以尿素替代液氨實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝本質(zhì)安全的實(shí)踐

葛 爽

(神華國(guó)華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221166)

0 前言

隨著火力發(fā)電企業(yè)機(jī)組容量的快速擴(kuò)張，燃煤電廠排放的大量SOx和NOx惡化了生態(tài)環(huán)境，環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻。為此，國(guó)家對(duì)NOx污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更嚴(yán)格的要求。

神華國(guó)華徐州發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱國(guó)華徐州電廠)脫硝工程采用液氨作為還原劑，不僅造成電廠對(duì)重大危險(xiǎn)源管控壓力變大，同時(shí)也使廠區(qū)周邊居民區(qū)、學(xué)校等人員密集區(qū)面臨的氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)變大。該電廠分析了華能國(guó)際電力股份有限公司玉環(huán)電廠(以下簡(jiǎn)稱華能玉環(huán)電廠)1 000 MW機(jī)組采用尿素替代液氨還原劑的生產(chǎn)工藝，對(duì)比了二者的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，為火電機(jī)組采用尿素替代液氨脫硝、消除重大危險(xiǎn)源提供了參考。

1 尿素作還原劑的脫硝過(guò)程

1.1 華能玉環(huán)電廠脫硝工程基本情況

華能玉環(huán)電廠4×1 000 MW機(jī)組的鍋爐脫硝工程采用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)工藝，將尿素作為還原劑。全廠4臺(tái)鍋爐共用1個(gè)還原劑儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)100 %煙氣脫硝，脫硝率不低于80 %。每臺(tái)鍋爐配備2個(gè)SCR反應(yīng)器，反應(yīng)器布置在鍋爐兩側(cè)省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間，位于送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)上方，使用蜂窩式催化劑。脫硝系統(tǒng)設(shè)置SCR反應(yīng)器煙氣旁路。

1.2 SCR工作原理

將濃度為5 %的還原劑NH3(氨氣)均勻噴入煙氣中，在催化劑作用下，氨氣將煙氣中的NOx還原成N2和H2O，即：

在脫硝系統(tǒng)中，每臺(tái)脫硝反應(yīng)器安裝1套完整的氨噴射及渦流混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)能保證NH3與空氣混合物噴入煙道后與煙氣充分混合，達(dá)到煙氣中的NH3與NOx均勻分布。

1.3 SCR工藝流程

還原劑SCR煙氣脫硝裝置主要由尿素供應(yīng)系統(tǒng)、尿素溶解系統(tǒng)、熱解爐、催化劑、排氣系統(tǒng)、反應(yīng)器等組成，其脫銷工藝流程如圖1所示。

(1) 尿素顆粒經(jīng)斗提機(jī)輸送到尿素斗，再輸送到溶解罐里。

(2) 在溶解罐里，除鹽水將干尿素溶解成質(zhì)量濃度55 %的尿素溶液，通過(guò)尿素溶液輸送泵輸送到尿素溶液罐，尿素溶液經(jīng)過(guò)輸送循環(huán)裝置進(jìn)入計(jì)量分配裝置。

(3) 尿素溶液在熱解室內(nèi)裂解為氨氣，熱解爐出口的氨/空氣混合氣體經(jīng)母管送入各分支管，分支管的混合氣體噴入位于煙道內(nèi)的渦流混合器處。

(4) 氨/空氣通過(guò)渦流混合器，與煙氣充分混合后進(jìn)入催化反應(yīng)器。當(dāng)達(dá)到反應(yīng)溫度且與氨氣充分混合的煙氣氣流經(jīng)SCR反應(yīng)器的催化層時(shí)，NH3與NOx發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，將NOx還原為無(wú)害的N2和H2O。

圖1 尿素脫硝工藝流程

另外，在尿素溶解罐和尿素溶液罐裝有蒸汽加熱系統(tǒng)，以控制尿素溶液的溫度，防止尿素析出結(jié)晶。蒸汽加熱系統(tǒng)疏水全部返回到疏水箱，再通過(guò)疏水泵返回用于尿素溶解。

