引言目前，我国燃煤机组选择性催化还原技术(SCR)烟气脱硝还原剂——氨气的原料主要是液氨、氨水和尿素。随着2019年4月国家能源局发布《关于切实加强电力行业危险化学品安全综合治理工作的紧急通知》，各地电力企业都在积极开展液氨罐区重大危险源治理，加快推进尿素替代升级改造进度。主流的尿素制氨工艺有3种，分别为尿素热解制氨工艺、尿素普通水解制氨工艺和尿素催化水解制氨工艺[1]。在消除液氨重大危险源的过程中，尿素水解工艺凭借高安全性、高可靠性、高反应速率和低能耗等优点[2-5]，逐渐在电力行业中得到广泛运用。以内蒙古某电厂2台600 MW亚临界机组液氨改尿素项目为例，详细阐述工程的整体改造方案，对设计过程中需要注意的问题进行探讨，并提出一些合理化建议。1尿素水解工艺原理尿素水解工艺是利用低压饱和蒸汽作为热源，使尿素溶液在一定的温度、压力和催化剂磷酸盐的作用下进行水解反应制备氨气的工艺。尿素水解过程中气液两相平衡体系的温度为135~160 ℃，压力为0.5~0.7 MPa，水解反应生成的产品气中氨的体积分数为37.5%。尿素水解反应过程为：CO(NH2)2+H2O↔NH2-COO-NH4↔2NH3↑+CO2↑ (1)尿素水解过程是可逆反应，且反应过程中会产生中间产物氨基甲酸铵，该物质是强腐蚀性介质，因此对设备材料的选择提出了较高要求。水解器反应器、产品气管道及其他与产品气接触的设备材料需要采用316 L材质。产品气成分如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.017.T001表1产品气成分组分NH3CO2H2O质量分数28.3036.7035.00体积分数37.5019.0043.50%2整体改造方案2.1工艺设计参数及性能指标内蒙古某电厂共有2台600 MW亚临界燃煤空冷机组，尿素水解系统具体设计参数及性能指标要求如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.017.T002表2尿素水解系统具体设计参数及性能指标要求项目数值脱硝装置入口烟气量（标态，干基，6% O2）/(m3/h)2 090 384脱硝装置入口烟气温度/℃303~352脱硝前烟气中NOX浓度（标态，干基，6% O2）/(mg/m3)350烟气中O2浓度/％3.50脱硝处理后NOX浓度（标态，干基，6% O2）/(mg/m3)50尿素水解制氨系统供氨响应能力/(MW/min)25尿素制氨系统可用率/%98为了使用尿素水解制氨系统替换原有液氨蒸发制氨系统，需要保证系统能够快速启动投入，在机组负荷调整时具有良好的适应性，能够可靠和稳定地连续运行。因此，要求改造后系统的供氨响应能力能够满足全厂机组负荷变化，系统响应速率达到25 MW/min。2.2氨消耗量计算尿素水解反应器（下称水解器）作为系统的核心设备，其产氨量决定了系统能否为机组提供足够的脱硝还原剂。因此，需要核算脱硝系统的氨消耗量。根据《火力发电厂烟气脱硝设计技术规程》（DL/T 5480—2013），计算得出单台机组满负荷下氨耗量为250 kg/h，以此选定水解器供氨出力为275 kg/h，系统配套3台水解器，两用一备。进一步根据设备需求，核算系统各物料的消耗量，物料消耗数据如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.017.T003表3物料消耗数据项目数值尿素颗粒（规定品质）/(kg/h)980.0除盐水（间断使用）/(m3/h)20.0仪用压缩空气/(m3/min)0.5杂用压缩空气（间断使用）/(m3/min)15.0尿素车间蒸汽/(t/h)5.7系统电耗/kW94.0尿素水解制氨系统以蒸汽作为热源，蒸汽可用于水解器制氨、尿素颗粒溶解、尿素溶液保温、催化剂溶解以及管道吹扫与管道伴热，因此系统会产生大量的蒸汽凝结水，此部分水源可集中回收和分级利用，多余疏水外排至厂区指定地点。