郭曉林

（晉控電力同達(dá)熱電山西有限公司，山西 大同 037000）

1 概況

隨著環(huán)保政策的日益趨緊，燃煤電廠煙氣的排放指標(biāo)控制越來越嚴(yán)格，鍋爐煙氣中脫硝的排放標(biāo)準(zhǔn)也由最早的100 mg/m3降低為50 mg/m3，在惡劣天氣、重大事件節(jié)假日甚至要求小于35 mg/m3。隨著國家和各級(jí)地方政府對(duì)環(huán)保要求的嚴(yán)格和標(biāo)準(zhǔn)的提高，控制環(huán)保使用的環(huán)保耗材成本逐漸增加[1]。自天津港事件以來，安全成為首要考慮的因素，液氨等?；肥艿皆絹碓絿?yán)格的監(jiān)管，從運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存到使用，限制較多，液氨泄露、停產(chǎn)時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致氨水供不應(yīng)求[2]。

大同屬于高寒地區(qū)，冬季經(jīng)常出現(xiàn)道路積雪或結(jié)冰的情況，我公司承擔(dān)著本地區(qū)30 萬居民的供熱任務(wù)，如果由于氨水不能及時(shí)供應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致NOx超標(biāo)，從而被迫停機(jī)，中斷供熱，促使電廠脫硝系統(tǒng)改用尿素作為還原劑[3]。另一方面，為了降低成本，尿素代替氨水的脫硝方式越來越廣泛。該方式2021 年7 月在本公司正式試運(yùn)行。

我公司一期工程設(shè)計(jì)裝機(jī)容量200 MW，安裝4×50 MW 空冷抽汽供熱機(jī)組，配5×240 t/h 循環(huán)流化床鍋爐。二期擴(kuò)建工程擴(kuò)建安裝2×330 MW 亞臨界燃煤空冷抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組。一期脫硝還原劑為尿素，二期脫硝還原劑為氨水。液氨的存儲(chǔ)及日常維護(hù)需要異常謹(jǐn)慎。液氨儲(chǔ)站屬于國家級(jí)重大危險(xiǎn)源，為了安全考慮，也為了降低運(yùn)行成本，將脫硝還原劑由液氨制氨工藝改造為尿素制氨工藝，消除該安全隱患。

2 尿素系統(tǒng)介紹

2.1 儲(chǔ)存及制備系統(tǒng)

尿素儲(chǔ)存在尿素車間內(nèi)，滿足單臺(tái)爐15 d 的用量，通過斗提機(jī)輸送到溶解罐內(nèi)溶解，2 臺(tái)爐共用1個(gè)溶解罐（或2 個(gè)溶解罐互為備用）。為了確保尿素溶液的品質(zhì)，溶解水要用品質(zhì)較高的除鹽水（擬采用空冷噴淋水），為了提高尿素溶解速度，在溶解罐頂裝有攪拌器。通過裝在罐體上的密度測(cè)量裝置，保證管內(nèi)尿素溶液的濃度維持在40%左右，溶解罐布置在尿素車間內(nèi)。

在尿素溶解罐附近設(shè)有尿素溶液循環(huán)泵，尿素溶解時(shí)，可使尿素溶液從罐底部向側(cè)部進(jìn)行循環(huán)，加以快速溶解并過濾雜質(zhì)；溶解完畢后，將溶解罐內(nèi)的溶液輸送到尿素溶液儲(chǔ)存罐內(nèi)儲(chǔ)存，儲(chǔ)存量滿足2 臺(tái)爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行72 h（額定工況）。

2.2 尿素溶液供給系統(tǒng)

從尿素溶液循環(huán)泵來的40%左右的溶液儲(chǔ)存在2 只尿素溶液儲(chǔ)罐內(nèi)，2 個(gè)儲(chǔ)存罐可同時(shí)供應(yīng)2 臺(tái)機(jī)組，罐體之間設(shè)置回流管、連通管，互為備用。在罐體內(nèi)安裝有蒸汽面式換熱器裝置，使尿素溶液始終處于結(jié)晶溫度點(diǎn)以上、氨氣逸出點(diǎn)以下。裝有液位計(jì)、溫度計(jì)等測(cè)量儀表。每只儲(chǔ)存罐設(shè)置2 臺(tái)尿素輸送泵（單臺(tái)爐一用一備，兩爐共計(jì)4 臺(tái)），尿素輸送泵變頻運(yùn)行。