1.4 主要設(shè)備介紹

每臺(tái)鍋爐設(shè)1套尿素?zé)峤鉅t。尿素溶液由噴射器(每臺(tái)爐設(shè)12支)霧化后噴入分解室，在342—600 ℃的高溫?zé)犸L(fēng)/煙氣條件下，尿素液滴裂解成NH3，H2O和CO2。尿素?zé)峤獠捎靡淮胃邷乜諝?，風(fēng)量設(shè)計(jì)值為8 289 Nm3/h，最大值為9 000 Nm3/h。用電加熱器將高溫空氣最高加熱到600 ℃，每臺(tái)爐的電加熱器最高功率1 200 kW。熱風(fēng)管道從熱一次風(fēng)的管道接口處接出。

熱解爐由北京福泰克環(huán)?？萍加邢薰驹O(shè)計(jì)，常州斯派克能源設(shè)備有限公司制造。熱解爐高度17 370 mm，重量15 239 kg，內(nèi)徑Φ2 745/755，壁厚8 mm。熱解爐包括熱解爐本體部分、熱解爐尾部U型管道、熱解爐長(zhǎng)短噴槍及連接管道、計(jì)量模塊控制部分的管道、閥門，其尾部部分鋼材材質(zhì)為16 Mn，最高允許溫度值為450 ℃，高于工作溫度約100 ℃。每臺(tái)熱解爐出口至SCR反應(yīng)器管道有流量測(cè)量裝置并有相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門。

4臺(tái)鍋爐的脫硝裝置共用1個(gè)還原劑(尿素)儲(chǔ)存、卸裝及供應(yīng)區(qū)域。

尿素溶解車間主要設(shè)備系統(tǒng)有：尿素存儲(chǔ)、制備、供應(yīng)系統(tǒng)，包括尿素顆粒倉(cāng)、袋式除塵器、斗提機(jī)、尿素斗、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素車間地坑泵、尿素溶液罐、尿素溶液循環(huán)裝置、蒸汽加熱及管路伴熱系統(tǒng)以及工藝水、水源、氣源等引接系統(tǒng)等。

華能玉環(huán)電廠在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，尿素車間儲(chǔ)存袋裝尿素易受潮板結(jié)，無(wú)法使用。斗提機(jī)料斗、尿素入口處尿素受潮板結(jié)后，會(huì)造成提升機(jī)效率低及故障頻發(fā)。因此，該電廠對(duì)其進(jìn)行了改造，增設(shè)1臺(tái)壓縮空氣儲(chǔ)罐(使用雜用氣，通過(guò)減壓閥調(diào)整壓力為0.2 MPa)，尿素斗增加尿素進(jìn)口管道。

2 液氨作還原劑的脫硝流程

2.1 國(guó)華徐州電廠脫硝工程基本情況

國(guó)華徐州電廠2×1 000 MW機(jī)組鍋爐脫硝工程采用SCR工藝，將液氨作為還原劑，以達(dá)到去除煙氣中NOX目的。SCR反應(yīng)器采用高灰型工藝布置(即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空預(yù)器之間)。1，2號(hào)機(jī)組共用1套液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)，外購(gòu)液氨通過(guò)液氨槽車運(yùn)至液氨儲(chǔ)存區(qū)，通過(guò)往復(fù)式卸料壓縮機(jī)將液氨儲(chǔ)罐中的氣氨壓縮后送入液氨槽車，利用壓差將液氨槽車中的液氨輸送到液氨儲(chǔ)罐中；液氨經(jīng)液氨蒸發(fā)槽蒸發(fā)成氨氣后進(jìn)入氨氣緩沖罐，氨氣通過(guò)稀釋風(fēng)機(jī)稀釋后，分別經(jīng)過(guò)2臺(tái)機(jī)組的噴氨格柵送入SCR反應(yīng)器。液氨脫硝工藝流程如圖2所示。

2.2 工作原理

圖2 液氨脫硝工藝流程

NOX和NH3按1∶1的比例噴入鍋爐煙氣中的NH3，在SCR反應(yīng)器中催化劑的作用下，與煙氣中NOX按下述化學(xué)反應(yīng)式進(jìn)行反應(yīng)，從而達(dá)到降低排煙中NOX含量的目的。

