燃氣電站煙氣脫硝改造方案及要點分析

楊衛國　馬飛龍　席亞賓　李洪濤　紀運廣

摘要：燃氣電站作為NOx排放污染源之一，對其進行低NOx排放技術改造是有必要。針本文以某燃氣電站的改造設計方案為例，就工藝設計和系統設計的步驟和方法進行了介紹，并指出了設計中的關鍵問題。以期為今后的脫硝改造工程提供設計指導和技術支持。

Abstract： As one of the sources of NOx emission pollution， gas-fired power plants are necessary to carry out low NOx emission technical transformation. This article takes the transformation design plan of a gas-fired power plant as an example， introduces the steps and methods of process design and system design， and points out the key issues in the design， with a view to providing design guidance and technical support for future denitrification renovation projects.

關鍵詞：燃氣電站;煙氣;NOx;改造方案

Key words： gas-fired power plant;flue gas;NOx;transformation plan

中圖分類號：X773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0163-03

0? 引言

NOx是形成霧霾的主要因素，火電廠等重點行業的NOx排放狀況越來越重視。我國于2011年制定了關于火電廠煙氣排放的標準《火電廠大氣污染物排放標準GB 13223-2011》，以限制煙氣污染物的排放量，其標準指出限制NOx排放標準為50mg/m3。但一些經濟較為發達的地區對于污染物排放管理的更加嚴格，例如北京的NOx排放標準為30mg/m3，深圳則要求E級機組和F級機組排放標準分別為25mg/m3和15mg/m3。美國也規定大于250MW 的燃氣發電機組NOx排放濃度應低于30mg/m3[1]。因此，煙氣中NOx含量低于30mg/m3將是燃氣電站的主流排放標準。

控制NOx的方法，根據生成時間段可分為兩大類[2-3]： 一是NOx生成中控制技術（燃燒側控制），具體方法有低過剩空氣燃燒、分級燃燒和煙氣再循環等;二是NOx生成后控制技術燃燒（煙氣側控制），具體的方法有選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、等離子體過程脫硝和吸收吸附法。對于燃燒側的控制方案，很難將NOx含量降為50mg/m3，燃氣電站為達到的低于30mg/m3的排放標準[4]，則必須采用煙氣側的控制方案，鑒于SCR是目前國內外電站脫氮的主流技術，本文亦對其進行分析。

1? 改造工程概述

某LNG電廠建設規模為6套F級機組，其中，一期工程3臺390MW機組，二期擴建3臺460MW燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組。每套機組包括各包括1臺低NOx燃氣輪機、1臺燃機發電機、1臺蒸汽輪機、1臺汽機發電機、1臺無補燃三壓再熱型余熱鍋爐及其相關的輔助設備，其單套系統示意圖如圖1所示。

未改造前機組均采用M701F3型低NOx燃燒器，NOx排放濃度為51.25mg/m3。改造預期在性能保證（純凝工況）設計條件下，燃機出口（脫硝裝置入口）煙氣NOx含量不大于25ppm（15%O2，干態）時，SCR脫硝裝置的性能滿足表1的要求。

2? 工藝設計及要點

2.1 SCR工藝設計

SCR脫硝工藝采用選擇性催化還原方法，即在裝有催化劑的反應器（即余熱鍋爐）里，煙氣與噴入的氨，在催化劑的作用下發生還原反應，生成無害的N2和H2O，實現脫除氮氧化合物的目的[5]。

20%氨水溶液經氨水輸送泵送至SCR區，一路先與除鹽水在線混合稀釋成10%氨水溶液后，經噴槍霧化直接噴入余熱鍋爐進口煙道內，在高溫煙氣的作用下迅速汽化形成氨氣并與煙氣充分混合，當氨氣和煙氣到達催化劑區域發生脫硝反應，使還原劑與煙氣中的NOx生成無毒、無污染的N2和H2O。

氣氨的噴入量滿足機組當前運行負荷條件下脫除NOx的需要量。控制系統通過SCR進出口NOx分析儀測量值計算NH3需要量，并將計算結果反饋給氨水流量調節閥以控制氨的供給量。

