葛 爽

(神華國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221166)

0 前言

隨著火力發(fā)電企業(yè)機組容量的快速擴張，燃煤電廠排放的大量SOx和NOx惡化了生態(tài)環(huán)境，環(huán)保形勢日益嚴峻。為此，國家對NOx污染物排放標準提出了更嚴格的要求。

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

1 尿素作還原劑的脫硝過程

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臺鍋爐共用1個還原劑儲存與供應系統(tǒng)，實現(xiàn)100 %煙氣脫硝，脫硝率不低于80 %。每臺鍋爐配備2個SCR反應器，反應器布置在鍋爐兩側(cè)省煤器出口和空氣預熱器之間，位于送風機和一次風機上方，使用蜂窩式催化劑。脫硝系統(tǒng)設置SCR反應器煙氣旁路。

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，每臺脫硝反應器安裝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系統(tǒng)、尿素溶解系統(tǒng)、熱解爐、催化劑、排氣系統(tǒng)、反應器等組成，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，通過尿素溶液輸送泵輸送到尿素溶液罐，尿素溶液經(jīng)過輸送循環(huán)裝置進入計量分配裝置。

(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/空氣通過渦流混合器，與煙氣充分混合后進入催化反應器。當達到反應溫度且與氨氣充分混合的煙氣氣流經(jīng)SCR反應器的催化層時，NH3與NOx發(fā)生催化氧化還原反應，將NOx還原為無害的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，再通過疏水泵返回用于尿素溶解。

1.4 主要設備介紹

每臺鍋爐設1套尿素熱解爐。尿素溶液由噴射器(每臺爐設12支)霧化后噴入分解室，在342—600 ℃的高溫熱風/煙氣條件下，尿素液滴裂解成NH3，H2O和CO2。尿素熱解采用一次高溫空氣，風量設計值為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 ℃，每臺爐的電加熱器最高功率1 200 kW。熱風管道從熱一次風的管道接口處接出。

熱解爐由北京福泰克環(huán)?？萍加邢薰驹O計，常州斯派克能源設備有限公司制造。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、熱解爐長短噴槍及連接管道、計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 ℃。每臺熱解爐出口至SCR反應器管道有流量測量裝置并有相應的調(diào)節(jié)閥門。

4臺鍋爐的脫硝裝置共用1個還原劑(尿素)儲存、卸裝及供應區(qū)域。

尿素溶解車間主要設備系統(tǒng)有：尿素存儲、制備、供應系統(tǒng)，包括尿素顆粒倉、袋式除塵器、斗提機、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)電廠在運行中發(fā)現(xiàn)，尿素車間儲存袋裝尿素易受潮板結(jié)，無法使用。斗提機料斗、尿素入口處尿素受潮板結(jié)后，會造成提升機效率低及故障頻發(fā)。因此，該電廠對其進行了改造，增設1臺壓縮空氣儲罐(使用雜用氣，通過減壓閥調(diào)整壓力為0.2 MPa)，尿素斗增加尿素進口管道。

2 液氨作還原劑的脫硝流程

2.1 國華徐州電廠脫硝工程基本情況

國華徐州電廠2×1 000 MW機組鍋爐脫硝工程采用SCR工藝，將液氨作為還原劑，以達到去除煙氣中NOX目的。SCR反應器采用高灰型工藝布置(即反應器布置在鍋爐省煤器與空預器之間)。1，2號機組共用1套液氨儲存與供應系統(tǒng)，外購液氨通過液氨槽車運至液氨儲存區(qū)，通過往復式卸料壓縮機將液氨儲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罐中；液氨經(jīng)液氨蒸發(fā)槽蒸發(fā)成氨氣后進入氨氣緩沖罐，氨氣通過稀釋風機稀釋后，分別經(jīng)過2臺機組的噴氨格柵送入SCR反應器。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反應器中催化劑的作用下，與煙氣中NOX按下述化學反應式進行反應，從而達到降低排煙中NOX含量的目的。