液氨儲(chǔ)罐設(shè)置2套，每個(gè)儲(chǔ)罐的容積為95 m3，充裝系數(shù)為0.85。為了減少液氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)，僅按照系數(shù)0.55充裝，能滿足2臺(tái)鍋爐BMCR工況連續(xù)運(yùn)行3天的消耗量。儲(chǔ)罐上安裝有逆止閥、緊急門和安全閥等，并裝有溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)、高液位報(bào)警儀和相應(yīng)的變送器等。儲(chǔ)罐有防太陽(yáng)輻射措施，四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴，當(dāng)儲(chǔ)罐本體溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)淋水裝置降溫。

下面主要介紹工藝設(shè)計(jì)中脫硝劑的存儲(chǔ)和制備系統(tǒng)中的一些設(shè)備流程。

2.3 工藝設(shè)備

2.3.1 卸料壓縮機(jī)

卸料壓縮機(jī)一般為往復(fù)式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)抽取液氨儲(chǔ)罐中的氣態(tài)氨，經(jīng)壓縮后將槽車中的液氨推擠入液氨儲(chǔ)罐中。由于槽車向儲(chǔ)罐供氨的過(guò)程中，隨著槽車中液氨量的減少，壓力也不斷下降，甚至影響繼續(xù)供氨，因此用卸料壓縮機(jī)提高槽車內(nèi)的壓力，以保證槽內(nèi)的液氨可全部順利卸出。卸氨系統(tǒng)主要由卸料壓縮機(jī)和液氨槽車組成，這部分管道的設(shè)計(jì)需與槽車相配，而且與槽車接口的管道宜用不銹鋼材質(zhì)。

2.3.2 液氨儲(chǔ)罐

液氨儲(chǔ)罐是SCR系統(tǒng)液氨儲(chǔ)存的設(shè)備，一般為能承受一定壓力載荷的罐體。儲(chǔ)罐上安裝有超流閥、逆止閥、緊急關(guān)斷閥和安全閥，在儲(chǔ)罐液氨泄漏時(shí)起保護(hù)作用。儲(chǔ)罐還裝有溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和相應(yīng)的變送器，并將信號(hào)送到脫硝控制系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度或壓力過(guò)高時(shí)報(bào)警。儲(chǔ)罐四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴，當(dāng)儲(chǔ)罐罐體溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)淋水裝置啟動(dòng)，對(duì)罐體自動(dòng)噴淋減溫；當(dāng)有微量氨氣泄漏時(shí)，也可啟動(dòng)自動(dòng)淋水裝置，對(duì)氨氣進(jìn)行吸收，控制氨氣污染。2.3.3 液氨蒸發(fā)槽

液氨蒸發(fā)槽一般為螺旋管式。管內(nèi)為液氨，管外為溫水浴，以蒸汽直接將水加熱到40 ℃供液氨汽化，并加熱至常溫。蒸汽流量受蒸發(fā)槽本身水浴溫度控制調(diào)節(jié)，當(dāng)水的溫度高過(guò)45 ℃時(shí)則切斷蒸汽來(lái)源，并在控制室DCS上報(bào)警顯示。蒸發(fā)槽上裝有壓力控制閥，將氨氣出口壓力控制在0.2 MPa，當(dāng)出口壓力達(dá)到0.38 MPa時(shí)，則切斷液氨進(jìn)料。在氨氣出口管線上也裝有溫度檢測(cè)器，當(dāng)溫度低于10 ℃時(shí)切斷液氨，使氨氣至緩沖槽維持適當(dāng)溫度及壓力。蒸發(fā)槽也裝有安全閥，可防止設(shè)備壓力異常過(guò)高。

2.3.4 氨氣緩沖罐

從蒸發(fā)槽蒸發(fā)的氨氣流進(jìn)入氨氣緩沖罐，通過(guò)調(diào)壓閥減壓到0.18 MPa，再經(jīng)氨氣輸送管線送到鍋爐側(cè)的脫硝系統(tǒng)。緩沖罐的作用是保證氨氣有一定的壓力，穩(wěn)定氨氣的供應(yīng)，避免受蒸發(fā)槽操作不穩(wěn)定的影響。

2.3.5 稀釋風(fēng)機(jī)

