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SCR煙氣脫硝尿素熱解和水解技術經濟性分析

更新時間:2020-01-09 11:38 來源:中國電力 作者: 裴煜坤 張楊等 閱讀:2517 網友評論0

摘要:尿素由于運輸儲存安全方便和對環境無害的特點,成為燃煤電廠SCR煙氣脫硝還原劑液氨的可靠替代品。選擇合適的尿素制氨技術是SCR煙氣脫硝液氨改尿素工程的關鍵環節。通過工程建模對比分析采用尿素熱解和尿素水解工藝的投資費用和運行成本,采用熱力學方法分析尿素制氨系統能耗水平。結果表明:尿素水解投資略高于尿素熱解,但其運行成本較低,技術經濟性更優;尿素熱解運行成本高的原因主要在于尿素轉化率偏低,且采用高品質電能作為熱源。

0 引言

《危險化學品重大危險源辨識》(GB 18218—2009)規定氨的貯存量若超過10 t 即成為重大危險源。由于前期大規模火電廠煙氣脫硝改造時主要考慮投資和運行成本因素,目前國內大部分火電廠SCR 煙氣脫硝采用液氨作為還原劑,而液氨儲存量一般按照滿足全廠機組滿負荷工況運行5~7 天所需進行設計,因此火電廠氨區基本都屬于重大危險源。《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》(國家安全生產監督管理總局令第40 號)明確要求安全生產監督管理部門應當責令重大危險源存在事故隱患的企業進行整改乃至停產停業。

由于安全監管形勢日益嚴格,作為液氨使用單位的火電廠安全管理工作壓力逐漸加大,火電廠SCR 煙氣脫硝采用液氨作為還原劑越來越受到質疑,尤其是位于人口稠密地區且防火間距不完全達到防火規范要求的火電機組。作為液氨的替代品,尿素由于其運輸儲存安全方便和對環境無害的特點,顯得尤為合適。

采用尿素作為還原劑時,先要使尿素溶液受熱分解為NH3 和CO2,然后稀釋混合噴入SCR 煙道從而脫除煙氣中的NOx。尿素受熱分解制氨的工藝有2 種:一種為利用電能、燃油或天然氣燃燒的熱能加熱分解霧化的尿素溶液, 即熱解法;另一種為使用蒸汽加熱尿素溶液使之汽化分解,即水解法[10]。尿素熱解和水解工藝在國內均有應用業績,其技術成熟可靠。

本文以某電廠2×600 MW 超臨界燃煤機組模型為例,分析其在超低排放形勢下由液氨改為尿素熱解和水解所分別涉及的改造范圍、投資費用和運行成本,為SCR煙氣脫硝液氨改尿素工程技術選擇提供參考。

1 工程設計

1.1 設計參數

SCR煙氣脫硝還原劑由液氨改為尿素涉及的改造范圍主要包括新建尿素溶液儲存和制備系統、改造稀釋風系統和增加尿素制氨裝置。通過相關系統的改造確保系統的供氨能力滿足運行需求。超低排放形勢下,某2×600 MW 機組SCR 煙氣脫硝設計參數如表1 所示。由表1 可得,單臺機組滿負荷工況下設計氨耗量為230.4 kg/h。

1.2 工藝流程

粒狀尿素在溶解罐內制成濃度為50% 左右的尿素溶液并泵入尿素溶液儲罐內儲存,再由高流量循環泵送入計量分配模塊,后由噴槍噴入熱解爐,在350~650℃ 熱風的作用下分解出NH3,形成濃度小于5% 的混合氣,再經噴氨格柵進入SCR入口煙道。國內熱解所需要的熱源多采用電能。為減少廠用電,可用熱一次風或者二次風作為熱稀釋風,再用電加熱器加熱,尿素熱解制氨系統流程如圖 1 所示。

尿素水解工藝與熱解工藝的不同之處在于,由計量分配模塊過來的尿素溶液進入水解反應器,在壓力為1 MPa、溫度為180℃ 飽和蒸汽的加熱下分解成CO2 和NH3,后被熱風稀釋成氨體積分數小于5% 的混合氣, 最后噴入SCR 入口煙道。加熱蒸汽引自廠輔汽系統或再熱器冷段蒸汽母管, 經減溫減壓后送至水解反應器的蒸汽盤管,尿素水解工藝如圖 2 所示。

1.3 主要設備選型

雖然尿素熱解制氨和水解制氨兩者的尿素分解率有差異,但對于尿素溶液制備系統的設備選型基本一致。尿素溶液制備系統包括尿素顆粒儲倉、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素溶液儲罐和尿素溶液循環泵等主要設備。尿素熱解系統和水解系統的設備差異較大。以熱一次風作為稀釋風為例,尿素熱解系統包括電加熱器/高溫煙氣換熱器、熱解爐和計量與分配裝置等主要設備;尿素水解系統包括減溫減壓器、水解反應器、廢水箱、疏水箱和氨/空氣混合器等主要設備。

