洛阳电厂脱硝还原剂液氨改尿素可行性方案设计.docx
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洛阳电厂脱硝还原剂液氨改尿素可行性方案设计
洛阳电厂
2×300MW机组改建工程
脱硝还原剂液氨改尿素可行性方案
洛阳发电有限公司
2016.10
1、项目概况
洛阳电厂机组容量为2×300MW，脱硝还原剂采用液氨法，脱硝系统单台机组氨耗量为127kg/h。
根据集团公司指示，需要将我厂脱硝还原剂由液氨更改为尿素方案，现就该方案更改作如下论证。
2、尿素制氨工艺
以尿素作为原料制取氨气相对于氨水蒸发及液氨蒸发技术具有较高的安全性，随近几年国家对安全运行要求的提高，已逐步代替液氨作为还原剂制备原料。
尿素制氨技术目前成熟的有尿素热解和尿素水解制氨两种方法。
2.1热解制氨系统工艺
尿素热解制氨的原理是利用辅助能源（燃油、电加热等）在650℃温度的热解炉内，将雾化的尿素溶液直接分解为氨气，其反应方程式为：
CO（NH2）2→NH3↑+HNCO
HNCO+H2O→NH3↑+CO2↑
尿素热解制氨系统是由SNCR技术发展而来，早期的该项技术主要由美国燃料公司开发。
尿素热解制氨系统由1）尿素颗粒储存和溶解系统、2）尿素溶液储存和输送系统及3）尿素热解系统组成。
在该系统中，储存于储仓的尿素颗粒由输送到溶解罐，用除盐水溶解成质量浓度为40%-60%的尿素溶液，通过泵输送到储罐进行储存；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650℃分解生成NH3、H2O和CO2，分解产物经氨喷射系统进入SCR系统。
尿素热解制氨系统采用单元制布置（一台热解炉产氨供一台机组）。
尿素热解制氨系统简要工艺流程如下：
该项技术在国内有较多应用，在国内已经应用于200多台机组。
尿素热解炉现场图片：
尿素热解制氨技术来源于SNCR技术，其热解能源前期主要使用燃烧柴油的方式获得（华能北京高碑店电厂），由于燃烧柴油不方便及会带来储存柴油等其他问题，后来采用电加热空气到650℃方式，电耗较高，最后改为电加热一次风的方式，电耗有所降低，但其电耗仍较高。
尿素热解炉需布置在脱硝钢架上。
2.2水解系统工艺
尿素水解制氨工艺的原理是尿素水溶液在一定温度下会发生水解反应产生氨气。
其化学反应式为：
NH2-CO-NH2＋H2O→2NH3↑＋CO2↑
尿素水解制氨系统由1）尿素颗粒储存和溶解系统、2）尿素溶液储存和输送系统及3）尿素水解系统组成。
其中1）、2）部分与热解系统基本一致。
尿素颗粒在尿素溶解罐中配置成约40%-60%浓度的尿素溶液，随后尿素溶液储存在尿素溶液储罐中。
尿素溶液通过泵输送到水解反应器中水解产生氨气，氨气随后进入SCR区氨空气混合器后喷入烟道用作烟气脱硝的还原剂。
尿素水解制氨简要工艺流程如下：
图1典型的尿素水解制氨系统
由于尿素水解制氨系统解决了液氨的装卸、运输、储存等问题，水解器制氨备案随制随用，无需储存，彻底解决了电厂脱硝工程还原剂制备系统的安全隐患问题。
尿素水解制氨系统主要的能源方式是电厂的辅助蒸汽，所需要的蒸汽参数为：
压力0.7MPa，温度180℃以上。
通常每台300MW机组脱硝需氨量约200kg/h的情况下，蒸汽耗量约为1.0t/h。
尿素水解制氨系统可以采用单元制布置（一台水解器产氨供一台机组），也可采用公用制布置（一台水解器产氨供多台机组）。
尿素水解制氨反应器为机电控一体化的撬装设备，出厂前所有管道、阀门、仪表等均已安装、调试完成，并做好了油漆防腐和保温伴热。
设备到现场后接上管口和电缆即可启动。
尿素水解制氨反应器可以放置在脱硝钢架上，也可布置在尿素车间，送产品氨气至脱硝区。
水解器项目模块三维设计图：
水解器项目模块现场图片：
3、现场条件概况
项目规划时脱硝还原剂按液氨法考虑。
目前脱硝已按液氨作为还原剂方式建成投运（脱硝钢架未考虑尿素制氨反应器荷载）。
4、尿素水解方案
由于脱硝钢架未考虑尿素制氨反应器荷载，本次尿素水解方案按照常规布置放在尿素车间，利用管道将产品氨气送至脱硝区。
根据实际情况有如下两个方案：
4.1尿素水解方案
尿素溶液制备及储存系统按照两台机组进行设计。