2.3 尿素溶液稀釋系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐NO 排放濃度的控制，在尿素車間內(nèi)設(shè)有尿素混合模塊。由稀釋水泵將稀釋水箱來的稀釋水升壓后與尿素供給泵組來的尿素溶液在出口母管上通過靜態(tài)混合器混合，通過混合液出口密度計(jì)的數(shù)據(jù)，來控制混合液達(dá)到所需要的質(zhì)量濃度要求，為了對(duì)尿素濃度進(jìn)行連續(xù)可調(diào)，尿素溶液和稀釋水全部由調(diào)節(jié)閥控制（管路上分別布置不同形式的流量計(jì)計(jì)算），通過對(duì)40%尿素溶液流量和稀釋水流量調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)最終成品的不同濃度要求。稀釋水泵2 臺(tái)，一用一備。

2.4 尿素溶液噴射系統(tǒng)

從尿素溶液稀釋系統(tǒng)來的成品尿素溶液經(jīng)管道分配到一個(gè)尿素溶液分配模塊中，通過脫銷噴槍前閥門、流量計(jì)，在調(diào)試過程時(shí)，根據(jù)鍋爐負(fù)荷、燃燒工況、NOx含量等調(diào)節(jié)尿素溶液流量的大小。

2.5 壓縮空氣系統(tǒng)

配兩路壓縮空氣，一路霧化，對(duì)高壓噴槍進(jìn)行霧化，保證脫銷噴嘴噴出的尿素溶液顆粒符合所需的要求，減少氨的逃逸從而提高氨的利用率；一路冷卻槍管，保證脫銷噴槍不被燒壞。

2.6 廢水排放系統(tǒng)

因設(shè)備啟停、檢修需要對(duì)管道進(jìn)行不定期沖洗，增加了廢水排放系統(tǒng)。在尿素制備車間設(shè)計(jì)1 個(gè)廢水收集坑，可以將管道水、沖洗水，用廢水泵將水打入尿素溶液儲(chǔ)罐，防止廢水直接排放。

2.7 電氣系統(tǒng)

此次改造項(xiàng)目使用電壓等級(jí)為380 V/220 V，設(shè)置兩路不同進(jìn)線至脫硝SNCR 電氣控制柜，電氣控制柜主要為脫硝系統(tǒng)內(nèi)的低壓設(shè)備供電。脫硝設(shè)備包括電氣控制柜、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)葫蘆、電纜橋架、金屬管道、溶解罐、稀釋罐等設(shè)備就近接入附近的主廠房接地網(wǎng)。電纜均按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行防火封堵。

2.8 控制系統(tǒng)

此次改造項(xiàng)目設(shè)兩地控制：DCS 控制及就地按鈕控制。操作運(yùn)行主要在集控室DCS 操作系統(tǒng)中進(jìn)行，儲(chǔ)存及制備系統(tǒng)配置好溶液后，啟動(dòng)尿素供應(yīng)系統(tǒng)、再進(jìn)一步對(duì)尿素溶液進(jìn)行稀釋，稀釋好溶液后可以啟動(dòng)尿素系統(tǒng)；尿素溶液噴射系統(tǒng)的啟停是獨(dú)立的，與配料系統(tǒng)和尿素溶液稀釋系統(tǒng)互不影響。

3 設(shè)計(jì)工藝

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)前國內(nèi)SNCR 還原劑制氨的主流工藝，但液氨是有毒化學(xué)品，生產(chǎn)場所儲(chǔ)存量超過10 t 時(shí)，按《重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》（GB 18218—2009）規(guī)定屬于重大危險(xiǎn)源。隨著國家對(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SNCR 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。

SNCR 脫硝是一種選擇性非催化劑還原脫硝技術(shù)，是煙氣NOx的末端處理技術(shù)，是把含有氨基的還原劑（尿素或氨水）在不使用催化劑的前提下均勻噴入鍋爐，選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2和H2O，從而達(dá)到降低NOx的目的。

利用氨水作為還原劑的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為式（1）：

利用尿素作為還原劑的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為式（2）：

本脫硝工程設(shè)置1#、2#機(jī)組公用的尿素溶液配制和輸送系統(tǒng)，包括溶解罐、儲(chǔ)存罐、除鹽水罐、除鹽水泵、尿素輸送泵、尿素循環(huán)泵、地坑泵等。2 臺(tái)爐同時(shí)脫硝時(shí)，在BMCR 運(yùn)行工況下，SNCR 投運(yùn)時(shí)，設(shè)計(jì)爐膛煙氣NOx質(zhì)量濃度200 mg/m3，脫硝后NOx出口質(zhì)量濃度≤50 mg/m3，脫硝效率75%。

