對1～4號機組SCR脫硝尿素制氨改造工程，進行了工程投資估算，結(jié)果匯總于表1:

(1)尿素水解制氨方案的工程總投資為4238萬元，單位投資為21元/k W。其中，水解制氨系統(tǒng)改造投資3761萬元，其它費用317萬元。

(2)尿素熱解制氨方案的工程總投資為5375萬元，單位投資為27元/k W。其中，熱解制氨系統(tǒng)改造投資4756萬元，其它費用392萬元。

(3)針對本工程，從初次投資角度看尿素水解方案總投資為4238萬元，尿素熱解方案(煙氣換熱器+輔助電加熱工藝)的總投資為5375萬元，在考慮了折舊后的水解方案的運行成本也低于尿素熱解方案，故推薦采用尿素水解制氨方案。

3.3 經(jīng)濟評價

還原劑改造工程的運行成本主要包括變動成本、固定成本、財務(wù)費用等，其中變動成本和固定成本主要為：

(1)變動成本包括還原劑、廠用電、蒸汽、除鹽水等。

(2)固定成本包括資產(chǎn)折舊、運行管理人員工資、設(shè)備檢修預備費等。

主要，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

(1)機組年利用時間這里按5500小時計。

(2)年運行維護及材料費按照設(shè)備費用的2.0%計算。

(3)增加定員：本改造工程利用現(xiàn)有SCR氨站工作人員不增加定員。

(4)耗品價格：尿素1800元/噸、上網(wǎng)電價0.365元/k W.h、低壓蒸汽170元/噸。

(5)資產(chǎn)折舊年限為15年，殘值率5%，采用等額直線折舊法計算。

(6)5年以上銀行貸款利率為4.90%。

根據(jù)以上主要計算參數(shù)，測算出煙氣脫硝系統(tǒng)的年運行成本，尿素水解制氨方案4臺機組年運行成本為3562萬元，單位供電成本增加0.0035元/k W.h。變動成本中尿素消耗量成本為2718萬元，當二期機組低氮燃燒器改造完成后SCR入口NOx穩(wěn)定運行在450 mg/m3時，此項成本將會明顯節(jié)約。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)對尿素直噴熱解法、尿素熱解法(煙氣換熱輔助電加熱工藝)、尿素催化水解法及普通尿素水解法等多個工藝的技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，最終采用尿素水解制氨方案。

(2)尿素水解制氨改造工程靜態(tài)投資為4238萬元，單位投資為21元/k W。其中，水解制氨系統(tǒng)改造投資3761萬元，其它費用317萬元。四臺機組年運行成本為3562萬元，單位供電成本增加0.0035元/k W.h。