尿素水解区安装2台尿素水解器，一用一备。
单台尿素水解器的出力按照两台炉110%的出力进行设计，即单台水解装置气氨出力为254kg/h。
尿素车间占地为28.5×31m，可在？
场地上规划建设。
5、尿素热解方案
5.1系统概述
尿素热解法制氨系统包括尿素储存间、斗提机、尿素溶解罐、尿素溶液给料泵、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）及控制装置等。
尿素储存于储存间，由斗提机输送到溶解罐里，用除盐水将干尿素溶解成约50%质量浓度的尿素溶液，通过尿素溶液给料泵输送到尿素溶液储罐。
尿素溶液经由供液泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等进入绝热分解器内分解，生成NH3、H2O和CO2，分解产物与稀释空气混合均匀并喷入脱硝系统。
尿素制氨工艺应满足：
还原剂的供应量能满足锅炉不同负荷与脱硝效率的要求，调节方便、灵活、可靠。
尿素储存区与其他设备、厂房等要有一定的安全防火距离，并在适当位置设置室外防火栓，设有防雷、防静电接地装置。
尿素制氨工艺应配有良好的控制系统。
5.2主要设备
（1）计量分配装置
尿素溶液的计量分配装置应能精确地测量和控制输送到分解室的尿素溶液流量。
每台炉设置1套计量分配装置，用于控制每只尿素溶液喷射器的流量及雾化和冷却空气的压力和流量。
（2）绝热分解室
每台锅炉设一套尿素溶液分解室。
尿素溶液由316L不锈钢制造的喷嘴雾化后喷入分解室，在350~600℃的高温热风/烟气条件下，尿素液滴分解成NH3、H2O、CO2。
尿素热解采用高温空气，由空预器出口约300℃一次风用电加热器将高温空气加热到约600℃。
热解炉尾部部分钢材材质为16Mn，最高允许温度值为450℃，高于工作温度约100℃。
每台热解炉出口至SCR反应器管道要求有流量测量装置并有相应的调节阀门。
热解炉雾化空气的品质要求必须满足雾化系统长期可靠运行。
卖方将确保尿素分解完全，杜绝氨气混合物管中出现再结晶或加热空气中的飞灰沉积现象。
卖方提供热解炉出口产物中的NH3与HNCO的体积比例，并保证中间产物HNCO对下游烟道设备不存在潜在负面影响。
热解炉布置在脱硝支架上方。
热解炉设置有冷风吹扫管路系统，通常从二次风冷端取气接到热解炉，作为紧急情况下热解炉吹扫降温用。
热解炉一次风的阀门为电动阀门。
（3）伴热系统
对尿素溶液输送管道，卖方应配置伴热系统。
热解炉后的气氨输送管道合理保温，保证氨喷射系统前的温度不低于300℃。
泵、管道、阀门等与尿素接触的设备的材料均为不锈钢。
输送尿素溶液时，当管道的公称直径小于DN50时，管道内尿素溶液流速不大于1m/s；当管道的公称直径大于DN50时，管道内尿素溶液流速不大于2m/s。
（4）水冲洗系统
尿素溶液管道均应有保温措施避免尿素溶液结晶，在尿素溶液管道上要设置完善的除盐水冲洗系统，消除尿素溶液结晶的影响。
冲洗水最终回到尿素溶解罐。
5.3尿素热解方案
6、技术比较
6.1尿素热解技术
1）尿素热解制氨技术自国内2009年投运以来，在国内有较多应用，约在200多台机组脱硝系统中使用，主要供应商为美国燃料公司和北京洛卡公司。
2）尿素热解技术的主要问题是其消耗的能源量大，运行成本偏高。
由于热解炉内流场、温度分布不均导致热解炉内尿素转化率低，尿素消耗量大。
3）热解炉必须布置的脱硝钢架上，改造工作量大。
4）热解反应所需热量由燃烧天然气、柴油或电加热稀释风等方式提供，为了保证其物料场和温度场的分布，其反应能耗不能随机组负荷降低而降低，不能多机组公用，运行成本偏高。
但该系统对氨气需求信号的响应时间较短，适应负荷变化能力较强，且由于热解过程远离腐蚀性条件，其热解炉材质要求较低，可以采用碳钢材质即可满足使用要求，相应工程造价较低。
6.2尿素水解技术
1）尿素水解制氨技术在国内于2011年投运，目前在国内约100台机组中进行了使用。
2）水解系统通过尿素水解器设置上部缓冲空间的方式，做到了对锅炉负荷变化秒级响应，该原理与液氨系统中的缓冲罐类似，根据现有机组的运行情况，解决了响应锅炉负荷慢的问题。
