國能徐州發(fā)電有限公司 時世明 徐州華鑫發(fā)電有限公司 胡 偉

1 項目的必要性

根據(jù)《化學品分類和危險性公示通則》（GB13690-2009）記錄，液氨是一種急性毒性、易揮發(fā)、易腐蝕/刺激皮膚的易燃物質(zhì)。液氨的揮發(fā)物，氨氣與空氣會形成爆炸性混合物，在濃度為16%～25%時，遇明火會產(chǎn)生爆炸。當液氨所在的生產(chǎn)場所超過40噸或儲存量超過10噸時，按《危險化學品重大危險源辨識》（GB18218-2018）規(guī)定屬于重大危險源。

為進一步加強電力安全生產(chǎn)監(jiān)督管理，持續(xù)推進電力行業(yè)危險化學品安全綜合治理，2019年4月2日，國家能源局綜合司發(fā)布《切實加強電力行業(yè)危險化學品安全綜合治理工作的緊急通知》，要求積極開展液氨罐區(qū)重大危險源治理，加快推進尿素替代升級改造進度。

尿素是一種穩(wěn)定、無毒的固體物料，使用過程中對人和環(huán)境均無害，同時可被散裝運輸和長期儲存，且無需運輸與存儲方面的特殊處理，是一種較為理想的工業(yè)制氨原料。尿素制氨的工藝原理是將尿素水溶液在一定溫度下發(fā)生分解，生成氨氣。近年來，隨著尿素熱解、水解工藝的日益成熟，其投資及運行費用降低，已在國內(nèi)多家燃煤電廠分別得到推廣和應用。

國內(nèi)應用尿素水解工藝的電廠主要采用源自美國的U2A 工藝，即將質(zhì)量分數(shù)為40%～50%的尿素溶液通過尿素溶液輸送泵送到水解反應器，在150℃、0.5MPa 的條件下發(fā)生水解反應，制取氨氣。尿素水解工藝初始投資較高，但由于加熱分解溫度低、加熱蒸汽的冷凝水可循環(huán)使用，能耗低于尿素熱解工藝，同時可實現(xiàn)多臺機組公用，在電廠有多臺機組或機組容量較大時，優(yōu)勢更為明顯。

2 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)。

2.1 尿素熱解技術(shù)

尿素熱解系統(tǒng)包括計量分配模塊、絕熱分解室、尿素溶液噴射器等。尿素溶液經(jīng)由計量與分配裝置、尿素溶液噴射器等進入絕熱分解室（350～650℃）與高溫稀釋空氣（650～700℃）混合均勻，分解生成NH3、H2O 和CO2。混合產(chǎn)物經(jīng)氨噴射系統(tǒng)進入SCR 系統(tǒng)。整個工藝過程需要監(jiān)測壓力、流量及溫度以滿足脫硝系統(tǒng)的設(shè)計要求。同時需設(shè)置尿素溶液計量分配裝置，根據(jù)系統(tǒng)的需要自動控制噴入熱解爐的尿素溶液量。熱解爐（絕熱分解室）后的氨氣輸送管道需進行保溫處理，保證氨噴射系統(tǒng)前的溫度不低于350℃。

原理：利用輔助能源（燃油、電加熱、煙氣等）在熱解爐內(nèi)制造650℃以上溫度的溫度場，將霧化的尿素溶液直接噴入分解為氨氣。

不足：尿素轉(zhuǎn)化氨的效率低，不完全熱解所產(chǎn)生的副產(chǎn)物易沉積，導致其物耗高，由于其、燃料消耗量大，能耗不能隨機組負荷降低而降低，不能多機組公用。

2.2 尿素水解技術(shù)

尿素水解制氨的化學反應方程式如下：

尿素水解系統(tǒng)包括尿素水解反應器模塊、計量模塊、疏水箱、廢水箱、廢水泵等。濃度約為40%～50%的尿素溶液輸送至尿素水解反應器內(nèi)，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。氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6MPa，溫度約為150～170℃。水解反應器產(chǎn)生的含氨混合氣流（NH3、H2O 和CO2）進入計量與分配裝置，被熱稀釋風稀釋后，進入氨氣—煙氣混合系統(tǒng)。