稀釋風(fēng)機(jī)可將稀釋風(fēng)引入氨與空氣混合系統(tǒng)，有以下3個(gè)作用：

(1) 用于控制；

(2) 作為NH3載體，通過(guò)噴氨格柵使NH3在煙道中均勻分布；

(3) 混入加熱后的稀釋風(fēng)，有助于氨氣中的水分汽化。引入稀釋風(fēng)后，需要增加1個(gè)稀釋風(fēng)的加熱器，通常采用蒸汽加熱或電加熱，個(gè)別工藝采用蒸汽加熱為主、電加熱器為輔的方式。

在管路設(shè)計(jì)中，一般在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處設(shè)置氣動(dòng)閥門，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口加裝止回閥，避免因備用風(fēng)機(jī)投用時(shí)停運(yùn)風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)，使氨濃度短時(shí)超過(guò)安全范圍。2.3.6 氨 / 空氣混合器

在進(jìn)入噴氨格柵前，氨氣需在氨/空氣混合器中充分混合，以便于調(diào)節(jié)氨氣的濃度，同時(shí)有助于噴氨格柵中氨氣均勻分布。將氨氣流量控制器控制的氨氣與來(lái)自稀釋風(fēng)機(jī)的空氣以1∶20的比例混合，并經(jīng)噴射器進(jìn)入脫硝系統(tǒng)。

2.3.7 氨氣稀釋槽

氨氣稀釋槽一般為立式水槽，水槽液位由滿溢流管線維持，稀釋槽設(shè)計(jì)連結(jié)有槽頂淋水和槽側(cè)進(jìn)水。液氨系統(tǒng)各排放處排出的氨氣由管線匯集后，從稀釋槽低部進(jìn)入，通過(guò)分散管將氨氣分散入稀釋槽水中，利用大量水來(lái)吸收安全閥排放的氨氣。

2.3.8 氨氣泄漏檢測(cè)器

液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)周邊設(shè)有氨氣檢測(cè)器，以檢測(cè)氨氣的泄漏，并顯示空氣中氨的濃度。當(dāng)檢測(cè)器測(cè)得空氣中氨濃度過(guò)高時(shí)，在機(jī)組控制室會(huì)出現(xiàn)警報(bào)，操作人員需采取必要措施，以防止發(fā)生氨氣泄漏的異常情況。電廠液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)宜設(shè)在爐后，并采取措施與周圍系統(tǒng)作適當(dāng)隔離。

2.3.9 排放系統(tǒng)

液氨儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)的氨排放管路為一個(gè)封閉系統(tǒng)，將經(jīng)由氨氣稀釋槽吸收成氨廢水后排放至廢水池，再經(jīng)由廢水泵送到廢水處理系統(tǒng)。由于廢水具有一定的腐蝕性，因此要求廢水泵具備耐腐蝕性。

2.3.10 氮?dú)獯祾?/p>

保持液氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)的嚴(yán)密性，防止氨氣的泄漏和氨氣與空氣的混合造成爆炸是最關(guān)鍵的安全問(wèn)題。SCR系統(tǒng)的卸料壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、氨氣溫水槽、氨氣緩沖罐等都需設(shè)置氮?dú)獯祾吖芫€。在液氨卸料之前，要對(duì)以上設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查和氮?dú)獯祾撸乐拱睔庑孤┖拖到y(tǒng)中殘余的空氣與氨氣混合而產(chǎn)生潛在的爆炸危險(xiǎn)。在系統(tǒng)拆卸檢修前，也必須對(duì)系統(tǒng)用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃置換，達(dá)到要求后方可進(jìn)行拆卸檢修和動(dòng)火。

3 安全性分析

華能玉環(huán)電廠采用尿素作還原劑，無(wú)臭無(wú)味，是無(wú)色或白色針狀或棒狀結(jié)晶體，含氮量約為46.67 %，熔點(diǎn)132.7 ℃，易溶于水、醇，呈弱堿性，安全性極高。

國(guó)華徐州電廠采用液氨作還原劑，液氨為無(wú)色液體，是強(qiáng)腐蝕性有毒物質(zhì)、強(qiáng)制冷劑，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，極易轉(zhuǎn)化為氨氣，在-33 ℃(在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力)沸騰。液氨蒸汽對(duì)皮膚和眼睛有強(qiáng)烈的腐蝕作用，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重疼痛性灼傷，對(duì)呼吸道有窒息作用，當(dāng)氨氣在空氣中濃度達(dá)到0.5 %時(shí)，吸入5—10 min即可使人死亡，屬于中度危害的化學(xué)物質(zhì)。氣體無(wú)水氨與空氣混合物的爆炸極限為15 %—28 %。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

