煙氣脫硝系統在燃氣蒸汽聯合循環機組上的應用研究

邢亞麗?楚立賓

摘要：文章介紹了現行排放標準對燃氣機組NOx的要求，并通過比較分析燃氣和燃煤機組煙氣成分的差別，介紹了適用于燃氣機組的脫硝系統，包括低氮燃燒器和余熱鍋爐選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝設備。詳細介紹了SCR設備的布置方式、系統流程。最后探討了燃氣機組催化劑的選擇和噴氨系統的選擇優化，為SCR脫硝系統在燃機上的應用提供了借鑒與指導。

關鍵詞：燃氣蒸汽聯合循環；余熱鍋爐；SCR；低氮燃燒；催化劑

中圖分類號：TM611 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）26-0076-03

氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物，包括NO、NO2、N2O等，其中以NO形式存在的占90%以上。NOx是酸雨的直接原因，可以引起光化學煙霧和溫室效應，對自然環境和人類健康產生重大影響。隨著環保要求的日益提高，燃氣蒸汽聯合循環機組以其清潔、高效的特點在我國得到了越來越多的應用。然而燃機產生的NOx問題也需要我們加以重視和控制。根據國家環保局統計和有關研究估算，1990年我國NOx的排放量約為910萬噸，1995年的排放量約為1000萬噸，2000年的排放量約為1500萬噸，2004年的排放量約為1600萬噸，到2010年我國NOx排放達到2200萬噸，其中火力發電占總排放量的35%以上。由此可見，今后我國NOx排放量將十分巨大，需要加以控制，避免NOx對大氣環境的污染。因此，國家已將NOx列入國家“十二五”總量控制指標，要求對新建機組全面實施低NOx燃燒技術，安裝煙氣脫硝裝置，降低NOx的排放；對NOx排放水平較高的老機組進行低NOx燃燒改造和煙氣脫硝技術改造。

1 燃氣蒸汽聯合循環機組NOx的產生

1.1 NOx產生機理概述

研究表明，氮氧化物的生成途徑有3種：熱力型NOx，快速型NOx，燃料型NOx。在這3種途徑中，熱力型NOx的產生主要取決于燃燒溫度和含氧量，產生在燃燒的高溫富氧區，當燃燒溫度低于1600℃時，熱力型NOx的產生量很小，其反應機理如下：

快速型NOx是碳氫類燃料在過量空氣系數<1的富燃料條件下，在火焰面內快速生成的NOx，其生成過程經過了空氣中的N2和碳氫類燃料分解的HCN、NH、N等中間產物等一系列復雜的化學反應。對溫度的依賴性很低，主要取決于碳氫類燃料的含量和性質。其反應過程可簡化如下：

燃料型NOx指燃料中的氮在燃燒過程中經過一系列的氧化還原反應而產生的NOx，燃料型NOx受到燃燒溫度、過量空氣系數以及燃料-空氣混合條件的綜合影響，其中燃料-空氣混合主要影響燃燒室內自由基的分布，從而影響產生NOx的反應過程。

1.2 燃氣與燃煤機組NOx產生的區別

煤中的氮主要存在于揮發分中，以HCN、NH3等形式存在，在燃燒時首先析出，產生快速型氮氧化物，所占比例不超過5%；由于燃燒溫度和過剩空氣系數的限制，燃煤機組熱力型的產生量也很小。因此，對于燃煤機組來講，燃料型NOx是燃煤機組NOx產生的主要類型，占80%～90%。

燃氣輪機采用天然氣作為燃料，主要的產物是CO2和H2O，不產生粉塵和灰渣，也基本消除了SO2的產生，然而NOx的產生確實不可避免的，需要采取措施加以控制。

由于天然氣中含氮量很小，燃機所產生的燃料型NOx不會太多，這點和燃煤機組有較大的差別。此外，由于燃機燃燒溫度高，過剩空氣系數大，主要產生熱力型NOx。通常，控制燃燒的方式對于熱力型NOx排放有很好的抑制作用。因此，通過改進燃燒器，控制燃燒方式，控制適當的燃燒溫度和過剩空氣系數，可以有效地減少燃機NOx的產生。

1.3 燃機低NOx燃燒技術

目前三大燃機廠商（GE、西門子和阿爾斯通）在燃氣輪機的制造中，都采用了低NOx燃燒技術，通過控制燃燒室中天然氣的燃燒方式，盡可能地降低熱力型NOx的產生量。常見的低氮燃燒技術如表1所示：