尿素溶解罐設置1 臺, 材質為SS304 不銹鋼, 罐體配攪拌器和蒸汽加熱盤管加速混合溶解。在溶解罐中, 采用除鹽水將尿素顆粒制成50% 左右的尿素溶液。尿素溶解罐容積45 m3,滿足2 臺機組BMCR 工況一天尿素溶液用量需求。尿素溶液儲罐設置2 臺,采用SS304 不銹鋼制造,設蒸汽伴熱。容積均為135 m3,滿足2 臺機組BMCR 工況下不少于6 天的尿素溶液用量需求。每臺機組設置1 臺電加熱器,功率900 kW,電壓380 V,將熱一次風加熱至350~650 ℃。

每臺機組設置1 臺熱解爐,每臺熱解爐配套10 支噴槍,由噴槍噴入的霧化尿素溶液在由電加熱器來的熱氣的作用下分解為NH3 和CO2,從而形成氨體積分數小于5% 的混合氣進入噴氨格柵。熱解爐出口混合氣的溫度不低于350 ℃,以防尿素結晶。

減溫減壓器設置2 臺,1 用1 備,用于將輔汽系統蒸汽減溫減壓至180 ℃、1 MPa 飽和蒸汽后供給2 臺水解反應器。

水解反應器采用公用制布置,單臺水解反應器制氨量達465 kg/h,能同時滿足2 臺機組BMCR工況用氨需求。水解反應器由蒸汽盤管加熱,質量濃度為50% 的尿素溶液進入反應器后在135~160 ℃、0 . 4 ~ 0 . 9 M P a 下水解反應生成含N H 3、C O 2 和H2O 的混合氣。反應器材質為SS316L,上部設置汽水分離器。

每臺機組設置2 臺氨/空氣混合器,用于將水解反應生成的含氨混合氣與熱一次風混合。

2 分析與討論

2.1 投資費用

SCR 煙氣脫硝液氨改尿素,2 臺機組均采用熱解工藝或水解工藝,其投資如表2 所示。尿素熱解工藝投資較水解工藝投資低10%,主要體現在尿素制氨裝置費用上,具體情況如表3 所示。

2.2 能耗分析

尿素制氨工藝耗能包括尿素溶解吸熱、尿素溶液相變吸熱、尿素分解吸熱和整個系統伴熱。

由于環境溫度會隨季節變化,本部分不對伴熱能耗進行分析。

尿素顆粒溶解吸熱量為243 kJ/kg。

尿素水解的化學反應式為

NH2CONH2+H2O = 2NH3+CO2+161:5 kJ=mol(1)

根據焓值變化計算[15]尿素完全水解所需熱量為4.8 MJ/kg,尿素分解率按99% 考慮,則生產氨氣的能耗為8.5 MJ/kg,以1 MPa、180℃ 的蒸汽為熱源制取1 kg 氨氣所耗蒸汽量為4.2 kg,2 臺機組設計工況下總計蒸汽耗量為1.94 t/h;尿素完全熱解所需熱量為6.3 MJ/kg,由于尿素熱解過程中會產生三聚氰胺等副產物,尿素轉化率按85%考慮,則生產氨氣的能耗約為12.1 MJ/kg,2 臺機組設計工況下總計電耗為1 550 kW。折算為煤耗,尿素熱解增加煤耗0.4 g/(kW·h),尿素水解增加煤耗0.1 g/(kW·h)。尿素熱解工藝能耗較水解工藝高,主要原因在于尿素熱解爐出口煙溫較水解反應器出口煙溫高以及尿素熱解轉化率低。采用尿素熱解工藝煤耗增加較多,主要原因在于熱解所需能耗較高且采用的是高品質電能。

2.3 運行成本

兩種尿素制氨工藝的各種消耗品用量如表4所示。

按尿素單價2 400 元/t、低壓蒸汽單價150 元/t、除鹽水單價30 元/t、廠用電價0.300 元/(kW·h) 計算,采用尿素熱解工藝運行成本為1 419 萬元/年,采用尿素水解工藝運行成本為1 155 萬元/年。熱解運行成本比水解運行成本高264 萬元/年,其中尿素費用占比超過60%,能耗費用(含電費和蒸汽費用)不足40%。

近年出現采用高溫氣–氣換熱器替代電加熱器,以650~800 ℃ 的高溫煙氣加熱熱一次風使之達到350~650 ℃,加熱后的熱風進入熱解爐,其對鍋爐效率的影響微乎其微。采用煙氣熱量替代電能極大地降低了能耗費用,但尿素熱解運行成本仍然略高于水解方式,且采用高溫煙氣換熱器替代電加熱器投資費用會明顯上升。

3 結論

(1)尿素熱解工藝和尿素水解工藝作為兩種成熟的制氨技術,能實現火電廠由尿素替換液氨從而消除重大危險源的目的,尤其適用于人口稠密地區且防火間距達不到防火規范要求的電廠。

(2)尿素水解投資成本略高于尿素熱解,但尿素熱解運行成本較高。采用尿素水解工藝,一年之內投資和運行總費用與熱解工藝基本持平。長期來看,尿素水解工藝技術經濟性更優。

(3)尿素熱解的運行成本高的主要原因在于尿素熱解轉化率低,尿素用量較大;其次在于使用高品質的電能導致的成本上升。

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