2.3尿素水解制氨系统尿素水解制氨系统主要包括尿素溶液制备与储存系统、尿素水解反应系统、尿素车间辅助系统等3个子系统。该系统作为公用装置，可为各个机组提供氨气。尿素催化水解制氨工艺流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.017.F001图1尿素催化水解制氨工艺流程尿素溶液制备与储存系统供2台机组使用，由尿素溶解、尿素溶液储存、输送等设备组成。溶解罐尿素进料有2种方式，常规进料使用吨袋拆包机和斗提机，将尿素颗粒输送至溶解罐，同时备用1套罐车气力输送管道，方便罐车直接卸料。50%质量浓度的尿素溶液，通过2台尿素溶解泵输送至尿素溶液储罐储存。尿素水解制氨系统采用单元制+备用方案，2台机组配套3台水解器，两运一备。每台水解器的产氨量按单台炉最大氨耗量的110%设计。2台水解器正常运行满足机组最大氨耗量需求，备用水解器处于热备状态，若存在突发情况导致1台水解器停运，可及时切换。尿素车间辅助系统主要包括疏水箱、疏水泵、减温减压装置、废水池、废水泵以及压缩空气罐等工艺设备。在运行工况下，水解器、溶解罐、溶液储罐的蒸汽凝结水被集中回收至疏水箱。疏水箱收集的疏水可以用作尿素颗粒溶解用水、管道冲洗水，多余的疏水通过疏水泵统一输送至附近的厂区回收点。尿素水解制氨系统主要设备技术参数如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.017.T004表4尿素水解制氨系统主要设备技术参数设备名称技术参数数量吨袋拆包机20 t/h，N=0.5 kW，材质3042台斗式提升机20 t/h，提升高度6 m，N=5.5 kW，材质3042台尿素溶解罐有效容积44 m3，φ4.0 m×H4.0 m，材质3041个尿素溶液储罐有效容积150 m3，φ5.5 m×H7.0 m，材质3042个溶解罐搅拌器顶进式，N=5.5 kW，材质316 L1台尿素溶解泵Q=50 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW2台尿素溶液输送泵Q=4.0 m3/h，H=120 m，N=3.0 kW2台尿素水解反应器撬块产氨量275 kg/h，材质316 L3台催化剂溶解供应撬块材质3041套疏水箱有效容积25 m3，φ3.5 m×H3.0 m，材质3041个疏水泵Q=30 m³/h，H=40 m，N=7.5 kW2台废水泵Q=20 m3/h，H=50 m，N=7.5 kW2台减温减压装置蒸汽流量6.0 t/h2套压缩空气储罐立式罐，V=1.0 m³，材质3041个2.4锅炉硝区喷氨系统改造还原剂制备采用尿素水解后，稀释风需要采用不低于160 ℃的热风，防止混合气体发生副反应，从而堵塞管路，因此对现有稀释风加热，加热方式采用烟气换热方案，烟气换热器布置在SCR反应器下方，冷稀释风在加热器管内流动换热。为了保证A、B侧烟气系统阻力相当，不造成烟气偏流，为A、B侧脱硝反应器各设1套稀释风加热器。更换原有的氨空混合器，材质为316 L。氨气和空气混合后，由于温升较高，对应流量增大，为了保证喷氨格栅喷射管及喷嘴气体流速，氨喷射系统整体更换为分区喷氨自旋氨喷射混合器。