国产首套尿素水解装置在大型火电厂的工业应用及技术优化.docx

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1、国产首套尿素水解装置在大型火电厂的工业应用及技术优化液氨和尿素均可作为烟气脱硝还原剂。液氨法以其简洁的工艺和投资运行费用优势而一度成为脱硝还原剂制备的主流技术，但根据GB182182009危险化学品重大危险源辨识中对危险化学品临界量的划分，液氨储存量超过10t即成为重大危险源，其运输和储存均有严格要求，且使用资格证书的审批难度也越来越大。近年来随着国家对安全生产要求的提高，同时根据各大发电集团公司的脱硝改造技术路线要求，为避免安全隐患和再次改造，原则要求采用尿素作为脱硝还原剂。尿素水解或热解制氨工艺不存在化学危险，可以消除液氨储存及运输所带来的安全隐患，其中尿素热解的制氨运行成本较水解工艺高。

2、我国尿素制氨脱硝工艺应用起步较晚，主要采用进口技术，为减少尿素制氨脱硝的运行成本，降低初投资成本，避免对进口尿素水解装置的技术依赖，开展国产化尿素水解技术的应用研究很有必要。为满足国家政策要求以及实现尿素水解国产化，由国电环境保护研究院总负责的国产首套新工艺尿素水解装置在国电东胜热电厂2X330MW机组的脱硝工程上实现正式喷氨运行。国电东胜热电厂的成功经验和技术优化，可为其他电厂烟气脱硝工程中尿素水解技术的应用提供借鉴。1、尿素水解原理尿素水解制氨系统主要设备有尿素溶解罐、尿素溶液储罐以及尿素水解反应器等。国电东胜热电厂尿素水解制氨系统如图1所示。图1尿素水解系统流程示意图1尿素水解系统流程示

3、意尿素颗粒加入到溶解罐，用除盐水将其溶解成质量分数为40%60%的尿素溶液，通过溶解泵输送到储罐;储罐中尿素溶液经给料泵、计量与分配装置进入尿素水解制氨反应器(以下简称尿素水解器),在尿素水解器中尿素水解生成NH3、H20和C02,产物经由氨喷射系统进入SCR脱硝系统。其化学反应式为CO(NJI2)2+H2O2Nlh-COO-NIL口2NH3T+CO2T(1)2、设计参数与指标国电东胜热电厂2X330MW机组烟气脱硝尿素水解制氨系统采用公用制。在设计煤种、锅炉最大负荷工况(BMCR)、处理100%烟气量、75%脱硝效率的条件下，脱硝氨耗量为116kg/h,单台尿素水解器设计出力为232kg/h

4、,满足2台锅炉的供氨需求。尿素水解制氨工艺系统设计指标包括：尿素水解器尿素溶液进料质量分数40%飞0%;装置可用率不小于98祝水解系统成品气中的氨气供应量应满足30Q100%BMCR负荷下所需的氨气流量;辅助系统设备出力选型按照2X120%容量考虑;用电量、用水量、用汽量及尿素消耗量等指标如表1所示。表1尿素水解制氨装置各物质用量(2台炉)项目数值备注用电量/(kWh),h/)W101含尿素车间压缩空气(而尸)W90N仪用仅冷启动时需要,除盐水/(舟,国W5u正常运转不需要蒸汽/(th“)1.40.8MPaJ8()尿素/(如下)420GB2440-20013、尿素水解系统主要组成1.1 尿素溶

5、解与输送系统袋装尿素通过电动葫芦输送到尿素堆料区。配制尿素溶液时，通过电动葫芦将袋装尿素输送到尿素溶解罐卸料口，拆包后的尿素从卸料口进入溶解罐。设置1台尿素溶解罐，满足8h配制2台机组100%BMCR工况运行脱硝2天所需的尿素溶液。溶解罐容积22.6m3,材料为304L,罐体保温。在溶解罐中用除盐水将干尿素溶解成质量分数为40%60%尿素溶液，通过尿素溶液循环泵输送到尿素溶液储罐。设置2台尿素溶液储罐，总容量按满足2台机组100%BMCR工况运行7天（每天24h）用量设计。储罐基础为混凝土结构，将储罐放置在室内，尿素水解车间装有暧气。尿素溶液储罐容积72n）3/台，材料为304L,罐体保温。3

