摘要：尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)由于運輸儲存安(an)全方便和(he)對(dui)環境無害的特點(dian),成(cheng)(cheng)為燃煤電廠SCR煙氣脫硝還原劑液氨(an)(an)的可靠替代品。選擇合適的尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)制氨(an)(an)技術是(shi)SCR煙氣脫硝液氨(an)(an)改尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)工(gong)程的關(guan)鍵環節(jie)。通過工(gong)程建模對(dui)比(bi)分析采(cai)用尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)熱解和(he)尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)水解工(gong)藝的投資(zi)費用和(he)運行成(cheng)(cheng)本(ben),采(cai)用熱力學方法分析尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)制氨(an)(an)系統(tong)能耗水平。結果表明:尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)水解投資(zi)略(lve)高于尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)熱解，但其運行成(cheng)(cheng)本(ben)較低(di),技術經濟(ji)性更(geng)優;尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)熱解運行成(cheng)(cheng)本(ben)高的原因主要在于尿(niao)(niao)素(su)(su)(su)轉化率偏(pian)低(di),且(qie)采(cai)用高品質電能作為熱源。

0 引言

《危(wei)(wei)險(xian)(xian)化(hua)學品重大(da)(da)危(wei)(wei)險(xian)(xian)源辨識》（GB 18218—2009）規(gui)定氨的(de)貯存量若超(chao)過10 t 即成為重大(da)(da)危(wei)(wei)險(xian)(xian)源。由于前(qian)期大(da)(da)規(gui)模火(huo)(huo)電(dian)廠(chang)(chang)煙氣脫(tuo)硝(xiao)改造時主要(yao)考慮投資和(he)運(yun)行(xing)(xing)成本(ben)因(yin)素，目前(qian)國內大(da)(da)部分火(huo)(huo)電(dian)廠(chang)(chang)SCR 煙氣脫(tuo)硝(xiao)采用(yong)液氨作(zuo)為還(huan)原(yuan)劑，而(er)液氨儲存量一般(ban)按照滿足全廠(chang)(chang)機組滿負荷工況運(yun)行(xing)(xing)5~7 天所需(xu)進(jin)行(xing)(xing)設計，因(yin)此火(huo)(huo)電(dian)廠(chang)(chang)氨區基本(ben)都屬于重大(da)(da)危(wei)(wei)險(xian)(xian)源。《危(wei)(wei)險(xian)(xian)化(hua)學品重大(da)(da)危(wei)(wei)險(xian)(xian)源監督(du)管(guan)理暫行(xing)(xing)規(gui)定》（國家安(an)全生(sheng)產監督(du)管(guan)理總局(ju)令第40 號）明確要(yao)求(qiu)安(an)全生(sheng)產監督(du)管(guan)理部門應(ying)當(dang)責令重大(da)(da)危(wei)(wei)險(xian)(xian)源存在事(shi)故隱(yin)患的(de)企業(ye)(ye)進(jin)行(xing)(xing)整改乃至(zhi)停產停業(ye)(ye)。

由于安全監(jian)管(guan)形勢日益嚴格，作(zuo)(zuo)為(wei)液氨(an)使用單(dan)位(wei)的(de)火電(dian)廠(chang)(chang)安全管(guan)理工作(zuo)(zuo)壓力逐(zhu)漸加大，火電(dian)廠(chang)(chang)SCR 煙氣脫硝采用液氨(an)作(zuo)(zuo)為(wei)還(huan)原劑越來(lai)越受到質疑，尤其(qi)是位(wei)于人口稠密地區且防火間距不完全達到防火規范(fan)要求的(de)火電(dian)機組。作(zuo)(zuo)為(wei)液氨(an)的(de)替代品，尿素由于其(qi)運輸儲存安全方便和(he)對環(huan)境無害的(de)特點，顯得尤為(wei)合適。

