國內首臺煙氣熱解尿素制氨脫硝工藝研究與應用

張志良，劉富強，王海濤

（1.五凌電力貴州黔東電力有限公司，貴州 黔東南 557702；2.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004； 3.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 概述

液氨屬于易燃易爆危險品，10 t以上儲存量即為“重大危險源”，黔東電廠2×600 MW機組液氨儲存區(qū)配置3臺150 m3的儲罐，屬于“重大危險源”，需要與地方安監(jiān)部門聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，必須有嚴格的安全保障和防火措施，其運輸、存儲涉及到國家和當?shù)氐姆ㄒ?guī)及勞動衛(wèi)生標準，系統(tǒng)設備安全運行維護成本高。尿素則是無毒、無害的化學品，是農業(yè)常用的肥料，無爆炸可能性，完全沒有危險性，出于尿素在運輸、儲存中無需安全及危險性的考量，對環(huán)境無害，以及不需任何的緊急措施來確保安全，更加適用于燃煤電站煙氣脫硝工程，根據(jù)DL/T 5480-2013《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設計技術規(guī)程》中1.0.8：位于大中城市及近郊區(qū)的電廠，宜選擇尿素作為還原劑。近年來液氨泄漏事故時有發(fā)生，鑒于目前安全要求日趨嚴格的背景下以及國家電投火電〔2016〕201號《國家電力投資集團公司火電工程設計優(yōu)化指導意見》要求新建電廠脫硝選擇尿素作為還原劑，脫硝系統(tǒng)采用尿素制氨已成為環(huán)保趨勢。為響應集團公司號召，黔東電廠以超低排改造為契機將脫硝液氨改為尿素熱解工藝制氨。

2 尿素制氨工藝路線的選擇

由于早期尿素熱解工藝能耗高（機組負荷50%以下需投入電加熱運行），故對熱解工藝選擇較少。近幾年隨著尿素制氨工藝的不斷更新?lián)Q代，能耗和安全性也有所提高，調研和走訪以尿素熱解工藝制氨的行業(yè)和電廠，對系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性、效益性、操作便利性和改進性等方面開展了專題調研，結合我廠實際情況，通過調取近1年機組啟停機鍋爐煙氣溫度曲線和SCR投運條件等多項重要參數(shù)反復驗證，編制了專項報告，首次提出“液氨改尿素熱解項目采用冷風+爐內煙氣加熱器不設電加熱器輔助加熱的方式”能滿足機組自并網(wǎng)至滿負荷全程投入脫硝的全新技術路線。

3 項目實施的技術創(chuàng)新及特點

本次液氨改尿素熱解工藝制氨項目中共有3個技術創(chuàng)新和特點：

（1）首次創(chuàng)新性提出“液氨改尿素熱解工藝制氨項目采用冷風+爐內煙氣加熱器不設電加熱器輔助加熱的方式”，能滿足機組自并網(wǎng)前半小時至滿負荷全程投入脫硝的全新技術路線。

普通熱解工藝是機組負荷在并網(wǎng)初期和300 MW以下需投入電加熱器對稀釋風進行輔助加熱，以滿足尿素熱解所需的熱量。按我廠風量計算電加熱器容量至少需配置2 200 KW，電耗非常高。創(chuàng)新特點是通過對機組開機并網(wǎng)時煙氣溫度等多項參數(shù)和設備內部構造反復研究、論證，最終確定將爐內加熱器懸吊布置在鍋爐水平煙道內，冷熱風集箱全部布置在爐內，提高換熱效率，減少熱量損失。與普通熱解工藝相比具有系統(tǒng)布置簡單、設備投入量少、運行維護簡便、故障率低、運行成本更低等特點，在國內600 MW及以上W型火焰鍋爐機組屬首臺。

（2）首次創(chuàng)新性提出我廠尿素溶液分解氨氣使用的熱解爐為單爐體設計，最大制氨量高達640 kg/h。

目前普通制造工藝普遍設計單爐體最大制氨量480 kg/h的能力。按照我廠消耗氨氣量需求，單臺機組需配置2臺熱解爐才能滿足要求。創(chuàng)新特點是與熱解爐廠家充分論證和建模對比，為了杜絕稀釋風流速高可能會出現(xiàn)尿素溶液分解不完全，最終造成尿素結晶的風險，在熱解爐上采用了一些特殊設計，調整熱解爐入口旋流分布器的設計，增強熱解爐內氣流旋轉的強度；同時增加尿素溶液在爐內停留時間，通過增加噴槍至熱解爐出口法蘭之間的高度，以保證停留時間不低于8 s。優(yōu)化高、低負荷區(qū)間噴槍投退邏輯，提高噴尿素精度。目前我廠投用的熱解爐為單臺制氨量最大、熱解爐尺寸最大、噴槍數(shù)量最多，在國內600 MW及以上W型火焰鍋爐機組屬首臺。

