9FB燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐脫硝裝置的研究

王鳳君，高新宇，張志偉

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，火電機(jī)組裝機(jī)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(jī)組排放的主要污染物之一。2011年7月發(fā)布、2012年1月1日起實(shí)施的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》將火電機(jī)組NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高，其中燃煤機(jī)組NOx排放質(zhì)量濃度控制在100mg／m3，燃?xì)鈾C(jī)組控制在50mg／m3以下，同時(shí)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(duì)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，促進(jìn)了火電廠NOx排放控制技術(shù)的迅速發(fā)展。

燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)是把燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)和蒸汽輪機(jī)循環(huán)組合成為一個(gè)整體的熱力循環(huán)，通過能源梯級(jí)利用，提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的效率。與常規(guī)燃煤機(jī)組相比，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以燃燒清潔燃料為主，并結(jié)合先進(jìn)的排放污染控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更低的污染物排放，目前GE公司9F等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)（簡稱燃機(jī)）出口的NOx排放質(zhì)量濃度可以達(dá)到50mg／m3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(gè)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)項(xiàng)目裝設(shè)了脫硝裝置或者預(yù)留脫硝的空間。筆者通過理論分析，對(duì)9FB級(jí)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐加設(shè)脫硝裝置進(jìn)行了研究。

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(jī)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(duì)燃燒后生成的NOx進(jìn)行脫除，主要有選擇性催化還原法（SCR）和選擇性非催化還原法（SNCR），其中在火電機(jī)組中廣泛應(yīng)用的是SCR脫硝技術(shù)。對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，低NOx的燃燒控制是在燃?xì)廨啓C(jī)中完成的，因此對(duì)于余熱鍋爐來說，僅需要對(duì)燃?xì)馊紵笊傻腘Ox進(jìn)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脫硝技術(shù)，余熱鍋爐SCR脫硝原理與燃煤機(jī)組相似，均采用NH3為還原劑，將NH3噴入到煙道中，與煙氣進(jìn)行均勻地混合，發(fā)生如下反應(yīng)：

在燃煤機(jī)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(jìn)行的。與燃煤機(jī)組不同，燃機(jī)排氣中的NO2含量較高，根據(jù)燃機(jī)工況及燃燒方式的不同，NO2可能會(huì)占到煙氣總NOx含量的50%以上，此時(shí)會(huì)有一部分NO2按照反應(yīng)式（3）進(jìn)行反應(yīng)，因此在余熱鍋爐脫硝中可能會(huì)同時(shí)發(fā)生上述3個(gè)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(shí)，NO2的含量越高，整體的反應(yīng)速度越慢，此時(shí)需要更多的催化劑來保證脫硝效率。

對(duì)于以天然氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，煙氣中不存在導(dǎo)致催化劑堵灰及中毒的物質(zhì)，同時(shí)，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(jī)組，最高可達(dá)95%以上。在美國、日本等國家燃?xì)鈾C(jī)組中，已有多個(gè)脫硝效率90%以上的SCR裝置投入運(yùn)行；對(duì)于國內(nèi)燃?xì)忭?xiàng)目，根據(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(gè)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見圖1。

圖1 余熱鍋爐SCR脫硝裝置流程圖

與燃煤機(jī)組基本相同，還原劑制備系統(tǒng)提供的稀釋后的氨氣，通過噴氨柵格均勻地噴到煙氣中，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(jí)受熱面模塊，最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(diǎn)。

2 余熱鍋爐SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

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(jī)組SCR脫硝裝置工作原理基本相同，但對(duì)于燃?xì)忭?xiàng)目來說，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(jì)及主要設(shè)備選型上與燃煤機(jī)組有較大差別。下面結(jié)合國內(nèi)某電廠配9FB燃機(jī)余熱鍋爐脫硝工程對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做簡單的介紹，并探討配備9FB燃機(jī)余熱鍋爐SCR脫硝裝置在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型上應(yīng)注意的問題。

2．1 9FB機(jī)組SCR系統(tǒng)簡介

該工程為新建1套“二拖一”＋1套“一拖一”燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機(jī)組，共包含3臺(tái)配9FB等級(jí)燃機(jī)的余熱鍋爐，燃機(jī)采用GE9371FB型燃機(jī)，余熱鍋爐采用三壓、再熱、無補(bǔ)燃、臥式余熱鍋爐。由于環(huán)保要求比較嚴(yán)格，燃機(jī)采用了低NOx燃燒技術(shù)，同時(shí)余熱鍋爐設(shè)置SCR脫硝裝置，進(jìn)一步降低了NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2．1．1 SCR脫硝裝置基本設(shè)計(jì)條件