采用(yong)尿素作(zuo)為還原(yuan)劑時，先要(yao)使(shi)尿素溶液受(shou)熱(re)(re)(re)分(fen)解(jie)(jie)(jie)為NH3 和CO2，然(ran)后稀釋混合噴(pen)入SCR 煙道從(cong)而脫(tuo)除煙氣(qi)中的NOx。尿素受(shou)熱(re)(re)(re)分(fen)解(jie)(jie)(jie)制氨的工藝有2 種(zhong)：一種(zhong)為利(li)用(yong)電能(neng)、燃油或天然(ran)氣(qi)燃燒的熱(re)(re)(re)能(neng)加熱(re)(re)(re)分(fen)解(jie)(jie)(jie)霧化的尿素溶液， 即熱(re)(re)(re)解(jie)(jie)(jie)法；另一種(zhong)為使(shi)用(yong)蒸汽加熱(re)(re)(re)尿素溶液使(shi)之汽化分(fen)解(jie)(jie)(jie)，即水解(jie)(jie)(jie)法[10]。尿素熱(re)(re)(re)解(jie)(jie)(jie)和水解(jie)(jie)(jie)工藝在國(guo)內均有應用(yong)業(ye)績(ji)，其(qi)技術成熟(shu)可(ke)靠(kao)。

本(ben)文以某電廠2×600 MW 超(chao)臨界燃(ran)煤機組模型為例，分(fen)(fen)析其在超(chao)低排放形勢下由液氨改(gai)為尿(niao)素熱(re)解(jie)(jie)和水解(jie)(jie)所(suo)分(fen)(fen)別(bie)涉及(ji)的改(gai)造范圍(wei)、投資費(fei)用和運行成(cheng)本(ben)，為SCR煙氣脫(tuo)硝(xiao)液氨改(gai)尿(niao)素工程技術選擇提供參(can)考。

1 工程設計

1.1 設計參數

SCR煙(yan)氣(qi)脫硝還原(yuan)劑由(you)液氨改為尿(niao)(niao)素涉及的(de)(de)(de)改造(zao)范圍主(zhu)要包(bao)括新建尿(niao)(niao)素溶液儲存和制(zhi)備系統(tong)、改造(zao)稀釋風(feng)系統(tong)和增加尿(niao)(niao)素制(zhi)氨裝置。通過(guo)相關(guan)系統(tong)的(de)(de)(de)改造(zao)確保系統(tong)的(de)(de)(de)供氨能力滿(man)足運(yun)行(xing)需(xu)求。超低(di)排放形勢下，某2×600 MW 機(ji)組SCR 煙(yan)氣(qi)脫硝設(she)計參數(shu)如表1 所示。由(you)表1 可得，單臺機(ji)組滿(man)負荷(he)工(gong)況下設(she)計氨耗量為230.4 kg/h。

1.2 工藝流程

粒狀尿(niao)素(su)在溶(rong)解(jie)罐內制(zhi)成濃度(du)為50% 左右的尿(niao)素(su)溶(rong)液(ye)并泵(beng)入(ru)尿(niao)素(su)溶(rong)液(ye)儲(chu)罐內儲(chu)存，再(zai)由(you)高(gao)流量循環泵(beng)送入(ru)計量分配(pei)模塊，后由(you)噴槍噴入(ru)熱(re)解(jie)爐，在350~650℃ 熱(re)風(feng)的作用(yong)下分解(jie)出NH3，形成濃度(du)小于5% 的混合氣，再(zai)經噴氨格柵進入(ru)SCR入(ru)口煙道。國內熱(re)解(jie)所(suo)(suo)需要的熱(re)源(yuan)多采(cai)用(yong)電能(neng)。為減少廠用(yong)電，可用(yong)熱(re)一次(ci)風(feng)或者(zhe)二次(ci)風(feng)作為熱(re)稀釋風(feng)，再(zai)用(yong)電加(jia)熱(re)器加(jia)熱(re)，尿(niao)素(su)熱(re)解(jie)制(zhi)氨系(xi)統流程如(ru)圖(tu) 1 所(suo)(suo)示(shi)。

尿素水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)與熱(re)解(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)的(de)不(bu)同之處在(zai)于，由計量分配模(mo)塊過(guo)來的(de)尿素溶液進(jin)入(ru)水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)反應器(qi)，在(zai)壓(ya)力為1 MPa、溫(wen)(wen)度為180℃ 飽和蒸(zheng)汽(qi)(qi)的(de)加(jia)熱(re)下分解(jie)(jie)(jie)成(cheng)CO2 和NH3，后被熱(re)風稀釋成(cheng)氨體積(ji)分數小于5% 的(de)混(hun)合氣， 最(zui)后噴入(ru)SCR 入(ru)口煙道。加(jia)熱(re)蒸(zheng)汽(qi)(qi)引自(zi)廠輔(fu)汽(qi)(qi)系統或再熱(re)器(qi)冷(leng)段蒸(zheng)汽(qi)(qi)母管， 經減溫(wen)(wen)減壓(ya)后送至水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)反應器(qi)的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)盤管，尿素水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)如圖 2 所示。