3）尿素水解制氨反应器蒸汽供热后的蒸汽冷凝水可送至尿素车间供尿素溶液配制循环使用，从而降低尿素水解制氨工艺运行成本。
4）与热解技术相比，水解技术采用电厂辅气以代替热解的电加热器，运行费用低，采用撬装模块化供货，现场工期短。
5）水解反应器模块可以布置脱硝钢架上或厂区0m，可以共用或单元制布置，布置灵活。
7、厂用电增容改造
对于热解方案，增加的电负荷较大。
每台机组热解电加热器负荷约600kW。
对应水解方案，厂用电系统基本没有大的改动。
8、方案比较
8.1投资费用比较
投资成本比较表
项目类别
水解方案
热解方案
备注
SCR区改造（万元）
200
850
尿素区设备投资（万元）
1340
750
含机电控
厂用电增容改造投资（万元）
50
200
总计（万元）
1590
1800
注：
提资投资不含土建及建安施工费
8.2运行费用比较
尿素水解和热解运行成本比较表（方案1）
项目类别
尿素水解
尿素热解
耗量
单价/元
年费用/万元
耗量
单价/元
年费用/万元
原料t/h
1.21
1800
1309.2
1.35
1800
1454.7
辅助蒸汽t/h
3.14
80
150.7
0.5
80
24
除盐水
0.20
5
0.6
0.85
5
2.5
电（380V）kW
70.0
0.4
16.8
2323.9
0.4
557.7
安全管理、维护
2.0
2.0
年运行总费用
1479.3万元
2041.0万元
尿素水解和热解运行成本比较表（方案2）
项目类别
尿素水解
尿素热解
耗量
单价/元
年费用/万元
耗量
单价/元
年费用/万元
原料t/h
2.25
1800
2430.0
2.5
1800
2700.0
辅助蒸汽t/h
5.9
80
283.2
1.0
80
48
除盐水
0.20
5
0.6
1.5
5
4.5
电（380V）kW
80.0
0.4
19.2
4272
0.4
1025.3
安全管理、维护
2.0
2.0
年运行总费用
2735.0万元
3779.8万元
8.3方案技术经济定性对比汇总
技术经济定性对比表
序号
项目
尿素热解法
尿素水解法
备注
1
初期投资
高
低
2
运行成本
高
主要耗量：
电
低
主要耗量：
蒸汽
3
安全要求
低
没有氨气储存
高
水解器内有氨气储存，需作为乙类容器考虑，尿素区需要考虑防爆
4
公用区占地面积
小
仅需考虑尿素储存、制备功能。
大
当水解区布置在公用区域，需要增加遮阳蓬等建筑物
5
改造难易程度
高
热解炉与电加热器布置在SCR区，单个热解炉重量在20吨左右，需考虑钢架加固；此外电加热器电耗量大，需要考虑单独配电，需增加电气小室。
低
水解器可以布置在公用区域，成品氨气通过管路输送到SCR区。
水解器成品氨气需要热风稀释，一般采用热一次风。
9、结论和建议
由于国内近几年液氨储存和运输事故频发，国内各个电力集团在脱硝还原剂制备技术方面都做了技术推荐，其中：
国电集团从2014年9月1日后的脱硝工程原则上要求采用尿素制氨技术，基本上全部采用了尿素水解制氨工艺；大唐集团如采用尿素的情况，首先考虑尿素水解，不采用尿素热解技术；中电投集团正准备将集团内的液氨项目全部改为尿素水解项目，其中中电国际芜湖电厂、福溪电厂于2016年完成立项，2017年上半年实施完成。
尿素水解制氨系统因其安全、稳定、可靠、运行费用低等优势，逐渐成为尿素制氨系统的主流技术。
目前国内采用尿素热解系统的电厂正在改造为更加节能的尿素水解制氨系统，部分电厂已将尿素热解系统改造为尿素水解制氨系统（山西兴能2×300MW+2×600MW机组、大唐河南首阳山电厂2×300MW+2×200MW、国电山西大同二电厂二期和三期（2×600MW+2×660MW）、国电沈阳热电厂（2×330MW）。
9.1结论
对于大南湖电厂，尿素水解、热解方案在技术上均可行。
包括锅炉SCR区的改造以及新建尿素区的总平面布置。
由于采用尿素热解方式需要对脱硝钢架进行重新设计和加固，而尿素水解方式不需对脱硝钢架进行加固，能够减少脱硝区投资和缩短建设工期。
9.2建议
综上所述，推荐采用安全性、经济型、适用性更高的尿素水解制氨技术方案。
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