表1 低氮燃燒技術對比

燃燒方法 技術要點 存在問題

混合

促進型 改善燃料與空氣的混合，縮短在高溫區的停留時間，同時降低氧氣的剩余濃度。 反應器設計難度大。

多股

燃燒型 用多只小火焰代替大火焰，增大火焰的散熱面積，降低火焰溫度。 反應器設計難度大。

階段

燃燒型 讓燃氣先進行濃燃燒，而后送入余下的空氣，使燃燒偏離理論當量比。

反應器設計難度大。

噴水

燃燒型 讓水從同一噴嘴噴入燃燒區，降低火焰中心高溫區的溫度。 燃燒不穩定，影響機組效率。

通過低氮燃燒技術控制燃燒方式，燃氣輪機出口NOx的排放濃度可以控制在低于25ppm（含氧量15%），折合51.25mg/Nm3。根據北京市即將頒布實施的標準《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》（征求意見稿），要求燃氣機組NOx排放濃度不大于30mg/Nm3，意味著采用僅靠低氮燃燒技術燃機NOx排放難以達到北京市標準的要求，因此還需要進行進一步的煙氣脫硝。

2 余熱鍋爐SCR煙氣脫硝技術

2.1 SCR煙氣脫硝系統的原理

由于非催化還原（SNCR）煙氣脫硝技術要求的反應溫度高，且還原劑NH3的氧化反應難以避免，NH3的消耗和逃逸都很大，故不適應于燃氣機組煙氣脫硝。

選擇性催化還原（SCR）是在催化劑作用下，利用還原劑NH3，在相對較低的溫度下，有選擇性的將NOx還原成N2，而幾乎不發生NH3的氧化反應，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。主要的反應式如下：

該工藝于20世紀70年代末首先在日本開發成功，而后在歐洲和美國相繼投入工業應用，目前已經成為世界范圍內大型鍋爐煙氣脫硝的主流工藝，反應示意見圖1：

圖1 SCR反應示意圖

2.2 余熱鍋爐SCR煙氣脫硝系統

為了NOx達標排放，燃氣蒸汽聯合循環機組需要設置煙氣脫硝系統，該系統的流程圖如圖2所示。SCR系統由三個單元組成：液氨流量控制單元（AFCU）、氨水噴灑單元（AIG）和SCR催化還原單元，AFCU單元包括氨水儲罐、氨水泵和流量計等，功能是控制氨水流量，保證合理的NH3/NOx比例；AIG單元包括抽煙風機、蒸餾混合塔和煙道內的噴嘴等，作用是保證氨水和煙氣混合的均勻性。SCR單元為反應提供場所，使NOx的反應能在較低溫度下發生，并且控制其他副反應的進行。

圖2 燃機煙氣脫硝系統流程圖

燃機的SCR脫硝系統通常位于余熱鍋爐高壓蒸發器模塊之間，脫硝裝置在余熱鍋爐中的位置示意圖如圖3所示，氨氣噴射格柵（AIG）放置在SCR反應器上游的一個合適位置。從燃氣輪機排出的煙氣沿圖3中箭頭所示方向前進，依次經過余熱鍋爐的換熱面和脫硝系統噴氨格柵、催化劑，煙氣中的NOx在催化劑的作用下，被還原劑NH3還原成N2，然后通過煙囪排入大氣。煙道設置足夠的測點接管座，便于試運行和運行中進行測量（溫度測量和采樣）。還要安裝足夠的管座用于監控系統的啟動，管座的布置方式滿足運行和試驗測量需要。

圖3 脫硝設備示意圖

3 余熱鍋爐SCR煙氣脫硝的特點

表2 天然氣成分

項目 單位 燃氣機組

CH4 % 95.95

C2H6 % 0.91

C3H8 % 0.14

CO2 % 3

H2O % 0.0062

H2S mg/Nm3 3.04

表3 燃氣機組SCR入口煙氣參數

項目 單位 燃氣機組

干煙氣量 t/h 2417.04

干煙氣密度 kg/m3 1.31

煙溫 ℃ 596

煙氣靜壓 Pa

煙氣成分

N2 % 74.71

O2 % 11.96

Ar % 0.89

CO2 % 4.15

H2O % 8.23

NOx ppmvd 25（15%O2）

SO2 mg/Nm3 1.6

與燃煤機組相比，燃氣機組的煙氣參數差別較大，因此在脫硝裝置的設置、脫硝劑的選擇等方面也有相應的區別。北京某熱電廠新建一套“二拖一”（2×350MW級）燃氣-蒸汽聯合循環熱電機組，配套進行SCR法煙氣脫硝裝置，燃機燃燒的天然氣成分見表2，余熱鍋爐中煙氣脫硝裝置入口煙氣參數見表3。常規燃煤機組（以北京地區某電廠）進入SCR系統煙氣成分見表4。

