燃煤电厂脱硝系统液氨改尿素技术研究
摘 要：某燃煤电厂一、二期机组(2×350 MW+2×660 MW) SCR脱硝还原剂采用液氨。而液氨的存储及日常维护需要异常谨慎。该厂液氨储站属于国家级重大危险源，为了该厂的可持续发展，有必要将脱硝还原剂由液氨制氨工艺改造为尿素制氨工艺，消除该安全隐患。该文就一、二期机组脱硝还原剂由液氨改为尿素技术进行了对比分析。通过现场踏勘、资料收集与分析，对可行的尿素制氨方案进行了充分论证与比较，为液氨改尿素技术提供参考。
0 引言
某燃煤电厂一期1、2号机组额定容量为2×350MW，分别于2001年6月、12月投入商业运营；二期3、4号机组额定容量为2×660 MW，分别于2009年6月、12月相继投产。由于液氨进厂运输道路及厂边村庄密集，途径省道存在道路窄容易发生堵车使运输车辆滞留问题，厂周围存在多处环境敏感点，随着安全形势要求的提高，该电厂加紧落实还原剂替代整改，进行脱硝还原剂尿素工艺改造，停止使用液氨。
SCR脱硝反应可用氨气作为还原剂，氨气可直接来自液氨加热汽化，也可通过氨水蒸发或者尿素分解间接制备。液氨制氨工艺在国内普遍应用，因其初投资及运行费用均较低，是当前国内SCR还原剂制氨的主流工艺，但液氨是有毒化学品(GB12268-90规定之23003号危险有毒物品)，生产场所储存量超过10吨时，按《重大危险源辨识》(GB18218-2009)规定属于重大危险源。随着国家对安全的日益重视，以及一系列相关限制措施的出台，尿素制氨以其安全可靠特点在电厂SCR烟气脱硝装置上被广泛应用。尿素(CH4N2O)不属于危险产品，便于运输和储存并且使用安全，受热分解即可制成氨气。
1 尿素制氨技术
从国内应用情况来看，当电厂处于人口密集区，或其厂内用地紧张难以满足危险品储存的安全距离要求，或者液氨的采购及运输路线有很大困难时，为克服燃煤电厂烟气脱硝使用液氨存在的安全性问题，尿素制氨工艺被开发出来，尿素系统比较复杂、投资和运行成本高于液氨系统，但是其最大的优势是安全性高。制氨系统由尿素颗粒储存和溶解系统、尿素溶液储存和输送系统及尿素分解系统组成。根据尿素制氨工艺的不同，分为热解技术和水解技术。
1.1 热解制氨技术
尿素热解法制氨系统主要设备包括尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液储罐、供液泵、计量和分配装置、背压控制阀、绝热分解室(内含喷射器)烟气换热器或电加热器及控制装置等。储存于储仓的尿素颗粒由螺旋给料机输送到溶解罐，用去离子水溶解成质量分数约为50%的尿素溶液，通过给料泵输送到储罐；之后尿素溶液经给料泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入高温分解室，在350℃～650℃分解生成NH3、H2O和CO2，分解产物经氨喷射系统进入SCR系统。其化学，反应方程式：
根据化学动力学分析，上述反应式(2)需要在催化剂存条件下才能发生。但一般热解工艺中，热解炉内没有设置催化剂。因此，在热解室内只进行式(1)所示反应，式(2)反应会在SCR反应器中进行。这会降低NH3产量，增加尿素消耗量。
1.2 水解制氨技术
普通尿素水解制氨系统主要设备有尿素溶解罐、尿素溶解泵、尿素溶液储罐、尿素溶液给料泵及尿素水解制氨模块等。尿素颗粒加入到溶解罐，用去离子水将其溶解成质量分数为40%-60%的尿素溶液，通过溶解泵输送到储罐；之后尿素溶液经给料泵、计量与分配装置进入尿素水解制氨反应器，在反应器中尿素水解生成NH3、H2O和CO2，产物经由氨喷射系统进入SCR脱硝系统。其化学反应式为：
水解反应器内的尿素溶液浓度可达到40%～50%，气液两相平衡体系的压力约为0.48 MPa～0.6 MPa，温度约为150℃～170℃。水解反应器中产生出来的含氨气流先进入计量模块，然后被锅炉热一次风稀释后进入氨气-烟气混合系统。饱和蒸汽通过盘管的方式进入水解反应器，饱和蒸汽不与尿素溶液混合，通过盘管回流，冷凝水由疏水箱、疏水泵回收。该反应是尿素生产的逆反应。反应速率是温度和浓度的函数。反应所需热量可由电厂辅助蒸汽或电加热提供。
1.3 两种技术对比
两种技术对比如表1所示。
2 尿素法脱硝设计