1.3 主要設備選型

雖然尿(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)制(zhi)(zhi)氨和(he)(he)(he)水(shui)(shui)(shui)解(jie)制(zhi)(zhi)氨兩者的尿(niao)(niao)素(su)分解(jie)率有差異，但對于尿(niao)(niao)素(su)溶液(ye)(ye)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的設備(bei)(bei)選型基本(ben)一(yi)致。尿(niao)(niao)素(su)溶液(ye)(ye)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)包括尿(niao)(niao)素(su)顆(ke)粒儲(chu)倉、尿(niao)(niao)素(su)溶解(jie)罐、尿(niao)(niao)素(su)溶液(ye)(ye)輸送泵、尿(niao)(niao)素(su)溶液(ye)(ye)儲(chu)罐和(he)(he)(he)尿(niao)(niao)素(su)溶液(ye)(ye)循環泵等(deng)(deng)主(zhu)要(yao)設備(bei)(bei)。尿(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)和(he)(he)(he)水(shui)(shui)(shui)解(jie)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的設備(bei)(bei)差異較大。以(yi)熱(re)(re)一(yi)次風作為(wei)稀(xi)釋風為(wei)例，尿(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)包括電(dian)加熱(re)(re)器/高(gao)溫煙氣換熱(re)(re)器、熱(re)(re)解(jie)爐和(he)(he)(he)計量與分配裝置等(deng)(deng)主(zhu)要(yao)設備(bei)(bei)；尿(niao)(niao)素(su)水(shui)(shui)(shui)解(jie)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)包括減溫減壓器、水(shui)(shui)(shui)解(jie)反應器、廢水(shui)(shui)(shui)箱(xiang)、疏水(shui)(shui)(shui)箱(xiang)和(he)(he)(he)氨/空(kong)氣混合器等(deng)(deng)主(zhu)要(yao)設備(bei)(bei)。

尿(niao)素(su)溶解罐(guan)設(she)置(zhi)1 臺(tai)， 材(cai)質(zhi)為SS304 不(bu)銹鋼， 罐(guan)體(ti)配(pei)攪拌器和蒸(zheng)汽加熱盤管加速混合溶解。在溶解罐(guan)中， 采用(yong)(yong)(yong)除(chu)鹽水將尿(niao)素(su)顆粒(li)制成(cheng)50% 左右的(de)尿(niao)素(su)溶液。尿(niao)素(su)溶解罐(guan)容積45 m3，滿足2 臺(tai)機組(zu)BMCR 工況(kuang)一天(tian)尿(niao)素(su)溶液用(yong)(yong)(yong)量(liang)需求。尿(niao)素(su)溶液儲罐(guan)設(she)置(zhi)2 臺(tai)，采用(yong)(yong)(yong)SS304 不(bu)銹鋼制造，設(she)蒸(zheng)汽伴熱。容積均(jun)為135 m3，滿足2 臺(tai)機組(zu)BMCR 工況(kuang)下不(bu)少于6 天(tian)的(de)尿(niao)素(su)溶液用(yong)(yong)(yong)量(liang)需求。每臺(tai)機組(zu)設(she)置(zhi)1 臺(tai)電加熱器，功(gong)率900 kW，電壓(ya)380 V，將熱一次風加熱至350~650 ℃。

每(mei)(mei)臺(tai)機組設(she)置1 臺(tai)熱(re)解(jie)爐(lu)，每(mei)(mei)臺(tai)熱(re)解(jie)爐(lu)配套10 支噴(pen)槍，由噴(pen)槍噴(pen)入的(de)霧(wu)化尿素(su)溶液在由電加熱(re)器來的(de)熱(re)氣的(de)作用下分(fen)解(jie)為NH3 和CO2，從而形成氨體積分(fen)數小于(yu)5% 的(de)混(hun)合氣進(jin)入噴(pen)氨格柵(zha)。熱(re)解(jie)爐(lu)出(chu)口混(hun)合氣的(de)溫(wen)度不低于(yu)350 ℃，以(yi)防尿素(su)結晶。

減(jian)溫(wen)減(jian)壓器設(she)置2 臺，1 用1 備(bei)，用于將輔汽(qi)系統蒸汽(qi)減(jian)溫(wen)減(jian)壓至180 ℃、1 MPa 飽和(he)蒸汽(qi)后供給2 臺水(shui)解(jie)反應器。

