M701F燃氣-蒸汽聯合循環機組SCR脫硝技術的應用

深圳前灣燃機電廠 黃日輝

隨著近年來霧霾天氣等環境污染問題越來越嚴重，我國對火電廠的環保要求越來越高。2017年，廣東深圳市人民政府頒布一號文——《深圳市大氣環境質量提升計劃（2017～2020年）》，明確規定了深圳市所有燃氣輪機氮氧化物排放不得超過15毫克/立方米。具體如表1所示。

深圳市某燃機電廠建有3臺390兆瓦級燃氣-蒸汽聯合循環機組，每臺機組包含1臺蒸汽輪機、1臺發電機、1臺三菱M701F燃氣輪機、1臺余熱鍋爐及輔助設施。目前，該廠氮氧化物排放濃度低于50毫克/立方米，滿足國家要求，但是離深圳標準還有很大差距。因此，需在余熱鍋爐上進一步配置脫硝裝置。

脫硝系統概述

1.脫硝原理

某燃機電廠脫硝技術改造采用SCR法（選擇性催化還原脫硝法），其原理是將氨氣與空氣混合氣通過噴氨格柵噴到余熱鍋爐煙氣中，氨氣和氮氧化物煙氣混合后經過催化劑，氨氣同氮氧化物發生化學反應，生成對環境無害的氮氣和水。本工藝中的氨氣由尿素水解法制取。其主反應方程式如下。

尿素水解反應方程式：

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2+（x）H2O

脫硝反應方程式：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

以上反應若要順利進行，如果沒有安裝對應的催化劑，環境溫度必須在800攝氏度以上，但假如安裝了對應的催化劑，其反應溫度能降到約400攝氏度。余熱鍋爐滿足這一溫度的區域是高壓蒸發器與高壓省煤器2之間，這有利于鍋爐脫硝。

SCR催化劑的適宜工作溫度為250～420攝氏度。當溫度高于420攝氏度時催化劑會迅速老化失效；當溫度低于250攝氏度時催化劑活性又會受到影響，影響脫硝效果。為了兼顧催化劑使用壽命和脫硝率，催化劑必須安裝在合適位置。

2.系統流程

（1）系統構成

脫硝系統可分為尿素制氨區域和SCR反應器系統兩部分。

制氨系統如圖1所示，主要包含尿素溶解系統、尿素溶液貯存及輸送系統、管道伴熱系統、水解系統、加熱蒸汽及疏水回收系統、其余輔助系統（蒸汽減溫減壓系統、除鹽水補水系統、催化劑溶液制備系統、儀用壓縮空氣系統、洗系統及廢水系統）以及熱工控制系統和電氣系統。

SCR反應器系統如圖2所示，主要設備包括煙氣系統、SCR反應器、AIG噴氨系統、稀釋風系統等。

（2）工藝流程

主要工藝流程如下：凈煙氣與氨氣混合風→鍋爐進口煙道→AIG噴氨格柵→再熱器2/高壓過熱器2→再熱器1/高壓過熱器1→高壓蒸發器→催化劑→高壓省煤器2/中壓過熱器/中壓蒸發器/低壓過熱器2→高壓/中壓省煤器1/低壓過熱器1/低壓蒸發器→給水加熱器2/給水加熱器1→煙囪。

每個鍋爐都裝有可控硅反應堆，反應器中煙氣水平流動，在鍋爐入口煙道，煙氣與噴氨格柵噴入的氨氣混合，再經過催化劑時，在催化劑的作用下煙氣中的氮氧化物與氨氣反應生成氮氣和水。煙氣進入高壓省煤器2/中壓過熱器/中壓蒸發器/低壓過熱器2后，通過煙囪排入大氣。

表1 燃氣輪機發電機組污染物排放限值（單位：毫克/立方米）

圖1 制氨系統

圖2 SCR反應器系統

3.SCR反應區主要設備概述

（1）SCR 反應器

嚴格來說，本次脫硝改造后所采用的SCR反應器相比燃煤機組的SCR反應器沒有明顯區別。其特征如下：

1）SCR反應器無殼體，利用原有鍋爐通道；

2）煙氣不是常規地垂直向下流動，而是沿水平方向流動；

3）因為鍋爐入口煙氣粉塵含量較低，故整個脫硝系統未設計吹灰系統。

（2）催化劑

每臺爐內只設計一列催化劑，催化劑采用蜂窩式55孔，催化劑節距2.8毫米。當煙氣溫度不高于420攝氏度時，催化劑可長時間運行。催化劑化學壽命大于32000小時。

催化劑運行活性最佳溫度為250～420攝氏度，當煙氣溫度過高（高于420攝氏度）時，催化劑的老化將加速，會引起催化劑燒結和脆裂；最低連續運行溫度為250攝氏度（248～250攝氏度連續運行時間應不高于12小時），最低運行溫度248攝氏度（停止噴氨溫度）；低于最低溫度運行，會降低催化劑活性，降低脫硝性能，降低催化劑化學壽命。