尿素普通水解制氨工藝主要有意大利Siirtec Nigi 公司的Ammogen?工藝和美國Wahlco 公司及Hamon 公司的U2A?工藝。近幾年，國產(chǎn)尿素水解工藝也已成熟，國內(nèi)眾多電廠脫硝已采用尿素水解工藝。通過眾多工程說明，國產(chǎn)尿素普通水解工藝運行狀態(tài)穩(wěn)定，還原劑制備效果良好。目前國內(nèi)提供該工藝的廠家主要有四川晨光工程設(shè)計院、成都銳思環(huán)保公司等企業(yè)。

2.3 尿素制氨技術(shù)方案比選

采用尿素熱解工藝時：熱解系統(tǒng)采用單元制，布置在SCR 反應器附近鍋爐區(qū)鋼架上，一臺爐對應一套熱解系統(tǒng)。此方案需配套進行鍋爐及SCR 區(qū)鋼架的局部核算或加固改造。

采用尿素水解工藝時：從運行安全可靠性考慮，采用公用制，多母管供氨，并設(shè)置備用水解反應器。水解器制成的氨氣至爐側(cè)時需經(jīng)熱風（不低于160℃）稀釋后，進入噴氨系統(tǒng)，沿程管道做好伴熱保溫措施。

綜合考慮尿素熱解制氨和尿素水解制氨兩種改造方案的施工工期、總投資和運行成本等因素，考慮到熱解方案停爐工期長約1個月以上，鋼架上布置施工需要核算加固鋼架且改造工作量多，熱解設(shè)備安裝空間受限，施工難度大，徐州發(fā)電有限公司、華鑫發(fā)電有限公司液氨改尿素工程采用尿素水解制氨技術(shù)方案。

3 尿素水解制氨技術(shù)方案

3.1 技術(shù)參數(shù)

3.1.1 煙氣量確定

參考脫硝技術(shù)協(xié)議中設(shè)計煙氣量，經(jīng)近期實際燃用煤種核算，確定本次改造煙氣量為1055804m3/h（標態(tài)、干基、6%含氧量）。

3.1.2 脫硝進出口NOx 濃度確定

在本次改造邊界條件選取時，調(diào)取了#1、#2機 組2019年3月 到2020年2月脫硝入口CEMS 數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，SCR 入口NOX 濃度和設(shè)計值相比沒有較大變化，#1、#2機組SCR 入口NOX 濃度基本上都在400mg/Nm3以下，部分時段超400mg/Nm3。結(jié)合脫硝參數(shù)設(shè)計值和實際運行情況，本次改造選取SCR 入口NOx 設(shè)計濃度為40mg/Nm3。考慮到環(huán)保排放標準日趨嚴格，SCR出口NOx 設(shè)計濃度30 mg/Nm3。

3.1.3 設(shè)計基本參數(shù)

通過以上煙氣量及SCR 進出口濃度的確定，經(jīng)計算，在BMCR 工況下，本工程尿素理論耗量如表1。

表1 華鑫發(fā)電有限公司氨耗量與尿素需求量

經(jīng)計算：徐州華鑫發(fā)電有限公司2×330MW 機組超低排放標準運行需液氨耗量為308kg/h，相應計算尿素耗量為553kg/h，年尿素耗量為2765噸。

3.2 尿素站系統(tǒng)設(shè)備

3.2.1 斗提機系統(tǒng)

本項目設(shè)置1套斗提機上料系統(tǒng)，輸送能力為20t/h。

斗式提升機的輸送工作原理是：料斗把物料從下面的儲倉中舀起，隨著輸送帶或鏈提升到頂部，繞過頂輪后向下翻轉(zhuǎn)，斗式提升機將物料傾入接受槽內(nèi)。鏈傳動的斗式提升機一般裝有兩條平行的傳動鏈，上或下面有一對傳動鏈輪，下或上面是一對改向鏈輪。斗式提升機一般都裝有機殼，以防止斗式提升機中粉塵飛揚。

3.2.2 尿素溶液制備系統(tǒng)

（1）尿素顆粒儲存和溶解系統(tǒng)