水(shui)解反(fan)應(ying)器(qi)(qi)(qi)采用(yong)公用(yong)制(zhi)布置(zhi)，單臺水(shui)解反(fan)應(ying)器(qi)(qi)(qi)制(zhi)氨(an)量達465 kg/h，能同時滿足2 臺機組BMCR工(gong)況用(yong)氨(an)需求(qiu)。水(shui)解反(fan)應(ying)器(qi)(qi)(qi)由蒸汽盤管加熱，質量濃(nong)度為(wei)50% 的(de)(de)尿素溶(rong)液進入反(fan)應(ying)器(qi)(qi)(qi)后在135~160 ℃、0 . 4 ~ 0 . 9 M P a 下水(shui)解反(fan)應(ying)生成(cheng)含N H 3、C O 2 和H2O 的(de)(de)混合(he)氣(qi)。反(fan)應(ying)器(qi)(qi)(qi)材質為(wei)SS316L，上(shang)部設置(zhi)汽水(shui)分離(li)器(qi)(qi)(qi)。

每臺機組設置2 臺氨(an)/空氣混(hun)合器，用于將(jiang)水(shui)解反(fan)應生成的(de)含氨(an)混(hun)合氣與熱一次(ci)風混(hun)合。

2 分析與討論

2.1 投資費用

SCR 煙氣脫硝(xiao)液氨改(gai)尿素，2 臺機組(zu)均采用熱(re)解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)或水解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)，其(qi)投(tou)資(zi)如表2 所(suo)示。尿素熱(re)解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)投(tou)資(zi)較水解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)投(tou)資(zi)低10%，主(zhu)要體現在尿素制(zhi)氨裝置(zhi)費(fei)用上(shang)，具體情況如表3 所(suo)示。

2.2 能耗分析

尿(niao)素制氨工藝耗能包括尿(niao)素溶解吸(xi)熱(re)、尿(niao)素溶液相變(bian)吸(xi)熱(re)、尿(niao)素分(fen)解吸(xi)熱(re)和整個系統伴熱(re)。

由于環境溫度會隨季節變(bian)化，本(ben)部分(fen)不對伴熱能(neng)耗進行分(fen)析。

尿素顆粒溶解吸熱量為243 kJ/kg。

尿素水(shui)解的化學(xue)反(fan)應式為

NH2CONH2+H2O = 2NH3+CO2+161:5 kJ=mol（1）

根據焓值變化計算[15]尿(niao)(niao)(niao)素(su)完全(quan)(quan)水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)所(suo)(suo)需(xu)熱(re)(re)量(liang)為(wei)4.8 MJ/kg，尿(niao)(niao)(niao)素(su)分解(jie)(jie)(jie)率按(an)99% 考(kao)慮(lv)，則(ze)生(sheng)產(chan)氨氣(qi)(qi)(qi)的能(neng)耗(hao)(hao)為(wei)8.5 MJ/kg，以1 MPa、180℃ 的蒸(zheng)汽(qi)(qi)為(wei)熱(re)(re)源制取(qu)1 kg 氨氣(qi)(qi)(qi)所(suo)(suo)耗(hao)(hao)蒸(zheng)汽(qi)(qi)量(liang)為(wei)4.2 kg，2 臺(tai)機組設(she)計工況下總(zong)計蒸(zheng)汽(qi)(qi)耗(hao)(hao)量(liang)為(wei)1.94 t/h；尿(niao)(niao)(niao)素(su)完全(quan)(quan)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)所(suo)(suo)需(xu)熱(re)(re)量(liang)為(wei)6.3 MJ/kg，由于尿(niao)(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)過程中會(hui)產(chan)生(sheng)三聚(ju)氰胺(an)等副產(chan)物，尿(niao)(niao)(niao)素(su)轉化率按(an)85%考(kao)慮(lv)，則(ze)生(sheng)產(chan)氨氣(qi)(qi)(qi)的能(neng)耗(hao)(hao)約為(wei)12.1 MJ/kg，2 臺(tai)機組設(she)計工況下總(zong)計電耗(hao)(hao)為(wei)1 550 kW。折算為(wei)煤(mei)耗(hao)(hao)，尿(niao)(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)增(zeng)加(jia)煤(mei)耗(hao)(hao)0.4 g/(kW·h)，尿(niao)(niao)(niao)素(su)水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)增(zeng)加(jia)煤(mei)耗(hao)(hao)0.1 g/(kW·h)。尿(niao)(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)工藝(yi)(yi)能(neng)耗(hao)(hao)較水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)工藝(yi)(yi)高，主(zhu)(zhu)要原(yuan)因(yin)在于尿(niao)(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)爐出(chu)口煙溫(wen)較水(shui)(shui)解(jie)(jie)(jie)反(fan)應器出(chu)口煙溫(wen)高以及尿(niao)(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)轉化率低。采用尿(niao)(niao)(niao)素(su)熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)工藝(yi)(yi)煤(mei)耗(hao)(hao)增(zeng)加(jia)較多，主(zhu)(zhu)要原(yuan)因(yin)在于熱(re)(re)解(jie)(jie)(jie)所(suo)(suo)需(xu)能(neng)耗(hao)(hao)較高且采用的是(shi)高品質電能(neng)。

