循环流化床锅炉脱硝系统氨水改尿素工艺分析

郭晓林

（晋控电力同达热电山西有限公司，山西 大同 037000）

1 概况

随着环保政策的日益趋紧，燃煤电厂烟气的排放指标控制越来越严格，锅炉烟气中脱硝的排放标准也由最早的100 mg/m3降低为50 mg/m3，在恶劣天气、重大事件节假日甚至要求小于35 mg/m3。随着国家和各级地方政府对环保要求的严格和标准的提高，控制环保使用的环保耗材成本逐渐增加[1]。自天津港事件以来，安全成为首要考虑的因素，液氨等危化品受到越来越严格的监管，从运输到储存到使用，限制较多，液氨泄露、停产时有发生，导致氨水供不应求[2]。

大同属于高寒地区，冬季经常出现道路积雪或结冰的情况，我公司承担着本地区30 万居民的供热任务，如果由于氨水不能及时供应，会导致NOx超标，从而被迫停机，中断供热，促使电厂脱硝系统改用尿素作为还原剂[3]。另一方面，为了降低成本，尿素代替氨水的脱硝方式越来越广泛。该方式2021 年7 月在本公司正式试运行。

我公司一期工程设计装机容量200 MW，安装4×50 MW 空冷抽汽供热机组，配5×240 t/h 循环流化床锅炉。二期扩建工程扩建安装2×330 MW 亚临界燃煤空冷抽凝汽轮发电机组。一期脱硝还原剂为尿素，二期脱硝还原剂为氨水。液氨的存储及日常维护需要异常谨慎。液氨储站属于国家级重大危险源，为了安全考虑，也为了降低运行成本，将脱硝还原剂由液氨制氨工艺改造为尿素制氨工艺，消除该安全隐患。

2 尿素系统介绍

2.1 储存及制备系统

尿素储存在尿素车间内，满足单台炉15 d 的用量，通过斗提机输送到溶解罐内溶解，2 台炉共用1个溶解罐（或2 个溶解罐互为备用）。为了确保尿素溶液的品质，溶解水要用品质较高的除盐水（拟采用空冷喷淋水），为了提高尿素溶解速度，在溶解罐顶装有搅拌器。通过装在罐体上的密度测量装置，保证管内尿素溶液的浓度维持在40%左右，溶解罐布置在尿素车间内。

在尿素溶解罐附近设有尿素溶液循环泵，尿素溶解时，可使尿素溶液从罐底部向侧部进行循环，加以快速溶解并过滤杂质；溶解完毕后，将溶解罐内的溶液输送到尿素溶液储存罐内储存，储存量满足2 台炉连续稳定运行72 h（额定工况）。

2.2 尿素溶液供给系统

从尿素溶液循环泵来的40%左右的溶液储存在2 只尿素溶液储罐内，2 个储存罐可同时供应2 台机组，罐体之间设置回流管、连通管，互为备用。在罐体内安装有蒸汽面式换热器装置，使尿素溶液始终处于结晶温度点以上、氨气逸出点以下。装有液位计、温度计等测量仪表。每只储存罐设置2 台尿素输送泵（单台炉一用一备，两炉共计4 台），尿素输送泵变频运行。

2.3 尿素溶液稀释系统

为了实现对锅炉NO 排放浓度的控制，在尿素车间内设有尿素混合模块。由稀释水泵将稀释水箱来的稀释水升压后与尿素供给泵组来的尿素溶液在出口母管上通过静态混合器混合，通过混合液出口密度计的数据，来控制混合液达到所需要的质量浓度要求，为了对尿素浓度进行连续可调，尿素溶液和稀释水全部由调节阀控制（管路上分别布置不同形式的流量计计算），通过对40%尿素溶液流量和稀释水流量调节来实现最终成品的不同浓度要求。稀释水泵2 台，一用一备。

2.4 尿素溶液喷射系统

从尿素溶液稀释系统来的成品尿素溶液经管道分配到一个尿素溶液分配模块中，通过脱销喷枪前阀门、流量计，在调试过程时，根据锅炉负荷、燃烧工况、NOx含量等调节尿素溶液流量的大小。

2.5 压缩空气系统

配两路压缩空气，一路雾化，对高压喷枪进行雾化，保证脱销喷嘴喷出的尿素溶液颗粒符合所需的要求，减少氨的逃逸从而提高氨的利用率；一路冷却枪管，保证脱销喷枪不被烧坏。

2.6 废水排放系统

因设备启停、检修需要对管道进行不定期冲洗，增加了废水排放系统。在尿素制备车间设计1 个废水收集坑，可以将管道水、冲洗水，用废水泵将水打入尿素溶液储罐，防止废水直接排放。

2.7 电气系统

此次改造项目使用电压等级为380 V/220 V，设置两路不同进线至脱硝SNCR 电气控制柜，电气控制柜主要为脱硝系统内的低压设备供电。脱硝设备包括电气控制柜、电动机、电动葫芦、电缆桥架、金属管道、溶解罐、稀释罐等设备就近接入附近的主厂房接地网。电缆均按照相关规定进行防火封堵。

2.8 控制系统

此次改造项目设两地控制：DCS 控制及就地按钮控制。操作运行主要在集控室DCS 操作系统中进行，储存及制备系统配置好溶液后，启动尿素供应系统、再进一步对尿素溶液进行稀释，稀释好溶液后可以启动尿素系统；尿素溶液喷射系统的启停是独立的，与配料系统和尿素溶液稀释系统互不影响。