尿素顆粒存儲、溶解系統(tǒng)的主要設(shè)備包括尿素顆粒儲倉、尿素上料系統(tǒng)、中間儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液混合泵等。

尿素顆粒經(jīng)上料系統(tǒng)儲存于儲倉內(nèi)，由尿素中間儲倉輸送到溶解罐內(nèi)，用除鹽水將干尿素顆粒溶解成40-50%質(zhì)量濃度的尿素溶液，并通過尿素溶液混合泵輸送到尿素溶液儲罐中。

（2）尿素溶液儲存和輸送系統(tǒng)

尿素溶液儲存和輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備包括尿素溶液儲罐、尿素溶液輸送泵等。通常情況下，尿素溶液儲罐中的尿素溶液總儲存容量宜為全廠所有機組BMCR 工況下5-7天的日平均消耗量。

（3）尿素水解反應系統(tǒng)

按照《火力發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，尿素水解裝置宜為公用系統(tǒng)，1臺使用，1臺備用，除備用裝置外，水解裝置總量應滿足所有機組BMCR 負荷下的最大制氨需要。

水解反應器材質(zhì)采用316L 不銹鋼，設(shè)置合理的腐蝕裕量，要求不額外添加壓縮空氣等防腐措施即滿足使用需求。與尿素溶液接觸的閥門采用304L 不銹鋼，與水解產(chǎn)物接觸的閥門采用316L 不銹鋼。與尿素溶液和產(chǎn)品氣接觸的閥門和執(zhí)行機構(gòu)采用進口品牌產(chǎn)品, 采用尿素系列專用閥。

（4）疏水系統(tǒng)

尿素車間設(shè)一臺疏水箱，兩臺疏水泵，疏水泵為一用一備。疏水泵應滿足輸送高溫水的要求，疏水泵采用臥式離心泵。

在運行工況下，水解反應器、溶解罐、溶液儲罐的蒸發(fā)疏水回收至疏水箱。疏水箱收集疏水可用作尿素顆粒溶解用水、管道沖洗水。在正常運行工況下，多余的疏水通過疏水泵統(tǒng)一輸送至指定位置。疏水箱容量不小于單個溶解罐容量的一半。

（5）廢水系統(tǒng)

尿素車間設(shè)置一個地坑及兩臺地坑排水泵，排水泵一運一備。地坑不允許發(fā)生冒汽現(xiàn)象。地坑設(shè)置排氣設(shè)備至室外，坑內(nèi)頂部設(shè)置噴淋、稀釋水系統(tǒng)。

（6）水沖洗系統(tǒng)

在尿素溶液管道上設(shè)置完善的水沖洗系統(tǒng)，消除尿素溶液結(jié)晶的影響。

（7）稀釋風機

根據(jù)水解系統(tǒng)要求，稀釋風需要加熱至200℃以上，用以保證混合氣體的溫度在140℃以上，防止混合氣體發(fā)生逆反應重新生成尿素。常見的稀釋風加熱方案有蒸汽加熱、煙氣加熱和熱一次風加熱三種。本工程采用煙氣加熱，煙氣換熱器安裝在每臺脫硝反應器出口喇叭口內(nèi)部，利用煙氣對稀釋風進行加熱。

4 社會效益

氨是有毒物質(zhì)，會導致人急、慢性中毒，嚴重時可致人死亡。其輸送、卸料、貯存均存在安全隱患，液氨泄漏后可能造成重大影響或事故，社會影響突出；采用尿素制氨可避免該危險性、可保證電廠工作人員人身安全及發(fā)電生產(chǎn)安全穩(wěn)定、消除液氨運送對沿途城市、鄉(xiāng)村居民的危險性，具有重大的社會效益。

5 結(jié)語

該項目工程2021年4月20日開始施工，2021年10月15日交工投運。運行后通過測試，各項技術(shù)參數(shù)達到設(shè)計要求，系統(tǒng)設(shè)備運行穩(wěn)定且能達到較高的效率同時又降低了安全風險、消除潛在的安全隱患。徐州發(fā)電有限公司、華鑫發(fā)電有限公司脫硝系統(tǒng)液氨改尿素的成功，為同類型機組的改造提供了范例。