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(hào)機(jī)組額定容量為2×350MW，分別于2001年6月、12月投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)；二期3、4號(hào)機(jī)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(jìn)廠運(yùn)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(yùn)輸車輛滯留問題，廠周圍存在多處環(huán)境敏感點(diǎn)，隨著安全形勢(shì)要求的提高，該電廠加緊落實(shí)還原劑替代整改，進(jìn)行脫硝還原劑尿素工藝改造，停止使用液氨。

SCR脫硝反應(yīng)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(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用，因其初投資及運(yùn)行費(fèi)用均較低，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)SCR還原劑制氨的主流工藝，但液氨是有毒化學(xué)品(GB12268-90規(guī)定之23003號(hào)危險(xiǎn)有毒物品)，生產(chǎn)場(chǎng)所儲(chǔ)存量超過10噸時(shí)，按《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》(GB18218-2009)規(guī)定屬于重大危險(xiǎn)源。隨著國(guó)家對(duì)安全的日益重視，以及一系列相關(guān)限制措施的出臺(tái)，尿素制氨以其安全可靠特點(diǎn)在電廠SCR煙氣脫硝裝置上被廣泛應(yīng)用。尿素(CH4N2O)不屬于危險(xiǎn)產(chǎn)品，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)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(guó)內(nèi)應(yīng)用情況來看，當(dāng)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(xiǎn)品儲(chǔ)存的安全距離要求，或者液氨的采購(gòu)及運(yùn)輸路線有很大困難時(shí)，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(fù)雜、投資和運(yùn)行成本高于液氨系統(tǒng)，但是其最大的優(yōu)勢(shì)是安全性高。制氨系統(tǒng)由尿素顆粒儲(chǔ)存和溶解系統(tǒng)、尿素溶液儲(chǔ)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?zé)峤夥ㄖ瓢毕到y(tǒng)主要設(shè)備包括尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液儲(chǔ)罐、供液泵、計(jì)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(chǔ)存于儲(chǔ)倉(cāng)的尿素顆粒由螺旋給料機(jī)輸送到溶解罐，用去離子水溶解成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%的尿素溶液，通過給料泵輸送到儲(chǔ)罐；之后尿素溶液經(jīng)給料泵、計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等進(jìn)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(jìn)入SCR系統(tǒng)。其化學(xué)，反應(yīng)方程式：

根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，上述反應(yīng)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(jìn)行式(1)所示反應(yīng)，式(2)反應(yīng)會(huì)在SCR反應(yīng)器中進(jìn)行。這會(huì)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(chǔ)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?jǐn)?shù)為40%-60%的尿素溶液，通過溶解泵輸送到儲(chǔ)罐；之后尿素溶液經(jīng)給料泵、計(jì)量與分配裝置進(jìn)入尿素水解制氨反應(yīng)器，在反應(yīng)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(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)。其化學(xué)反應(yīng)式為：

水解反應(yīng)器內(nèi)的尿素溶液濃度可達(dá)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(yīng)器中產(chǎn)生出來的含氨氣流先進(jìn)入計(jì)量模塊，然后被鍋爐熱一次風(fēng)稀釋后進(jìn)入氨氣-煙氣混合系統(tǒng)。飽和蒸汽通過盤管的方式進(jìn)入水解反應(yīng)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(yīng)是尿素生產(chǎn)的逆反應(yīng)。反應(yīng)速率是溫度和濃度的函數(shù)。反應(yīng)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(duì)比

兩種技術(shù)對(duì)比如表1所示。

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2 尿素法脫硝設(shè)計(jì)

在燃用當(dāng)前常用煤質(zhì)條件下，查看煙氣量的歷史數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，考慮到機(jī)組未來的燃煤的適應(yīng)性以及脫硝運(yùn)行的可靠性，本次尿素改造工程的煙氣量設(shè)計(jì)參數(shù)與超低排放改造確定的煙氣量保持一致，進(jìn)行尿素量計(jì)算和運(yùn)行成本估算。一期機(jī)組SCR脫硝入口濃度原設(shè)計(jì)700 mg/m3，出口NOx濃度為40 mg/m3(集團(tuán)要求不超過40 mg/m3為達(dá)標(biāo))，煙氣流量為1179300m3/h(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)計(jì)算供氨量。二期機(jī)組SCR脫硝入口濃度原設(shè)計(jì)650 mg/m3，出口NOx濃度為40 mg/m3，煙氣流量為2153700 m3/h(標(biāo)態(tài)，干基，6%O2)計(jì)算供氨量。經(jīng)計(jì)算：電廠超低排放改造運(yùn)行一期2×350 MW機(jī)組至少需液氨耗量為581 kg/h，二期2×660 MW機(jī)組氨耗量為981 kg/h，四臺(tái)機(jī)組總氨耗量為1561 kg/h。相應(yīng)計(jì)算尿素耗量，一期兩臺(tái)機(jī)組尿素需求量為1024.7 kg/h，二期兩臺(tái)機(jī)組尿素需求量為1730.9 kg/h，四臺(tái)機(jī)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(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，考慮到機(jī)組未來的燃煤的適應(yīng)性以及脫硝運(yùn)行的可靠性，本次尿素改造工程的煙氣量設(shè)計(jì)參數(shù)與超低排放改造確定的煙氣量保持一致，進(jìn)行了尿素量計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了參數(shù)的布置。然后分別對(duì)尿素水解工藝方案和尿素?zé)峤夤に嚪桨高M(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，對(duì)兩種制氨工藝過程中存在的問題做了對(duì)比分析。