尿素站在輔控完成，與脫硫DCS 聯(lián)網(wǎng)；實(shí)現(xiàn)制備系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作。在DCS 畫面上可以監(jiān)視循環(huán)泵出口流量、溫度及壓力及尿素溶液儲(chǔ)存罐液位。尿素則儲(chǔ)存于尿素儲(chǔ)存間，拆包后倒入配置槽里。用主機(jī)送過來的蒸汽將除鹽水加熱至要求溫度。啟動(dòng)攪拌器，固體尿素經(jīng)人工拆袋后投放到尿素配置罐進(jìn)行溶解，達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的尿素溶液，尿素溶液配好后通過尿素溶液輸送泵至尿素溶液儲(chǔ)罐，再經(jīng)尿素溶液循環(huán)裝置送至鍋爐尿素計(jì)量分配裝置，再通過回流管將尿素溶液打回尿素儲(chǔ)罐，尿素各管道都加裝保溫，將溶液溫度控制到30℃以上，避免溫度低尿素結(jié)晶。

系統(tǒng)流程圖如圖1。

圖1 4014-尿素系統(tǒng)

4 氨水與尿素改造前、后分析

4.1 在運(yùn)行調(diào)整方面的比較

氨水的最佳反應(yīng)溫度為800 ℃～950 ℃，由于鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷每時(shí)每刻都在變化，脫硝噴槍安裝的位置在鍋爐旋風(fēng)分離器的水平煙道內(nèi)，旋風(fēng)分離器入口溫度從負(fù)荷165 MW～330 MW，溫度在750 ℃～1 000 ℃之間變化，溫度在最低或最高時(shí)，氨水反應(yīng)效率偏低，氨水耗量偏大。尿素在鍋爐里面反應(yīng)溫度為600 ℃～1 000 ℃，在鍋爐最低、最高負(fù)荷時(shí)段，尿素耗量平穩(wěn)，所以給機(jī)組深度調(diào)峰創(chuàng)造了條件，尿素改造后，分別在1#、2#機(jī)組50%、40%進(jìn)行了試驗(yàn)，尿素的單耗都小于2.0 g/kWh，效果很好，希望能為機(jī)組深度調(diào)峰到更低的程度做更多的嘗試。

4.2 在安全性方面的比較

氨氣為無色氣體，有刺激性臭味。氨氣與空氣混合有爆炸性，體積分?jǐn)?shù)在16%～25%時(shí)，遇明火可能會(huì)產(chǎn)生爆炸。氨是一種有毒的物質(zhì)，人體吸入會(huì)導(dǎo)致慢性中毒，吸入過多時(shí)也可致人死亡。氨水儲(chǔ)存量超10 t，就屬于重大危險(xiǎn)源，國家安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)將其列入重點(diǎn)監(jiān)控范圍。液氨的儲(chǔ)存與運(yùn)輸也有嚴(yán)格規(guī)定，使得它的運(yùn)輸成本就很高。液氨儲(chǔ)罐與周圍的道路、廠房、建筑等的防火間距不得少于15 m 的距離。

尿素為無色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，無臭無味。工業(yè)或農(nóng)業(yè)用尿素含N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.67%左右。密度為1.335 g/cm3。熔點(diǎn)132.7 ℃。可溶于水與醇，不溶于乙醚、氯仿，呈弱堿性，也可與酸發(fā)生反應(yīng)生成鹽。在高溫下可進(jìn)行縮合反應(yīng)，生成縮二脲、縮三脲和三聚氰酸。加熱至160 ℃分解，產(chǎn)生氨氣同時(shí)變?yōu)榍杷?。尿素易溶于水，?0 ℃時(shí)100 mL 水中可溶解105 g，水溶液呈中性反應(yīng)。所以尿素在運(yùn)輸、儲(chǔ)存中無需安全及危險(xiǎn)性的考慮。

因此，脫硝還原劑液氨改尿素，在安全方面將得到大大的提升。

4.3 在使用成本方面的比較

使用液氨還是尿素，在運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用、檢修費(fèi)用方面相當(dāng)，蒸汽、水等消耗也接近，采購成本是最大費(fèi)用，因此氨水和尿素控制使用量是決定生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。

建廠以來一直使用液氨作為還原劑，2019 年全年發(fā)電量30.35 億kWh，根據(jù)當(dāng)前市場價(jià)格按液氨到廠價(jià)格1254 元/t，液氨的單耗13.8 g/kWh，全年氨水耗量4.2 萬t，全年氨水費(fèi)用達(dá)5 267 萬元。2021 年6 月至9 月，總發(fā)電量為11.9 億kWh，尿素耗量2 928 t，尿素的單耗2.46 g/kWh，尿素當(dāng)前市場價(jià)格2 660 元/t，根據(jù)2019 年全年電量計(jì)算，全年尿素消耗費(fèi)用為1 986 萬元，可節(jié)約成本3 281 萬元，成本節(jié)約60%。

因此，從經(jīng)濟(jì)型方面來講，選用尿素雖然單價(jià)高，但是用量小，總成本低，近些年越來越多的電廠脫硝還原劑液氨改尿素的項(xiàng)目改造成功，節(jié)約成本的同時(shí)，安全性大大提高。