（3）尿素熱解項目原計劃4月1日開工建設，6月15日并網(wǎng)發(fā)電，總建設工期75 d。

因特殊情況4月20日才開工，從開工到6月19日并網(wǎng)發(fā)電，整個項目從設計、施工、設備供貨到投產只用了60 d，大家群策群力，采取多項有力措施，將時間追回，保證了項目如期投運，工期在行業(yè)內建設同類型600 MW級項目用時最短。

4 尿素熱解系統(tǒng)

（1）尿素儲存系統(tǒng)

袋裝尿素由汽車運輸?shù)綇S尿素站。尿素站應設置1個尿素儲存區(qū)，用于堆放袋裝尿素，儲量按2臺機組BMCR工況下3 d所需設計。

（2）尿素溶解罐

設置2個尿素溶解罐，采用地下式，將尿素拆包后輸送到溶解罐，溶解罐用于制備尿素溶液和精確配置其濃度，每天配置2罐即可滿足2臺機組1 d消耗總量，材料采用304不銹鋼。溶解罐中裝有盤管式加熱器，當罐中溶液溫度低時，開啟加熱蒸汽進行加熱，防止結晶。每個尿素溶解罐上設置1臺攪拌器，作用是使尿素更好地溶解混合、防止顆粒沉淀。

溶解罐上裝有水流量控制系統(tǒng)、排風扇、密度計。尿素溶解罐設有人孔、顆粒尿素進口、蒸汽進口、溶解水進口、循環(huán)回流口、尿素溶液出口、呼吸管及熱排風機、溢流管、排污管、攪拌器、液位、溫度測量等設施。

（3）尿素溶液輸送泵

設置2臺尿素溶液輸送泵，將溶解罐中的尿素溶液輸送至尿素溶液儲罐；尿素溶液輸送泵入口加裝過濾裝置，泵出口設置反沖洗水，泵停運時立即啟動沖洗水沖洗管道、泵和閥門等，防止殘留尿素溶液結晶堵塞管道泵、閥門。

（4）尿素溶液儲罐

設置2個尿素溶液儲罐，尿素溶液經由尿素溶液輸送泵進入尿素溶液儲罐。尿素溶液儲罐滿足2臺機組BMCR工況下3 d所需用量（50%尿素溶液）要求。儲罐采用304不銹鋼制造。儲罐為立式平底結構，裝有液面、溫度顯示儀、人孔、梯子、通風孔及蒸汽加熱裝置（保證溶液溫度高于結晶溫度5℃）等。儲罐基礎為混凝土結構，露天放置。設置尿素溶液加熱盤管，尿素溶液管道需要用蒸汽進行伴熱和保溫。

（5）尿素溶液循環(huán)泵

設置3臺尿素溶液循環(huán)泵，采用多級變頻離心泵，每臺泵對應1臺尿素熱解器，單元制設置，2運1備。容量按照鍋爐滿負荷運行需要的尿素溶液量設計。尿素溶液供液泵過流部件材質為304不銹鋼、機械密封，入口加裝過濾器。管道、閥門等與尿素接觸的設備的材料均為304不銹鋼。

（6）尿素熱解系統(tǒng)