3 投資估算及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

3.1 投資估算原則

(1)概算編制辦法、費(fèi)用構(gòu)成及計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、費(fèi)用性質(zhì)和項(xiàng)目劃分辦法執(zhí)行國(guó)家能源局2013年發(fā)布的《火力發(fā)電工程建設(shè)預(yù)算編制與計(jì)算規(guī)定(2013版)》及有關(guān)文件。

(2)定額：執(zhí)行電力工程造價(jià)與定額管理總站定額[2016]45號(hào)"關(guān)于發(fā)布電力工程計(jì)價(jià)依據(jù)營(yíng)業(yè)稅改征增值稅估價(jià)表的通知"發(fā)布的《2013年版電力建設(shè)工程定額估價(jià)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(jià)格：安裝工程裝置性材料價(jià)格按照《電力建設(shè)工程裝置性材料綜合預(yù)算價(jià)格》(不含稅版)計(jì)列，不足部分采用《電力建設(shè)工程裝置性材料預(yù)算價(jià)格》(不含稅版)，并計(jì)算主要材料市場(chǎng)價(jià)格(《火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)(2016年水平)》)與預(yù)算價(jià)格之間的價(jià)差。

(4)人工費(fèi)調(diào)整：按照電力工程造價(jià)與定額管理總站定額[2016]50號(hào)"關(guān)于發(fā)布2013版電力建設(shè)工程概預(yù)算定額2016年度價(jià)格水平調(diào)整的通知"附件1"電力建設(shè)工程概預(yù)算定額人工費(fèi)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(jià)：《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于降低燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)和工商業(yè)用電價(jià)格的通知》(發(fā)改價(jià)格【2015】748號(hào))及2016年6月1日起開始執(zhí)行的《河南省關(guān)于2016年電價(jià)調(diào)整問題的通知》。

3.2 投資估算結(jié)果

針對(duì)1～4號(hào)機(jī)組SCR脫硝尿素制氨改造工程，進(jìn)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(fèi)用317萬元。

(2)尿素?zé)峤庵瓢狈桨傅墓こ炭偼顿Y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(fèi)用392萬元。

(3)針對(duì)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?zé)峤夥桨?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(yùn)行成本也低于尿素?zé)峤夥桨?，故推薦采用尿素水解制氨方案。

3.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

還原劑改造工程的運(yùn)行成本主要包括變動(dòng)成本、固定成本、財(cái)務(wù)費(fèi)用等，其中變動(dòng)成本和固定成本主要為：

(1)變動(dòng)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(yùn)行管理人員工資、設(shè)備檢修預(yù)備費(fèi)等。

主要，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

(1)機(jī)組年利用時(shí)間這里按5500小時(shí)計(jì)。

(2)年運(yùn)行維護(hù)及材料費(fèi)按照設(shè)備費(fèi)用的2.0%計(jì)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(jià)格：尿素1800元/噸、上網(wǎng)電價(jià)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(jì)算。

(6)5年以上銀行貸款利率為4.90%。

根據(jù)以上主要計(jì)算參數(shù)，測(cè)算出煙氣脫硝系統(tǒng)的年運(yùn)行成本，尿素水解制氨方案4臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行成本為3562萬元，單位供電成本增加0.0035元/k W.h。變動(dòng)成本中尿素消耗量成本為2718萬元，當(dāng)二期機(jī)組低氮燃燒器改造完成后SCR入口NOx穩(wěn)定運(yùn)行在450 mg/m3時(shí)，此項(xiàng)成本將會(huì)明顯節(jié)約。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)對(duì)尿素直噴熱解法、尿素?zé)峤夥?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(gè)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(fèi)用317萬元。四臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行成本為3562萬元，單位供電成本增加0.0035元/k W.h。