0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，火電機組裝機容量不斷增加，大氣污染物的排放呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，其中氮氧化物（NOx）是火電機組排放的主要污染物之一。于20 7月發(fā)布，20 1月1日起實施的GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》將火電機組NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高，其中燃煤機組的排放控制在100mg/Nm3,燃?xì)鈾C組的排放控制在50mg/Nm3以下，同時將控制NOx排放納入到十二五發(fā)展規(guī)劃綱要中。隨著國家對NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，促進了火電廠NOx排放控制技術(shù)的迅速發(fā)展。

燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)是把燃?xì)廨啓C循環(huán)和蒸汽輪機循環(huán)組合成為一個整體的熱力循環(huán)，通過能源梯級利用，提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的效率。與常規(guī)燃煤機組相比，聯(lián)合循環(huán)機組以燃燒清潔燃料為主，并結(jié)合先進的排放污染控制技術(shù)，可以實現(xiàn)更低的污染物排放，目前GE公司9F等級的燃機出口的NOx排放可以達(dá)到50mg/Nm3以下。近年來，隨著國內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，國內(nèi)新建的多個燃?xì)饴?lián)合循環(huán)項目裝設(shè)了脫硝裝置或者預(yù)留脫硝的空間。本文通過理論分析和并通過國內(nèi)一臺配9FB燃機余熱鍋爐煙氣脫硝裝置工程對9FB級燃機聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐加設(shè)脫硝裝置進行了探討及研究。

1 余熱鍋爐脫硝原理及工藝流程

1.1余熱鍋爐脫硝方式

火電機組NOx排放控制技術(shù)主要分為兩大類：一類是采用控制燃燒的方式，如低NOx燃燒器等，另一類是對燃燒后生成的NOx進行脫除，主要有SCR法和SNCR法，其中在火電機組中廣泛應(yīng)用的為選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)。對于聯(lián)合循環(huán)機組，低Nox的燃燒控制是在燃?xì)廨啓C中完成的，因此對于余熱鍋爐來說，僅需要對燃?xì)馊紵笊傻腘Ox進行脫除，一般采用SCR法煙氣脫硝技術(shù)。

1.2余熱鍋爐脫硝原理及脫硝效率

SCR法即選擇性催化還原法法脫硝技術(shù)，余熱鍋爐SCR脫硝原理與燃煤機組相似，均采用NH3為還原劑，將NH3噴入到煙道中，與煙氣進行均勻的混合，發(fā)生如下反應(yīng)：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O (1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (2)

3NO2+4NH3→7N2+6H2O (3)

在燃煤機組中，煙氣中NOx的成分主要是NO，約占總NOx含量的95%,而NO2僅占5%左右，因此SCR反應(yīng)是基于反應(yīng)式（1）、（2）進行的。與燃煤機組不同，燃機排氣中的NO2含量較高，根據(jù)燃機工況及燃燒方式的不同，NO2可能會占到煙氣總NOx含量的50%以上，此時會有一部分NO2按照反應(yīng)式（3）進行反應(yīng)，因此在余熱鍋爐脫硝中可能會同時發(fā)生上述三個反應(yīng)。需要注意的是，反應(yīng)式(3)的反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于反應(yīng)式（1）和（2），因此當(dāng)NO2占總NOx含量50%以上時，NO2的含量越高，整體的反應(yīng)速度越慢，此時需要更多的催化劑來保證脫硝效率。

對于以天然氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)機組，煙氣中不存在導(dǎo)致催化劑堵灰及中毒的物質(zhì)，同時，余熱鍋爐煙道內(nèi)流場分布比較均勻，因此余熱鍋爐脫硝裝置的脫硝效率要高于燃煤機組， 高可達(dá)95%以上。在美國、日本等國家燃?xì)鈾C組中，已有多個脫硝效率90%以上的SCR裝置投入運行，對于國內(nèi)燃?xì)忭椖?，根?jù)我國的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求，脫硝效率通常不高于80%。

1.3脫硝系統(tǒng)工藝流程

余熱鍋爐SCR脫硝裝置分為兩個部分，余熱鍋爐煙氣系統(tǒng)和還原劑系統(tǒng)。

余熱鍋爐脫硝裝置主要的工藝流程與燃煤機組基本相同。還原劑制備系統(tǒng)提供的稀釋后的氨氣，通過噴氨柵格均勻的噴入到煙氣中，再經(jīng)過催化劑模塊，在催化劑的作用下NH3與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，達(dá)到脫除煙氣中NOx的目的，反應(yīng)后的清潔煙氣再通過下游的各級受熱面模塊， 后通過煙囪排入大氣。在脫硝反應(yīng)區(qū)的入口、出口和煙囪出口設(shè)置有溫度和分析儀測點。