3 设计工艺

氨气可直接来自液氨加热汽化，也可通过氨水蒸发或者尿素分解间接制备。液氨制氨工艺在国内普遍应用，因其初投资及运行费用均较低，是当前国内SNCR 还原剂制氨的主流工艺，但液氨是有毒化学品，生产场所储存量超过10 t 时，按《重大危险源辨识》（GB 18218—2009）规定属于重大危险源。随着国家对安全的日益重视，以及一系列相关限制措施的出台，尿素制氨以其安全可靠特点在电厂SNCR 烟气脱硝装置上被广泛应用。尿素（CH4N2O）不属于危险产品，便于运输和储存并且使用安全，受热分解即可制成氨气。

SNCR 脱硝是一种选择性非催化剂还原脱硝技术，是烟气NOx的末端处理技术，是把含有氨基的还原剂（尿素或氨水）在不使用催化剂的前提下均匀喷入锅炉，选择性地把烟气中的NOx还原为N2和H2O，从而达到降低NOx的目的。

利用氨水作为还原剂的主要化学反应方程式为式（1）：

利用尿素作为还原剂的主要化学反应方程式为式（2）：

本脱硝工程设置1#、2#机组公用的尿素溶液配制和输送系统，包括溶解罐、储存罐、除盐水罐、除盐水泵、尿素输送泵、尿素循环泵、地坑泵等。2 台炉同时脱硝时，在BMCR 运行工况下，SNCR 投运时，设计炉膛烟气NOx质量浓度200 mg/m3，脱硝后NOx出口质量浓度≤50 mg/m3，脱硝效率75%。

尿素站在辅控完成，与脱硫DCS 联网；实现制备系统的远程操作。在DCS 画面上可以监视循环泵出口流量、温度及压力及尿素溶液储存罐液位。尿素则储存于尿素储存间，拆包后倒入配置槽里。用主机送过来的蒸汽将除盐水加热至要求温度。启动搅拌器，固体尿素经人工拆袋后投放到尿素配置罐进行溶解，达到质量分数40%的尿素溶液，尿素溶液配好后通过尿素溶液输送泵至尿素溶液储罐，再经尿素溶液循环装置送至锅炉尿素计量分配装置，再通过回流管将尿素溶液打回尿素储罐，尿素各管道都加装保温，将溶液温度控制到30℃以上，避免温度低尿素结晶。

系统流程图如图1。

图1 4014-尿素系统

4 氨水与尿素改造前、后分析

4.1 在运行调整方面的比较

氨水的最佳反应温度为800 ℃～950 ℃，由于锅炉的运行负荷每时每刻都在变化，脱硝喷枪安装的位置在锅炉旋风分离器的水平烟道内，旋风分离器入口温度从负荷165 MW～330 MW，温度在750 ℃～1 000 ℃之间变化，温度在最低或最高时，氨水反应效率偏低，氨水耗量偏大。尿素在锅炉里面反应温度为600 ℃～1 000 ℃，在锅炉最低、最高负荷时段，尿素耗量平稳，所以给机组深度调峰创造了条件，尿素改造后，分别在1#、2#机组50%、40%进行了试验，尿素的单耗都小于2.0 g/kWh，效果很好，希望能为机组深度调峰到更低的程度做更多的尝试。

4.2 在安全性方面的比较

氨气为无色气体，有刺激性臭味。氨气与空气混合有爆炸性，体积分数在16%～25%时，遇明火可能会产生爆炸。氨是一种有毒的物质，人体吸入会导致慢性中毒，吸入过多时也可致人死亡。氨水储存量超10 t，就属于重大危险源，国家安全监察机构将其列入重点监控范围。液氨的储存与运输也有严格规定，使得它的运输成本就很高。液氨储罐与周围的道路、厂房、建筑等的防火间距不得少于15 m 的距离。

尿素为无色或白色针状或棒状结晶体，无臭无味。工业或农业用尿素含N 质量分数为46.67%左右。密度为1.335 g/cm3。熔点132.7 ℃。可溶于水与醇，不溶于乙醚、氯仿，呈弱碱性，也可与酸发生反应生成盐。在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。加热至160 ℃分解，产生氨气同时变为氰酸。尿素易溶于水，在20 ℃时100 mL 水中可溶解105 g，水溶液呈中性反应。所以尿素在运输、储存中无需安全及危险性的考虑。

因此，脱硝还原剂液氨改尿素，在安全方面将得到大大的提升。

4.3 在使用成本方面的比较

使用液氨还是尿素，在运行及维护费用、检修费用方面相当，蒸汽、水等消耗也接近，采购成本是最大费用，因此氨水和尿素控制使用量是决定生产成本的关键。

建厂以来一直使用液氨作为还原剂，2019 年全年发电量30.35 亿kWh，根据当前市场价格按液氨到厂价格1254 元/t，液氨的单耗13.8 g/kWh，全年氨水耗量4.2 万t，全年氨水费用达5 267 万元。2021 年6 月至9 月，总发电量为11.9 亿kWh，尿素耗量2 928 t，尿素的单耗2.46 g/kWh，尿素当前市场价格2 660 元/t，根据2019 年全年电量计算，全年尿素消耗费用为1 986 万元，可节约成本3 281 万元，成本节约60%。

因此，从经济型方面来讲，选用尿素虽然单价高，但是用量小，总成本低，近些年越来越多的电厂脱硝还原剂液氨改尿素的项目改造成功，节约成本的同时，安全性大大提高。