燃煤電廠脫硝系統液氨改尿素技術研究

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。由于液氨進廠運輸道路及廠邊村莊密集，途徑省道存在道路窄容易發生堵車使運輸車輛滯留問題，廠周圍存在多處環境敏感點，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，也可通過氨水蒸發或者尿素分解間接制備。液氨制氨工藝在國內普遍應用，因其初投資及運行費用均較低，是當前國內SCR還原劑制氨的主流工藝，但液氨是有毒化學品(GB12268-90規定之23003號危險有毒物品)，生產場所儲存量超過10噸時，按《重大危險源辨識》(GB18218-2009)規定屬于重大危險源。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

從國內應用情況來看，當電廠處于人口密集區，或其廠內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出來，尿素系統比較復雜、投資和運行成本高于液氨系統，但是其最大的優勢是安全性高。制氨系統由尿素顆粒儲存和溶解系統、尿素溶液儲存和輸送系統及尿素分解系統組成。根據尿素制氨工藝的不同，分為熱解技術和水解技術。

1.1 熱解制氨技術

尿素熱解法制氨系統主要設備包括尿素溶解罐、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量分數約為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，分解產物經氨噴射系統進入SCR系統。其化學，反應方程式：

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

1.2 水解制氨技術

普通尿素水解制氨系統主要設備有尿素溶解罐、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量分數為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，產物經由氨噴射系統進入SCR脫硝系統。其化學反應式為：

水解反應器內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。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。該反應是尿素生產的逆反應。反應速率是溫度和濃度的函數。反應所需熱量可由電廠輔助蒸汽或電加熱提供。

1.3 兩種技術對比

兩種技術對比如表1所示。

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2 尿素法脫硝設計

在燃用當前常用煤質條件下，查看煙氣量的歷史數據與實測結果的對比分析，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計參數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，干基，6%O2)計算供氨量。二期機組SCR脫硝入口濃度原設計650 mg/m3，出口NOx濃度為40 mg/m3，煙氣流量為2153700 m3/h(標態，干基，6%O2)計算供氨量。經計算：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。

首先根據煙氣量的歷史數據與實測結果的對比分析，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計參數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，并以此為基礎進行了參數的布置。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 投資估算及經濟評價

3.1 投資估算原則

(1)概算編制辦法、費用構成及計算標準、費用性質和項目劃分辦法執行國家能源局2013年發布的《火力發電工程建設預算編制與計算規定(2013版)》及有關文件。

(2)定額：執行電力工程造價與定額管理總站定額[2016]45號"關于發布電力工程計價依據營業稅改征增值稅估價表的通知"發布的《2013年版電力建設工程定額估價表》建筑工程、熱力設備安裝工程、電氣設備安裝工程、調試工程、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)人工費調整：按照電力工程造價與定額管理總站定額[2016]50號"關于發布2013版電力建設工程概預算定額2016年度價格水平調整的通知"附件1"電力建設工程概預算定額人工費調整系數匯總表"中的河南省系數調整。

(5)上網電價：《國家發展改革委關于降低燃煤發電上網電價和工商業用電價格的通知》(發改價格【2015】748號)及2016年6月1日起開始執行的《河南省關于2016年電價調整問題的通知》。

3.2 投資估算結果

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)固定成本包括資產折舊、運行管理人員工資、設備檢修預備費等。

主要，基礎數據如下：

(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備費用的2.0%計算。

(3)增加定員：本改造工程利用現有SCR氨站工作人員不增加定員。

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

(5)資產折舊年限為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%。

根據以上主要計算參數，測算出煙氣脫硝系統的年運行成本，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穩定運行在450 mg/m3時，此項成本將會明顯節約。

4 結論

(1)根據對尿素直噴熱解法、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經濟綜合比較，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投資為4238萬元，單位投資為21元/k W。其中，水解制氨系統改造投資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。