2.余熱鍋爐SCR系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備選型探討

燃?xì)饴?lián)合循環(huán)余熱鍋爐SCR脫硝裝置與常規(guī)燃煤火電機組SCR法脫硝裝置工作原理基本相同，但對于燃?xì)忭椖縼碚f，由于燃?xì)馀艢獬煞旨坝酂徨仩t結(jié)構(gòu)布置等因素，在SCR系統(tǒng)設(shè)計及主要設(shè)備選型上與燃煤機組是有較大差別的。本文就結(jié)合國內(nèi)某電廠一臺配9FB燃機余熱鍋爐脫硝工程對系統(tǒng)設(shè)計做簡單的介紹，并探討配備9FB燃機余熱鍋爐SCR脫硝裝置在系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備選型上應(yīng)注意的問題。

2.1國內(nèi)某電廠9FB機組SCR系統(tǒng)簡介

本工程為新建1套“二拖一”+1套“一拖一”燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機組，共包含三臺配9FB等級燃機的余熱鍋爐，燃機采用GE9371FB型燃機，余熱鍋爐采用三壓、再熱、無補燃、臥式余熱鍋爐。由于本工程環(huán)保要求比較嚴(yán)格，燃機采用了低NOx燃燒技術(shù)，同時余熱鍋爐設(shè)置SCR脫硝裝置進一步降低NOx排放。

2.1.1 SCR脫硝裝置基本的設(shè)計條件如下：

表1 燃機排氣參數(shù)

表2 主要性能指標(biāo)

2.1.2 系統(tǒng)流程及設(shè)備布置

本工程SCR脫硝裝置主要包括反應(yīng)器、催化劑、噴氨系統(tǒng)、還原劑儲存及制備系統(tǒng)。

脫硝反應(yīng)器位于余熱鍋爐本體、高壓蒸發(fā)器下游的煙道上，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有催化劑支撐及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，催化劑型式為蜂窩式。還原劑制備采用氨水方案，單元制布置，20%濃度的氨水由槽車運送至現(xiàn)場，通過氨水卸載泵輸送到氨水儲罐中，氨水儲罐中的氨水經(jīng)氨水計量泵送到蒸發(fā)/混合裝置，通過壓空氣將氨水霧化后噴入到蒸發(fā)器中，由取自余熱鍋爐的高溫?zé)煔馓峁崃窟M行蒸發(fā)，并與高溫?zé)煔饣旌?，混合后的煙氣通過管道輸送至噴氨柵格。

2.2關(guān)鍵部件選型及工程應(yīng)用重點分析

2.2.1 催化劑的選型

催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)的核心部件，催化劑型式及參數(shù)的選擇將直接影響SCR脫硝效果?；痣姍C組脫硝中廣泛應(yīng)用的催化劑主要有三種形式：蜂窩式、板式、波紋板式，三種形式的催化劑活性成分相同，但由于生產(chǎn)工藝的不同，有著各自的優(yōu)缺點。其中，板式催化劑采用壓型覆涂的生產(chǎn)工藝，相對于蜂窩催化劑，抗堵灰能力較強，但比表面積較小，對于低灰份項目需要較大的體積，經(jīng)濟性較差，通常應(yīng)用于高灰分的燃煤機組。對于燃?xì)鈾C組來說，由于燃機排氣的煙氣更加清潔，因此在燃?xì)忭椖恐型ǔ２捎梅涓C式及波紋板式催化劑，同時由于煙氣中粉塵含量極低，因此在設(shè)計中不需要考慮積灰和磨損的問題，用于燃?xì)忭椖康姆涓C式催化劑的節(jié)距和壁厚遠(yuǎn)小于燃煤項目。目前應(yīng)用在余熱鍋爐脫硝的催化劑主要有以下幾種規(guī)格：

表3 蜂窩式催化劑規(guī)格數(shù)據(jù)表

孔徑越大的催化劑比表面積越小，經(jīng)濟性越差，但可以獲得較小的催化劑阻力，而孔徑小的催化劑經(jīng)濟性更好，但催化劑阻力較大。該工程采用70孔的蜂窩式催化劑，在保證系統(tǒng)性能和阻力的同時，采用了更小的催化劑體積，節(jié)約了空間，降低了初投資成本。