表4 某燃煤機組SCR入口煙氣污染物含量

項目 單位 燃氣機組

NOx mg/Nm3 392.51

SO2 mg/Nm3 895.37

煙塵 mg/Nm3 1157.36

由此可見，燃氣機組煙氣成分較為簡單，清潔度較高。雖然H2O含量較高，然而脫硝反應是在300℃～400℃下進行的，因此對于反應不會產生不良影響。此外，燃機煙氣中SO2含量很低，因此不會存在SO3的產生，也就存在副反應，生成（NH4）2SO4和（NH4）HSO4沉積對催化劑模塊產生影響；燃機煙氣中不含煙塵，也就不會導致催化劑模塊堵塞，也不會有重金屬物質使催化劑中毒或者失活。可見，相比燃煤機組燃機SCR煙氣脫硝系統運行環境較好。

4 工程設計優化

4.1 催化劑單元的選擇

由于常規SCR脫硝裝置設置在煙道內部，為了防止堵塞、增加機械強度，通常將催化劑固定在不銹鋼板表面或制成蜂窩陶瓷狀，形成了不銹鋼波紋板式和蜂窩陶瓷的結構形式。

板式催化劑通常是將催化劑原料（載體、活性成分）與助催化劑均勻地碾壓在不銹鋼板上，切割并壓制成帶有褶皺的鋼板，經煅燒后組裝成模塊。

蜂窩式催化劑是將催化劑原料與陶瓷輔料攪拌，混合均勻，按所要求的孔徑制成蜂窩狀長方體，進行干燥和煅燒，經切割成一定長度的蜂窩式催化劑單體后組裝成

模塊。

可見板式和蜂窩式催化劑的主要成分與催化反應原理相同，只是結構形式有所區別。相比板式催化劑，蜂窩式催化劑有更大的比表面和活性成分以及較小的壓力損失，由于燃機煙氣中煙塵含量很低，不擔心催化劑的堵塞問題，因此，蜂窩式催化劑對燃氣機組更有優勢。

適合燃機的蜂窩式催化劑不同于常規燃煤機組的催化劑。燃機催化劑孔徑應遠小于煤機催化劑。然而由于孔徑的縮小，催化劑模塊的壓力損失會相應的增加，進而影響機組整體效率，通常孔徑為21mm，壓降在400Pa左右。

4.2 AIG系統的選擇

由于燃機催化劑模塊比較面積較大、體積較小，要保證脫硝反應的充分進行，脫硝劑NH3與煙氣混合的均勻性有著至關重要的作用。因此，建議在進行AIG系統設計的時候，采用氣冷態流動模型試驗并結合三維兩相流動數值計算來進行噴氨嘴和導流板的設計。此外，還應在噴氨裝置和催化劑模塊之間留有合適的混合距離，這對于煙道的長度有一定的影響，需要結合余熱鍋爐的形式綜合比較，合理選擇噴氨裝置的布置位置。

5 結語

隨著環保要求的日益提高，節能高效的“燃氣蒸汽聯合循環機組”在我國的應用越來越廣泛，然而僅靠燃機的低氮燃燒技術，NOx難以達標排放。SCR煙氣脫硝工藝作為一種減少固定源NOx排放的成熟工藝，在我國也得到了一定范圍的應用。然而該技術在燃氣機組余熱鍋爐上的應用還是比較少，本文系統地介紹了燃機煙氣脫硝系統，并通過對比分析燃氣機組煙氣與燃煤機組的不同，對余熱鍋爐SCR設備和設計提出了一些建議。

參考文獻

[1] 劉毅，楊景利.江蘇闞山發電有限公司脫硝工程概述[A].北京：第二屆中國國際脫硫脫硝技術與設備展覽會暨技術研討會論文集[C].2006.

[2] 賈雙燕，路濤，等.選擇性催還還原煙氣脫硝技術及其在我國的應用研究[J].電力環境保護，2004，（20）：18-21.

[3] COPOLO T K.Low dust SCR system experience for coal 6red boilers[A].Electric Power2003 Conference

[C].2003.

[4] SIGLING R.Enhance ammonia distribution for maximum SCR performance [R].Institute of Clean Air Companies，2003.

[5] US DOE.clean coal technology program，selective catalyst reduction（SCR） technology for the control of nitrogen oxide emissions from coal-fired boilers[R].2005.

[6] 鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2002.

[7] 朱林，吳碧君，等.SCR煙氣脫硝催化劑生產與應用現狀[J].中國電力，2009，（42）：61-64.