液氨儲罐設置2套，每個儲罐的容積為95 m3，充裝系數(shù)為0.85。為了減少液氨泄漏風險，僅按照系數(shù)0.55充裝，能滿足2臺鍋爐BMCR工況連續(xù)運行3天的消耗量。儲罐上安裝有逆止閥、緊急門和安全閥等，并裝有溫度計、壓力表、液位計、高液位報警儀和相應的變送器等。儲罐有防太陽輻射措施，四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴，當儲罐本體溫度過高時，自動啟動淋水裝置降溫。

下面主要介紹工藝設計中脫硝劑的存儲和制備系統(tǒng)中的一些設備流程。

2.3 工藝設備

2.3.1 卸料壓縮機

卸料壓縮機一般為往復式壓縮機，壓縮機抽取液氨儲罐中的氣態(tài)氨，經(jīng)壓縮后將槽車中的液氨推擠入液氨儲罐中。由于槽車向儲罐供氨的過程中，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)主要由卸料壓縮機和液氨槽車組成，這部分管道的設計需與槽車相配，而且與槽車接口的管道宜用不銹鋼材質(zhì)。

2.3.2 液氨儲罐

液氨儲罐是SCR系統(tǒng)液氨儲存的設備，一般為能承受一定壓力載荷的罐體。儲罐上安裝有超流閥、逆止閥、緊急關斷閥和安全閥，在儲罐液氨泄漏時起保護作用。儲罐還裝有溫度計、壓力表、液位計和相應的變送器，并將信號送到脫硝控制系統(tǒng)，當儲罐內(nèi)溫度或壓力過高時報警。儲罐四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴，當儲罐罐體溫度過高時自動淋水裝置啟動，對罐體自動噴淋減溫；當有微量氨氣泄漏時，也可啟動自動淋水裝置，對氨氣進行吸收，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)，當水的溫度高過45 ℃時則切斷蒸汽來源，并在控制室DCS上報警顯示。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，當出口壓力達到0.38 MPa時，則切斷液氨進料。在氨氣出口管線上也裝有溫度檢測器，當溫度低于10 ℃時切斷液氨，使氨氣至緩沖槽維持適當溫度及壓力。蒸發(fā)槽也裝有安全閥，可防止設備壓力異常過高。

2.3.4 氨氣緩沖罐

從蒸發(fā)槽蒸發(fā)的氨氣流進入氨氣緩沖罐，通過調(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，避免受蒸發(fā)槽操作不穩(wěn)定的影響。

2.3.5 稀釋風機

稀釋風機可將稀釋風引入氨與空氣混合系統(tǒng)，有以下3個作用：

(1) 用于控制；

(2) 作為NH3載體，通過噴氨格柵使NH3在煙道中均勻分布；

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

在管路設計中，一般在風機進口處設置氣動閥門，在風機出風口加裝止回閥，避免因備用風機投用時停運風機倒轉(zhuǎn)，使氨濃度短時超過安全范圍。2.3.6 氨 / 空氣混合器

在進入噴氨格柵前，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自稀釋風機的空氣以1∶20的比例混合，并經(jīng)噴射器進入脫硝系統(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，稀釋槽設計連結(jié)有槽頂淋水和槽側(cè)進水。液氨系統(tǒng)各排放處排出的氨氣由管線匯集后，從稀釋槽低部進入，通過分散管將氨氣分散入稀釋槽水中，利用大量水來吸收安全閥排放的氨氣。

2.3.8 氨氣泄漏檢測器

液氨儲存及供應系統(tǒng)周邊設有氨氣檢測器，以檢測氨氣的泄漏，并顯示空氣中氨的濃度。當檢測器測得空氣中氨濃度過高時，在機組控制室會出現(xiàn)警報，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。電廠液氨儲存及供應系統(tǒng)宜設在爐后，并采取措施與周圍系統(tǒng)作適當隔離。

2.3.9 排放系統(tǒng)

液氨儲存和供應系統(tǒng)的氨排放管路為一個封閉系統(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 氮氣吹掃