另外，SCR反應(yīng)的溫度區(qū)間也是設(shè)計時需要考慮的問題，在燃?xì)忭椖恐?，煙氣中SOx含量極低，不需要考慮NH4HSO4沉積的問題，因此SCR反應(yīng)的 低運行溫度要遠(yuǎn)低于燃煤機組， 低可低至200℃。但需要注意的是，隨著煙氣溫度的降低，催化劑的活性也會隨之降低，因此設(shè)計工況的煙氣溫度仍需高于300℃，在余熱鍋爐中通常將催化劑布置在高壓蒸發(fā)器模塊下游，以確保SCR反應(yīng)處于合適的溫度區(qū)間。

2.2.2噴氨柵格的布置

該工程噴氨柵格布置在高壓蒸發(fā)器模塊下游、催化劑模塊之前的空間內(nèi)，在煙道截面內(nèi)設(shè)置多根噴管，同時將噴管分為數(shù)個可以 立調(diào)節(jié)的區(qū)域，可以通過噴氨柵格入口的調(diào)節(jié)閥來控制噴氨量，確保在整個煙道截面內(nèi)的氨的均勻分布。由于煙道寬度接近12m，為減小噴管長度方向上靜壓的影響，保證沿?zé)煹缹挾确较蛏系木鶆蛐?，柵格噴管從煙道兩?cè)分別引入。在噴氨柵格與催化劑之間還需留有確保氨氣煙氣充分混合的距離。另外，9FB型燃機排氣流場較不均勻，同一截面上中心與四周的煙氣流速可差4倍以上，因此在進行脫硝裝置設(shè)計時需進行流場模擬，對噴氨柵格處的流場進行校核，若不均勻則需加設(shè)導(dǎo)流裝置或者靜態(tài)混合器。

2.2.3 還原劑系統(tǒng)的選擇

還原劑制備系統(tǒng)主要分為液氨、氨水和尿素三種方案。在三種方案中，液氨系統(tǒng)的初投資相對較低，氨水制氨系統(tǒng)相對于液氨方案，占地面積小，運行成本較低，運輸和運行的有保障性較高。尿素制氨系統(tǒng)的初投資和運行成本均高于另兩種方案，但運輸和運行的有保障性更高。在工程中選用何種還原劑制備系統(tǒng)，需要根據(jù)具體工程的地理位置、交通運輸條件、運行成本等原因綜合考慮。

由于本項目地址位于北京市區(qū)，考慮到運輸及運行有保障性，本工程還原劑制備系統(tǒng)采用20%濃度的氨水。氨水區(qū)單元制布置，每臺余熱鍋爐輔助設(shè)備間內(nèi)布置一套氨水制氨系統(tǒng)。本工程氨水系統(tǒng)主要工藝設(shè)備見表5。

表5 氨水制氨系統(tǒng)主要工藝設(shè)備

蒸發(fā)氨水可采用余熱鍋爐高溫?zé)煔饧訜幔部刹捎秒娂訜?，采用高溫?zé)煔饧訜峥蓽p少脫硝系統(tǒng)電耗，可大幅減少運行成本。本工程采用取自余熱鍋爐的高溫?zé)煔饧訜幔瞬糠譄煔馔瑫r作為氨氣的稀釋空氣，煙氣接口設(shè)置在余熱鍋爐催化劑模塊下游的煙道上。與燃煤機組不同的是，由于余熱鍋爐內(nèi)部是正壓，若采用電加熱方案，在稀釋風(fēng)機選型時需考慮煙道正壓，提高稀釋風(fēng)機壓頭。

3 結(jié)語

近年來，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)已經(jīng)成為我國電力工業(yè)的一個重要組成部分，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，在余熱鍋爐內(nèi)裝設(shè)脫硝裝置已經(jīng)成為趨勢。本文對余熱鍋爐SCR脫硝技術(shù)的原理和技術(shù)特點進行了介紹，并針對國內(nèi)某9FB燃?xì)鈾C組余熱鍋爐脫硝裝置實際工程，探討了余熱鍋爐SCR脫硝技術(shù)的特殊性、工程應(yīng)用中主要設(shè)備的選型等關(guān)鍵問題，希望能為余熱鍋爐SCR脫硝技術(shù)的發(fā)展提供寶貴經(jīng)驗。

參考文獻：

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