在同等負(fù)荷和利用小時(shí)數(shù)下，分析華能玉環(huán)電廠和國(guó)華徐州電廠的經(jīng)濟(jì)性。

(1) 華能玉環(huán)電廠以尿素作還原劑，到廠價(jià)約2 500元/t，單機(jī)年消耗量約5 000 t，單機(jī)費(fèi)用約1 250萬(wàn)元。

(2) 國(guó)華徐州電廠以液氨作還原劑，到廠價(jià)約為4 000元/t，單機(jī)年消耗量1 100 t，單機(jī)費(fèi)用約440萬(wàn)元。另外，液氨儲(chǔ)罐的年度檢測(cè)與安全評(píng)估綜合費(fèi)用約2萬(wàn)元，蒸汽耗量(蒸發(fā)罐)、電耗(風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng))、煙溫?fù)p失(20 ℃的稀釋空氣進(jìn)入AIG需升溫到350 ℃導(dǎo)致的煙溫?fù)p失)等，與尿素系統(tǒng)費(fèi)用基本相同。

結(jié)合以上費(fèi)用，若采用尿素作為還原劑，其單機(jī)費(fèi)用為液氨的2.7倍。

同時(shí)，如果采用尿素替代液氨進(jìn)行脫硝工程改造，整套設(shè)備投資概算資金約1 000萬(wàn)元，其中熱解爐耗資較大，約為800萬(wàn)元，尿素溶解車間和其他設(shè)施投資不大。

5 可靠性分析

整套尿素?zé)峤庠O(shè)備整體運(yùn)行故障率較低，檢修和運(yùn)行工作量都不大，且不存在泄漏危險(xiǎn)性，管理成本低，規(guī)避了重大危險(xiǎn)源——液氨泄漏造成的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

液氨在運(yùn)輸、裝卸、運(yùn)行過(guò)程中均存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)較復(fù)雜。泄漏后，由氨氣檢測(cè)裝置啟動(dòng)緊急制動(dòng)閥，聯(lián)動(dòng)工藝噴淋、消防噴淋，人員操作水炮，可有效吸釋氨氣，將氨氣泄漏危害性降到最低。

6 技改提升計(jì)劃

華能玉環(huán)電廠熱解爐采用300 ℃的一次風(fēng)作為部分加熱源，若使用500—600 ℃煙氣作加熱源，則更為節(jié)能、經(jīng)濟(jì)。

7 結(jié)論

通過(guò)比較可知，用尿素或液氨作為SCR還原劑各有優(yōu)劣。采用尿素作還原劑是安全的，但初期投資高，運(yùn)行費(fèi)用高；采用液氨作還原劑，初期投資低，運(yùn)行費(fèi)用低，但液氨作為重大危險(xiǎn)源，在運(yùn)輸和儲(chǔ)備時(shí)存在一定的安全隱患，在運(yùn)輸和生產(chǎn)安全管理上對(duì)電廠的要求較高。另一方面，在考慮選擇何種還原劑進(jìn)行脫硝時(shí)，還需要結(jié)合場(chǎng)地布置方面的要求，液氨罐區(qū)要求的場(chǎng)地較大，對(duì)于場(chǎng)地較緊張的老廠改造項(xiàng)目或位于人口較密集地區(qū)的電廠不宜采用。相對(duì)來(lái)說(shuō)，使用尿素安全可靠，在運(yùn)輸及儲(chǔ)存等方面沒(méi)有特殊要求，設(shè)備布置相對(duì)緊湊，可以在運(yùn)輸不便或者場(chǎng)地較緊張且周邊入口稀少的情況下采用。脫硝還原劑采用尿素替代液氨，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、操作流程簡(jiǎn)便、環(huán)境污染較小，運(yùn)行安全可靠，管理成本降低，雖運(yùn)營(yíng)成本大幅增加，但實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)原料的源頭上消除了重大危險(xiǎn)源，減少了液氨泄漏對(duì)周邊人員造成傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了燃煤電廠脫硝設(shè)備運(yùn)行本質(zhì)安全。