6、. 2尿素水解系统所设置的2台尿素水解器布置于尿素车间。每台尿素水解器的容量为2X330MW机组BMCR工况下的供氨量，即每台尿素水解器产氨量为232kg/h。将质量分数409660%的尿素溶液输送到尿素水解器内，蒸汽通过盘管的方式进入尿素水解器，蒸汽通过盘管回流，不与尿素溶液混合，冷凝水由疏水箱回收。尿素水解器内气液两相平衡体系的压力为0.480.6MPa,温度为130160C。由尿素水解器中出来的含氨成品气经厂区气氨管道输送到SCR反应器区。4、工程技术优化结合现场实际，参考对比尿素水解的传统工艺及进口技术，对国电东胜热电厂2X330MW机组脱硝工程尿素水解制氨系统进行了适当的技术优化。3

7、.1 流程优化设计尿素水解传统工艺主要应用于化工化肥领域，属于深度水解的范畴，通常采用多级串联塔的反应形式，技术比较成熟，但工艺流程较为复杂。传统工艺中涉及到尿素水解器的贫液回收问题，贫液排出反应器时有一定的温度和压力，溶于贫液中的氨一旦通入常压设备（贫液回收罐、溶解罐等）便会闪蒸出氨气，需增加氨洗涤塔、氨气闪蒸罐等附属设备，设备多、检修维护量大、氨气泄漏源头多，工作环境不友好。对国电东胜热电厂尿素水解流程进行优化设计，取消了传统工艺中的氨洗涤塔、氨气闪蒸罐等附属设备。优化后的尿素水解流程简单、设备少，与传统工艺比较如表2所示。表2尿素水解流程优化前后技术比较项目优化前优化后整体协调性低高占地

8、面积大小附属设备多少布置方式笨重灵活能耗高低现场调试周期长短整个尿素水解器采用撬装式模块设计，为机、电、控一体化的设备，包含了与尿素水解器相连接的管道、仪表、阀门和控制系统。尿素水解器模块占地面积小，可采用单元制将尿素水解模块布置在SCR区钢架上，也可采用公用制将尿素水解器模块布置在公共车间（如尿素溶液制备车间等），布置灵活，同时也便于水解装置的运输和使用。尿素水解器采用撬装模块设计，可实现出厂前单独提前调试,避免传统工艺现场众多设备的分系统调试，因此调试周期可由传统工艺现场调试的30天缩短至1周，能有效节省工程建设工期。4. 2产能及设备配置进口技术的尿素水解器通常采用单元制布置，每台锅炉脱

9、硝反应器钢架下方对应布置1台尿素水解器，单台尿素水解器的设计出力按规范要求的120%容量进行配置。采用这种单元制尿素水解器配置后，若尿素水解器发生故障，则整台机组的脱硝装置无法喷氨运行，系统可靠性降低。国电东胜热电厂尿素车间紧靠锅炉房布置，尿素水解器采用公用制布置方式，集中布置于尿素车间。尿素水解器采用公用制布置与单元制布置的技术比较如表3所示。表3尿素水解器布置方式技术比较项目公用制布置单元制布置设备裕度2x200%2x120%投资成本1.2AA整体协调性高低占地面枳小大附属设备少多布置方式灵活笨重能耗低高现场调试周期短长公用制布置时，单台尿素水解器的出力能够满足2台机组满负荷的氨耗量，2台