尿素熱解系統(tǒng)包括尿素熱解爐、計量模塊、相應的管道閥門等。

熱解系統(tǒng)是一個由鋼結構底座、熱解爐、工藝管道、電氣控制柜、儀表閥門、安全閥等組成的撬裝設備，具體如下：

1）熱解爐

一個完整的熱解爐系統(tǒng)由出入口連接法蘭、外部保溫、電加熱裝置和溫度控制以及氨/空氣混合物的流量、壓力以及溫度的控制和過程指示等組成。

2）計量和分配裝置

尿素溶液的計量和分配裝置能精確地測量和控制輸送到熱解爐的尿素溶液流量，以精確計量和分配控制輸送到每臺熱解爐的每一個噴射器的尿素流量、霧化和冷卻空氣的壓力和流量。

3）尿素溶液噴射器（噴槍）

熱解爐噴射組件（噴槍）設計安裝在熱解爐上，布置在熱解爐的周圍，經過計量和分配裝置的尿素溶液由噴射器噴入熱解爐。

4）主要的工藝管道

包括：蒸汽加熱管道、尿素溶液管道、產品氣（即氨蒸汽）管道、除鹽水沖洗管道、表面排污管道、底部排污管道、安全泄放管道等。

濃度約40%～60%的尿素溶液經噴槍霧化后噴入分解室，在500℃～600℃的高溫熱風條件下，尿素液滴分解成NH3、H2O、CO2。

設置2臺熱解爐，每臺熱解爐供1臺機組用。單臺熱解器制氨能力為640 kg/h。

5）加熱蒸汽及疏水回收系統(tǒng)

加熱蒸汽來自尿素區(qū)旁綜合管架蒸汽主管，用于溶解罐、尿素溶液儲罐加熱。蒸汽經溶解罐、儲罐加熱后冷凝的疏水，由各疏水管道收集到疏水箱，用作配制尿素溶液、沖洗尿素溶液管道、尿素溶液管道伴熱等。

6）伴熱系統(tǒng)

各尿素溶液管道均設置有伴熱系統(tǒng)，防止其內溫度降低帶來結晶危險。

7）其它輔助系統(tǒng)

沖洗系統(tǒng)

尿素溶液輸送泵、給料泵在停運后均應進行沖洗，消除結晶，防止堵塞管道、閥門等。沖洗水由疏水泵從疏水箱提供，設1個疏水箱，2臺疏水泵（1運1備）。

除鹽水系統(tǒng)

從廠區(qū)除鹽水母管處引入除鹽水，用作溶解罐、儲罐、疏水箱的補水及尿素溶液輸送泵、給料泵的沖洗，在尿素制氨車間設置有1個除鹽水小總門。

廢水系統(tǒng)

尿素制備區(qū)設1個廢水坑，箱罐排放采用管道收集至地坑。設置2臺廢水泵（1運1備）。

5 設備投運后情況分析

黔東電廠液氨改尿素熱解項目自2021年06月19日首次投運至今，運行已滿1年，2臺機組經歷30余次啟機，每次都能滿足并網(wǎng)前0.5 h即投運尿素熱解系統(tǒng)，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，幾乎無增加運行人員操作量，也未發(fā)生設備損壞和異常事件。

采用冷風+爐內煙氣加熱器輔助加熱的全新熱解技術路線，由于取消了電加熱器在機組啟動初期和300 MW負荷以下運行，每年2臺機組節(jié)省電費近150萬元。采用全新設計的尿素熱解爐，制氨效率較普通尿素熱解爐提升2.7%，尿素單耗降低0.27 g/kW·h，年節(jié)約費用約324萬元。采用全新工藝的熱解系統(tǒng)減少了大型電加熱器、變壓器、開關、電纜、DCS增加點數(shù)等設備，2臺機組減少投資成本200余萬元（材料量估算）；同時減少了設備維護工作量和備品備件費用。采用全新熱解工藝增加的爐內煙氣加熱器、熱解爐等主設備多為純機械設備，煙氣加熱器只需與鍋爐4管防磨防爆一起開展檢查，熱解爐每次機組啟動前檢查噴槍霧化效果即可，無須設置單獨大、小修計劃，節(jié)省檢修成本。

6 總結

黔東電廠液氨改尿素熱解工藝制氨項目自2021年06月19日首次并網(wǎng)發(fā)電，尿素熱解系統(tǒng)所有設備一次投運成功；06月23日機組滿負荷連續(xù)出力運行，尿素熱解系統(tǒng)運行穩(wěn)定，參數(shù)優(yōu)良，滿足機組并網(wǎng)前0.5 h到滿負荷區(qū)間的尿素制氨要求；2022年3月份經第三方檢測機構性能試驗，各項參數(shù)優(yōu)良，完全滿足超低排放標準，改造非常成功，創(chuàng)造了精品工程，在其他電廠有同類型新建或改造尿素熱解制氨項目可進行大范圍推廣和應用。