2.3 運行成本

兩種尿素制氨工藝的各(ge)種消(xiao)耗品用(yong)量(liang)如表4所示。

按尿(niao)素(su)(su)單價(jia)2 400 元(yuan)(yuan)/t、低壓(ya)蒸汽(qi)(qi)單價(jia)150 元(yuan)(yuan)/t、除鹽水單價(jia)30 元(yuan)(yuan)/t、廠用(yong)電價(jia)0.300 元(yuan)(yuan)/(kW·h) 計算，采用(yong)尿(niao)素(su)(su)熱(re)解工(gong)藝(yi)運(yun)行(xing)成本(ben)(ben)為1 419 萬(wan)元(yuan)(yuan)/年，采用(yong)尿(niao)素(su)(su)水解工(gong)藝(yi)運(yun)行(xing)成本(ben)(ben)為1 155 萬(wan)元(yuan)(yuan)/年。熱(re)解運(yun)行(xing)成本(ben)(ben)比(bi)水解運(yun)行(xing)成本(ben)(ben)高264 萬(wan)元(yuan)(yuan)/年，其中尿(niao)素(su)(su)費(fei)用(yong)占比(bi)超過60%，能耗費(fei)用(yong)（含電費(fei)和(he)蒸汽(qi)(qi)費(fei)用(yong)）不(bu)足40%。

近年出現(xian)采(cai)用(yong)(yong)高(gao)(gao)溫氣(qi)(qi)–氣(qi)(qi)換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)替代電加熱(re)(re)(re)器(qi)，以650~800 ℃ 的(de)高(gao)(gao)溫煙(yan)氣(qi)(qi)加熱(re)(re)(re)熱(re)(re)(re)一次風使之達到350~650 ℃，加熱(re)(re)(re)后的(de)熱(re)(re)(re)風進入熱(re)(re)(re)解(jie)爐(lu)，其(qi)對鍋爐(lu)效率的(de)影(ying)響(xiang)微乎其(qi)微。采(cai)用(yong)(yong)煙(yan)氣(qi)(qi)熱(re)(re)(re)量替代電能極大(da)地降低了能耗費用(yong)(yong)，但尿素熱(re)(re)(re)解(jie)運行成本仍然(ran)略(lve)高(gao)(gao)于水解(jie)方(fang)式，且采(cai)用(yong)(yong)高(gao)(gao)溫煙(yan)氣(qi)(qi)換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)替代電加熱(re)(re)(re)器(qi)投資費用(yong)(yong)會明顯上升(sheng)。

3 結論

（1）尿素(su)熱解工藝(yi)和(he)尿素(su)水解工藝(yi)作為兩種成熟(shu)的(de)制氨技(ji)術，能實現(xian)火電廠由尿素(su)替換液氨從(cong)而消除重大危險源的(de)目的(de)，尤其適用于人口稠密地區且防火間(jian)距達(da)不到防火規范要求的(de)電廠。

（2）尿(niao)素(su)水解(jie)投資成本略高于尿(niao)素(su)熱(re)解(jie)，但尿(niao)素(su)熱(re)解(jie)運行成本較高。采用尿(niao)素(su)水解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)，一年之內(nei)投資和(he)運行總費(fei)用與(yu)熱(re)解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)基本持平。長期來看，尿(niao)素(su)水解(jie)工(gong)藝(yi)(yi)技術經(jing)濟性(xing)更優。

 （3）尿(niao)素熱解的運行成本高的主(zhu)要(yao)原因在于(yu)尿(niao)素熱解轉化率低(di)，尿(niao)素用量較大；其次(ci)在于(yu)使(shi)用高品質的電能導致的成本上升。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章