在燃用当前常用煤质条件下，查看烟气量的历史数据与实测结果的对比分析，考虑到机组未来的燃煤的适应性以及脱硝运行的可靠性，本次尿素改造工程的烟气量设计参数与超低排放改造确定的烟气量保持一致，进行尿素量计算和运行成本估算。一期机组SCR脱硝入口浓度原设计700 mg/m3，出口NOx浓度为40 mg/m3(集团要求不超过40 mg/m3为达标)，烟气流量为1179300m3/h(标态，干基，6%O2)计算供氨量。二期机组SCR脱硝入口浓度原设计650 mg/m3，出口NOx浓度为40 mg/m3，烟气流量为2153700 m3/h(标态，干基，6%O2)计算供氨量。经计算：电厂超低排放改造运行一期2×350 MW机组至少需液氨耗量为581 kg/h，二期2×660 MW机组氨耗量为981 kg/h，四台机组总氨耗量为1561 kg/h。相应计算尿素耗量，一期两台机组尿素需求量为1024.7 kg/h，二期两台机组尿素需求量为1730.9 kg/h，四台机组总尿素耗量为2756 kg/h，尿素年消耗总量为15156吨。
首先根据烟气量的历史数据与实测结果的对比分析，考虑到机组未来的燃煤的适应性以及脱硝运行的可靠性，本次尿素改造工程的烟气量设计参数与超低排放改造确定的烟气量保持一致，进行了尿素量计算，并以此为基础进行了参数的布置。然后分别对尿素水解工艺方案和尿素热解工艺方案进行了系统的介绍，对两种制氨工艺过程中存在的问题做了对比分析。
3 投资估算及经济评价
3.1 投资估算原则
(1)概算编制办法、费用构成及计算标准、费用性质和项目划分办法执行国家能源局2013年发布的《火力发电工程建设预算编制与计算规定(2013版)》及有关文件。
(2)定额：执行电力工程造价与定额管理总站定额[2016]45号"关于发布电力工程计价依据营业税改征增值税估价表的通知"发布的《2013年版电力建设工程定额估价表》建筑工程、热力设备安装工程、电气设备安装工程、调试工程、通信工程。
(3)材料价格：安装工程装置性材料价格按照《电力建设工程装置性材料综合预算价格》(不含税版)计列，不足部分采用《电力建设工程装置性材料预算价格》(不含税版)，并计算主要材料市场价格(《火电工程限额设计参考造价指标(2016年水平)》)与预算价格之间的价差。
(4)人工费调整：按照电力工程造价与定额管理总站定额[2016]50号"关于发布2013版电力建设工程概预算定额2016年度价格水平调整的通知"附件1"电力建设工程概预算定额人工费调整系数汇总表"中的河南省系数调整。
(5)上网电价：《国家发展改革委关于降低燃煤发电上网电价和工商业用电价格的通知》(发改价格【2015】748号)及2016年6月1日起开始执行的《河南省关于2016年电价调整问题的通知》。
3.2 投资估算结果
针对1～4号机组SCR脱硝尿素制氨改造工程，进行了工程投资估算，结果汇总于表1:
(1)尿素水解制氨方案的工程总投资为4238万元，单位投资为21元/k W。其中，水解制氨系统改造投资3761万元，其它费用317万元。
(2)尿素热解制氨方案的工程总投资为5375万元，单位投资为27元/k W。其中，热解制氨系统改造投资4756万元，其它费用392万元。
(3)针对本工程，从初次投资角度看尿素水解方案总投资为4238万元，尿素热解方案(烟气换热器+辅助电加热工艺)的总投资为5375万元，在考虑了折旧后的水解方案的运行成本也低于尿素热解方案，故推荐采用尿素水解制氨方案。
3.3 经济评价
还原剂改造工程的运行成本主要包括变动成本、固定成本、财务费用等，其中变动成本和固定成本主要为：
(1)变动成本包括还原剂、厂用电、蒸汽、除盐水等。
(2)固定成本包括资产折旧、运行管理人员工资、设备检修预备费等。
主要，基础数据如下：
(1)机组年利用时间这里按5500小时计。
(2)年运行维护及材料费按照设备费用的2.0%计算。
(3)增加定员：本改造工程利用现有SCR氨站工作人员不增加定员。
(4)耗品价格：尿素1800元/吨、上网电价0.365元/k W.h、低压蒸汽170元/吨。
(5)资产折旧年限为15年，残值率5%，采用等额直线折旧法计算。
(6)5年以上银行贷款利率为4.90%。
根据以上主要计算参数，测算出烟气脱硝系统的年运行成本，尿素水解制氨方案4台机组年运行成本为3562万元，单位供电成本增加0.0035元/k W.h。变动成本中尿素消耗量成本为2718万元，当二期机组低氮燃烧器改造完成后SCR入口NOx稳定运行在450 mg/m3时，此项成本将会明显节约。
4 结论
(1)根据对尿素直喷热解法、尿素热解法(烟气换热辅助电加热工艺)、尿素催化水解法及普通尿素水解法等多个工艺的技术经济综合比较，最终采用尿素水解制氨方案。
(2)尿素水解制氨改造工程静态投资为4238万元，单位投资为21元/k W。其中，水解制氨系统改造投资3761万元，其它费用317万元。四台机组年运行成本为3562万元，单位供电成本增加0.0035元/k W.h。
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