3设计过程中需注意的问题3.1尿素水解系统布置尿素水解制氨系统宜作为公用设施，为多台机组服务。在每台机组的供氨管道上设置氨气控制阀，以达到节省投资、集中管理、方便维护的目的。尤其对于有4台及以上锅炉的电厂，只需要设置2~3套尿素水解反应器模块便可满足需要。此方案的缺点是当水解器的布置离锅炉较远时会导致氨气输送管路过长，伴热成本增加，伴热不良容易导致气体回凝堵塞输送管道，因此对工程设计和施工提出了更高的要求。尿素水解反应器为产氨设备，且为压力容器，宜设置水解车间将水解器布置在单独的区域。建筑的火灾危险性分类及其耐火等级应按乙类二级设计，车间内的设备均应考虑防爆要求，南方地区的水解车间建议考虑设计为敞开或半敞开结构。尿素溶液制备和储存系统的相关设备宜设置在尿素车间内，建筑的火灾危险性分类及其耐火等级可按丙类二级设计。3.2含氨产品气管道防堵措施鉴于含氨成品气管道在长距离输送过程中容易因温降发生堵塞问题，成品气管道在水解器出口设置2根联络管，即厂区管廊双母管设计，成品气母管在每台锅炉炉后设置联络点，通过管道输送至锅炉硝区的喷氨系统内。双母管设计能够有效提高系统的可靠性，如果出现管道堵塞现象，可立即切换至另一根备用管道，避免全厂锅炉运行受到影响。另外，在含氨成品气输送过程中，沿途管道的热损失会导致成品气温度降低而发生回凝堵塞管道，除了做好管道保温，减少热损失外，还需要合理设计管道的伴热系统。伴热方式一般有3种：蒸汽伴管伴热、蒸汽夹套管伴热和高温电伴热。伴热形式应因地制宜，结合项目的实际情况，选择合适的伴热方式。一般成品气管道选用蒸汽伴管伴热，能够满足使用要求，在有阀门组的地方可考虑配合电伴热使用。伴热系统可按照《石油化工管道伴管和夹套管设计规范》（SH/T 3040—2012）的相关要求进行设计，输送距离较长时应考虑设置分段伴热，做好伴热管道的疏水，确保蒸汽管道的通畅。同时可进一步考虑将每段伴管的蒸汽凝结水集中回收至车间疏水箱，避免水资源的浪费。3.3稀释风加热方式的选择目前，稀释风加热的方式主要包括热一次风加热、蒸汽加热和烟气加热等3种形式[6]。由于锅炉热一次风含尘量高，容易引起管道堵塞和磨损，不建议采用该方式。蒸汽加热和烟气加热方式较为常用。其中，蒸汽加热具有投资成本低、布置简单、设备维护方便等优点，但稀释风的加热温度受蒸汽压力的影响较大；而烟气加热效果好，节能明显[7]，但是换热器模块需要安装在烟道内，安装难度大，维护检修困难。关于稀释风加热方式的选择，应选择合适的换热设备，若蒸汽压力能保证不低于0.6 MPa（表压），饱和蒸汽温度为165 ℃，此时首选蒸汽加热器；若辅助蒸汽压力偏低或波动较大时，则建议选择烟气加热器，该方式能够有效保证换热效果；若电厂辅助蒸汽压力偏低，烟道内又无安装空间时，则可考虑采用蒸汽加热+辅助电加热的方式，确保稀释风和氨气的混合温度符合要求。4结语文中针对液氨改尿素项目整体改造方案展开详细分析，并总结相关设计经验。尿素水解系统宜集中布置，作为公用装置为各个机组提供氨气。同时分别设置尿素车间和水解车间，尽量将水解制氨反应器设置在单独的区域内。尿素水解系统中尿素溶液管道和含氨产品气管道受温度的影响较大，尿素溶液温度低会结晶堵塞管道，产品气管道温度低会回凝生成缩二脲堵塞管道，因此，需要考虑管道的防堵措施，合理设置伴热系统，保温管道温度。有条件时可在长距离输送管道沿途设置温度监测点，即时监控产品气管道的工作状态。锅炉SCR区配套升级改造中，稀释风系统是改造的重点，尤其在选择稀释风加热的方式上，应贴近项目实际情况，因地制宜地选择合理的换热方式。尿素水解制氨系统整体运行稳定，可靠性高，可为今后同类工程的设计和应用提供参考。