燃機(jī)排氣參數(shù)及脫硝裝置主要性能指標(biāo)分別見表1及表2。

表1 燃機(jī)排氣參數(shù)

表2 脫硝裝置主要性能指標(biāo)

2．1．2 系統(tǒng)流程及設(shè)備布置

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(chǔ)存及制備系統(tǒng)。系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 某9FB機(jī)組脫硝系統(tǒng)流程圖

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，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水由槽車運(yùn)送至現(xiàn)場，通過氨水卸載泵輸送到氨水儲(chǔ)罐中，氨水儲(chǔ)罐中的氨水經(jīng)氨水計(jì)量泵送到蒸發(fā)／混合裝置，通過壓縮空氣將氨水霧化后噴到蒸發(fā)器中，由取自余熱鍋爐的高溫?zé)煔馓峁崃窟M(jìn)行蒸發(fā)，并與高溫?zé)煔饣旌希旌虾蟮臒煔馔ㄟ^管道輸送至噴氨柵格。

2．2 關(guān)鍵部件選型及布置

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。火電機(jī)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(diǎn)，其中板式催化劑采用壓型覆涂的生產(chǎn)工藝，相對(duì)于蜂窩催化劑，抗堵灰能力較強(qiáng)，但比表面積較小，對(duì)于低灰分項(xiàng)目需要較大的體積，經(jīng)濟(jì)性較差，通常應(yīng)用于高灰分的燃煤機(jī)組。對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)組來說，由于燃機(jī)排氣的煙氣更加清潔，因此在燃?xì)忭?xiàng)目中通常采用蜂窩式及波紋板式催化劑，同時(shí)由于煙氣中粉塵含量極低，因此在設(shè)計(jì)中不需要考慮積灰和磨損的問題，用于燃?xì)忭?xiàng)目的蜂窩式催化劑的節(jié)距和壁厚遠(yuǎn)小于燃煤項(xiàng)目。目前應(yīng)用在余熱鍋爐脫硝的催化劑數(shù)據(jù)見表3。

表3 蜂窩式催化劑規(guī)格

表3 （續(xù)）

孔徑越大的催化劑比表面積越小，經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shí)，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(jì)時(shí)需要考慮的問題，在燃?xì)忭?xiàng)目中，煙氣中SOx體積分?jǐn)?shù)極低，不需要考慮NH4HSO4沉積的問題，因此SCR反應(yīng)的最低運(yùn)行溫度要遠(yuǎn)低于燃煤機(jī)組，最低可低至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(huì)隨之降低，因此設(shè)計(jì)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(shí)將噴管分為數(shù)個(gè)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的區(qū)域，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(gè)煙道截面內(nèi)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裕瑬鸥駠姽軓臒煹纼蓚?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(jī)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(jìn)行脫硝裝置設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行流場模擬，對(duì)噴氨柵格處的流場進(jìn)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)根據(jù)還原劑的不同可分為液氨、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(duì)較低；氨水系統(tǒng)相對(duì)于液氨方案占地面積小，運(yùn)行成本較低，運(yùn)輸和運(yùn)行的安全性較高；尿素系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行成本均高于另兩種方案，但運(yùn)輸和運(yùn)行的安全性更高。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(yùn)輸條件、運(yùn)行成本等因素綜合考慮。

由于該項(xiàng)目地處北京市區(qū)，考慮到運(yùn)輸及運(yùn)行安全性，還原劑制備系統(tǒng)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氨水。氨水區(qū)單元制布置，每臺(tái)余熱鍋爐輔助設(shè)備間內(nèi)布置一套氨水制備還原劑系統(tǒng)，主要工藝設(shè)備見表4。

表4 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部刹捎秒娂訜帷２捎酶邷責(zé)煔饧訜峥蓽p少脫硝系統(tǒng)電耗，大幅減少運(yùn)行成本。該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(shí)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(jī)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(jī)選型時(shí)需考慮煙道正壓，提高稀釋風(fēng)機(jī)壓頭。

3 結(jié)語

近年來，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)已經(jīng)成為我國電力工業(yè)的一個(gè)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)成為必然趨勢。本文對(duì)余熱鍋爐SCR脫硝技術(shù)的原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行的介紹，并針對(duì)國內(nèi)某9FB燃?xì)鈾C(jī)組余熱鍋爐脫硝裝置實(shí)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)展提供參考。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012．

［2］焦樹建．燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．