10、尿素水解器可实现互为备用，而增加单台尿素水解器出力后初投资较单元制布置初投资增加有限。总之，采用公用制布置方式，缩短了尿素溶液输送距离，减少了输送管道尿素凝结堵塞几率，提高了系统可靠性；同时2台尿素水解器公用配置，故障时可互为备用，较单元制配置的安全性、可靠性均有提高。4.3尿素卸料及储存优化设计进口尿素水解设备中的尿素卸料及储存系统设有尿素筒仓以及斗提上料系统，但根据调研反馈信息，该系统较为复杂且故障率较高，尿素颗粒在筒仓中容易受潮板结，无法下料。在国外采购的尿素主要为散装颗粒，颗粒表面裹附了一层防水膜，因此不易发生尿素颗粒受潮板结问题，一般可通过槽罐车将尿素颗粒运送至电厂，再经过气力输送至

11、尿素储仓。但国内无散装颗粒尿素，仅为袋装尿素，同时尿素颗粒表面未附防水膜，因而国内采用尿素筒仓以及斗提上料系统存在较多的隐患。对工程中涉及的尿素筒仓和斗提上料装置进行了优化设计，采用了符合国情的袋装尿素仓储方式和地下式尿素溶解设计，同时加大了尿素溶液的储存时间。实践证明，采用该项优化设计后，系统简单，运行可靠性提高。随着劳动力成本的增加以及运行自动化程度的加强，后续将对尿素上料系统增加自动拆包机等改进措施，以进一步优化该系统。5水解和热解工艺经济性比较以国电东胜热电厂烟气脱硝工艺为例，对尿素水解和热解工艺的投资成本及运行成本进行比较，结果如表4所示。表4尿素热解和水解投资及运行费用项H尿素水解

12、尿亲备注国产进口热蟀尿素耗量/(kg-h-1)420420442热解转化率按95%计除瓶水耗42()420442电耗/kW1O1122980总投资/万元170021OO1300折IH级/（万元）577044按30年计算维护费/（万元688452按4%i卜尿索费用/（7J元21）508.2508.2551尿表单价为22007u/t铺助蒸汽级川/（万元36.7536.755.61蒸汽单价为5Iii/t水钺/(7J-a-1)0.70.70.74水单价为37C/t运行电费/（万元1）19.523.5188.7电费为0.35兀/(kW-h)年运行成本合计/万元69().15723.15842.05从表4

13、可知，尿素水解法投资较尿素热解法高，但比较节能，运行费用较低。以厂用电价0.35元/(kWh)计，与尿素热解法相比，采用国产尿素水解装置投资差额回收期约为2.6年，采用进口尿素水解装置投资差额回收期约为6.7年。综合比较，采用国产尿素水解装置具有较大的技术经济优势。6、调试及运行6.1调试过程国电东胜热电厂尿素水解系统整套启动、优化和168h连续试运行，是在分部调试完成的基础上进行的，2012年12月20日向SCR脱硝区首次喷氨成功，脱硝系统热态试运开始，2012年12月20日至2012年12月26日系统完成168h连续试运，期间尿素水解系统进行的主要调试工作包括:尿素水解器液位和压力、蒸汽出

14、口压力的自动调节;性能保证值优化调节，即跟随机组负荷及SCR区需氨量的变化，尿素水解器及时制备SCR区所需的氨气量。调试期间产氨量随温度变化关系如图2所示。10011012013014015()160170温度P300200100图2尿素水解器产氨量随温度变化的关系图2尿素水解器产氨量随温度变化的关系由图2可见，在控制合适的反应温度下，尿素水解器能够达到设计要求的232kg/h的产氨量要求。6.2运行情况国电东胜热电厂尿素水解系统和整套SCR脱硝系统启动试运行期间的检验项目全部验收合格，至2012年12月26日6:00,168h连续试运行结束时止，全面达到调试大纲规定的技术、安全、质量等指标要求，尿素水解满足SCR脱硝系统出力要求。图3与图4为随机调取的脱硝系统24h运行数据(标准状态)。0123456789101112131415161718192021222324时间/h注：蓝色和红色曲线分别为2号机组A侧SCR进口和出口NO,质量浓度图3国电东胜热电厂2号机组A侧SCR脱硝效果量浓度(二u言In三运CZ图4国电东胜热电厂2号机组B侧SCR脱硝效果由图3可知,2号机组A侧SCR脱硝装置进口NOx质量浓度为150180mg