保持液氨儲存及供應系統(tǒng)的嚴密性，防止氨氣的泄漏和氨氣與空氣的混合造成爆炸是最關鍵的安全問題。SCR系統(tǒng)的卸料壓縮機、液氨儲罐、氨氣溫水槽、氨氣緩沖罐等都需設置氮氣吹掃管線。在液氨卸料之前，要對以上設備進行嚴格的系統(tǒng)嚴密性檢查和氮氣吹掃，防止氨氣泄漏和系統(tǒng)中殘余的空氣與氨氣混合而產(chǎn)生潛在的爆炸危險。在系統(tǒng)拆卸檢修前，也必須對系統(tǒng)用氮氣進行吹掃置換，達到要求后方可進行拆卸檢修和動火。

3 安全性分析

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

國華徐州電廠采用液氨作還原劑，液氨為無色液體，是強腐蝕性有毒物質(zhì)、強制冷劑，有強烈的刺激性氣味，極易轉(zhuǎn)化為氨氣，在-33 ℃(在標準大氣壓力)沸騰。液氨蒸汽對皮膚和眼睛有強烈的腐蝕作用，會產(chǎn)生嚴重疼痛性灼傷，對呼吸道有窒息作用，當氨氣在空氣中濃度達到0.5 %時，吸入5—10 min即可使人死亡，屬于中度危害的化學物質(zhì)。氣體無水氨與空氣混合物的爆炸極限為15 %—28 %。

4 經(jīng)濟性分析

在同等負荷和利用小時數(shù)下，分析華能玉環(huán)電廠和國華徐州電廠的經(jīng)濟性。

(1) 華能玉環(huán)電廠以尿素作還原劑，到廠價約2 500元/t，單機年消耗量約5 000 t，單機費用約1 250萬元。

(2) 國華徐州電廠以液氨作還原劑，到廠價約為4 000元/t，單機年消耗量1 100 t，單機費用約440萬元。另外，液氨儲罐的年度檢測與安全評估綜合費用約2萬元，蒸汽耗量(蒸發(fā)罐)、電耗(風機、控制系統(tǒng))、煙溫損失(20 ℃的稀釋空氣進入AIG需升溫到350 ℃導致的煙溫損失)等，與尿素系統(tǒng)費用基本相同。

結(jié)合以上費用，若采用尿素作為還原劑，其單機費用為液氨的2.7倍。

同時，如果采用尿素替代液氨進行脫硝工程改造，整套設備投資概算資金約1 000萬元，其中熱解爐耗資較大，約為800萬元，尿素溶解車間和其他設施投資不大。

5 可靠性分析

整套尿素熱解設備整體運行故障率較低，檢修和運行工作量都不大，且不存在泄漏危險性，管理成本低，規(guī)避了重大危險源——液氨泄漏造成的人身傷害風險。

液氨在運輸、裝卸、運行過程中均存在泄漏風險，系統(tǒng)較復雜。泄漏后，由氨氣檢測裝置啟動緊急制動閥，聯(lián)動工藝噴淋、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 技改提升計劃

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

7 結(jié)論

通過比較可知，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，運行費用高；采用液氨作還原劑，初期投資低，運行費用低，但液氨作為重大危險源，在運輸和儲備時存在一定的安全隱患，在運輸和生產(chǎn)安全管理上對電廠的要求較高。另一方面，在考慮選擇何種還原劑進行脫硝時，還需要結(jié)合場地布置方面的要求，液氨罐區(qū)要求的場地較大，對于場地較緊張的老廠改造項目或位于人口較密集地區(qū)的電廠不宜采用。相對來說，使用尿素安全可靠，在運輸及儲存等方面沒有特殊要求，設備布置相對緊湊，可以在運輸不便或者場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)工藝簡單、操作流程簡便、環(huán)境污染較小，運行安全可靠，管理成本降低，雖運營成本大幅增加，但實現(xiàn)了從生產(chǎn)原料的源頭上消除了重大危險源，減少了液氨泄漏對周邊人員造成傷亡的風險，實現(xiàn)了燃煤電廠脫硝設備運行本質(zhì)安全。