（3）稀釋風系統

當空氣中氨氣的體積濃度為15%～27%時，會有爆炸風險。為了消除噴入煙道的氨氣與空氣混合物形成爆炸混合物的風險，氨空混合氣中的氨氣濃度必須低于爆炸極限（小于7%），同時，還要使混合系統內的氨氣平均散布。

每臺鍋爐配備一個氨/空氣混合系統，用于在SCR反應器中混合氨和空氣。

每個SCR反應器配備一個噴氨格柵，氨空混合氣通過噴氨格柵噴入余熱鍋爐，并在噴氨格柵前設置手動調節閥門。設置手動調節閥門的目的是，根據出口氮氧化物濃度和煙道入口氮氧化物濃度來調節氨的分布均勻，在調節完畢后嚴禁擅自調整手動門。水解反應器中產生的氨空混合氣先進入計量模塊，再被來自稀釋風機的鍋爐熱一次風稀釋，最后進入氨氣和煙氣混合系統。

（4）水解系統

水解系統由水解反應器、相應的管道閥、電氣控制柜、儀表閥、安全閥等組成。

主要的工藝管道包括蒸汽加熱管道、蒸汽疏水管道、儀用空氣管道、尿素溶液管道、催化劑溶液管道、氨蒸汽管道、氨氣泄壓管道、蒸汽吹掃管道、廢液管道、水解器安全閥泄放管道、水解器表面排污管、水解器底部排污管等。

（5）水解反應概述

水解反應器中尿素溶液汽液兩相均衡系統的壓力和溫度分別約為0.5～0.6兆帕和120～155攝氏度。對于質量比為50%尿素溶液的進料，水解反應器能產生質量比為37.5%的氨、質量比為18.7%的二氧化碳和質量比為43.8%的蒸汽。這些氨氣混合氣流首先進入計量模塊，再被來自稀釋風機的鍋爐熱一次風稀釋，最后進入氨氣和煙氣混合系統。

（6）加熱蒸汽及疏水回收系統

加熱蒸汽有四路：三路分別取自1～3號鍋爐蒸汽母管，另一路取自啟動鍋爐蒸汽母管。分別用于溶解罐、兩個儲液罐的加熱和水解器出口氨蒸汽管道的伴熱以及減溫減壓裝置后，進入水解器加熱。蒸汽經水解器、溶解罐、儲存罐加熱后冷凝的疏水，由各疏水管道收集到疏水箱，用作配制尿素溶液、沖洗尿素溶液管道、減溫減壓裝置減溫水。

（7）伴熱系統

氨蒸汽管道、1號和2號水解氨蒸汽接觸主管、水解排汽管、各尿素溶液管道均設有加熱系統，以防止氨蒸汽管道溫度下降形成結晶風險。

表2 機組脫硝系統技術參數及性能指標

圖3 機組脫硝系統運行曲線

運行注意事項

機組脫硝系統的投退要提前與尿素區值班員做好溝通，機組計劃并網及解列時間也應及時告知尿素區值班員；根據尿素區值班員的要求，進行脫硝系統輔助蒸汽的投退，水解器熱態情況下（水解器溫度高于115攝氏度），一般需并網前1小時給脫硝系統提供輔助蒸汽。

脫硝機組熱態啟機且無其他運行機組供輔助蒸汽，如機組余熱鍋爐高壓汽包壓力大于4兆帕且中壓汽包壓力大于1.6兆帕，可采用無外來輔助蒸汽啟機，啟機前提供輔助蒸汽步驟如下。

1）打開脫硝機組高過出口電動門后，進行機組高壓主汽暖軸封的同時，利用高壓旁路給脫硝機組再熱管道緩慢充壓至中過出口壓力（注意不要超壓）；

2）將脫硝機組高壓旁路閥關閉投自動，打開脫硝機組中過出口電動門；

3）利用脫硝機組冷再管道給機組輔助蒸汽母管緩慢充壓至1兆帕后，維持脫硝機組輔助蒸汽壓力；

4）利用脫硝機組輔助蒸汽母管給脫硝輔助蒸汽母管緩慢充壓至1兆帕；

5）繼續后續啟機操作。

因為氨氣具有較強的腐蝕性，在機組運行過程中要特別注意以下幾點。

1）給機組SCR區供氨前，需要用蒸汽對機組氨氣管道進行暖管；

2）機組SCR區停止供氨后，應及時對機組氨氣管道進行吹管。

當發生鍋爐受熱面泄漏時，尤其是高壓蒸發器泄漏時，應盡快安排機組停運，防止催化劑受潮。SCR催化劑適宜的連續運行溫度是250～420攝氏度。連續運轉5小時溫度不得大于430攝氏度，否則會使催化劑永久失效。

結語

隨著環保要求越來越高，相信在不久的將來，脫硝裝置會是燃氣—蒸汽聯合循環發電機組的標配。隨著SCR脫硝技術在該燃機電廠的成功應用，表明燃氣輪機運用SCR脫硝技術足以達到目前最嚴格的環保要求，電廠新建或改造可以考慮選擇SCR脫硝技術。希望通過本次技術改造，能為同行在燃氣輪機脫硝技術方面積累一些寶貴的經驗。