每個氨水溶液支管均設有手動閥門，可以在運行調試期間對每個噴槍噴入的氨量進行流量微調，使噴入的氨與對應的NOx濃度匹配，一旦調好則固定閥門，不再調整。

每個壓縮空氣支管均設有手動閥門和壓力調節閥，壓力調節閥由噴槍供貨廠家提供。

催化劑在一定溫度范圍內運行，當運行溫度高于催化劑的最高溫度限值時，陶瓷材質的蜂窩式催化劑將發生燒結和脆裂;當運行溫度低于催化劑的最低溫度限值時，容易生成硫酸氫銨，生成的硫酸氫銨附著在催化劑表面將堵塞催化劑孔，導致催化劑活性降低，影響脫硝效率。催化劑的最低溫度與煙氣中NH3和SO3的濃度有關，兩者濃度越高，催化劑的最低溫度限值越高。SCR最低運行溫度必須高于催化劑的最低溫度限值，否則停止噴入氨，停運SCR裝置。完成脫硝反應后的凈煙氣通過煙囪排放到大氣。在SCR進口設有NOx/O2分析儀、溫度變送器，在SCR出口設置有溫度變送器、NH3逃逸分析儀。SCR反應器的進、出口設置可遠傳的壓力監測裝置。

脫硝裝置采用氨水制備還原劑。氨水供應系統（氨水站）包括氨水卸料泵、氨水儲罐、氨水輸送泵、廢水泵、廢水坑等。氨水由氨水罐車運送至現場，通過卸料泵，將氨水由罐車輸入儲罐內儲存，氨水儲罐內的氨水通過輸送泵輸送到SCR區，除鹽水從余熱鍋爐附近的除鹽水母管上引接，氨水供應系統按3臺余熱鍋爐共用設計。氨水溶液稀釋及噴射系統布置在SCR反應區域，按每臺余熱鍋爐配1套設計。

2.2 工藝設計要點

在整個工藝中，煙氣均勻性是保證脫硝效率的必要條件，要通過計算機仿真模擬數值計算來驗證并修正煙氣系統的設計，使煙氣的均勻性偏差控制在合理范圍內。根據試驗結果，在余熱爐入口煙道設置17支氨水噴槍，使噴入煙道內的氨水迅速汽化并與煙氣充分混合，經余熱爐受熱面梳理后進入催化劑區域的煙氣均勻性分布滿足設計要求。試驗結果以流體模型試驗報告的形式單獨提供。

3? 系統設計及要點

3.1 總體布置

脫硝裝置由SCR反應器系統和氨水供應系統兩部分組成。SCR反應裝置的主要設備位于SCR區域，即余熱爐內區域和余熱爐構架內，氨水供應系統（氨水站）布置于遠離鍋爐主廠房的區域。氨水供應系統的氨水溶液通過廠區氨水溶液管道送至SCR反應器區域。廠區氨水溶液管道沿廠區綜合管架布置。

3.2 SCR反應系統

SCR反應系統布置在余熱爐內，余熱爐截面成矩形，催化劑均勻布置在余熱爐截面內。催化劑采用單層布置，即每臺余熱鍋爐布置一層蜂窩式催化劑。氣氨和煙氣中的NOx在催化劑的催化作用下氧化還原為N2和H2O。催化劑采用催化劑支架獨立支撐在余熱爐內。在余熱爐頂部，設置有催化劑裝卸孔，用于將催化劑吊裝進出余熱爐。

工程采用Cream公司生產的蜂窩式催化劑。催化劑按1層設計，催化劑模塊按6×22布置，每臺余熱鍋爐共計132個催化劑模塊。煙氣沿水平方向通過催化劑層。每層催化劑布置25個測試塊，用于停爐時對催化劑運行情況進行檢測。催化劑的節距根據煙氣參數進行合理設計，避免阻力過大。催化劑模塊設有密封裝置，能防止煙氣短路以影響脫硝性能。催化劑性能如表2所示。

3.3 氨水供應系統

20%氨水溶液經氨水輸送泵送至SCR區，先與除鹽水在線混合稀釋成濃度不超過10%的氨水溶液后，經噴槍霧化直接噴入余熱爐入口煙道內。每臺爐配置17只噴槍，布置在余熱鍋爐入口煙道的圓周方向上，其中心噴槍1支，其余噴槍16支。噴槍共分成4組。每個氨水溶液支管均設有手動閥門，可以在運行調試期間對每個噴槍噴入的氨量進行流量微調，使噴入的氨與對應的NOx濃度匹配，一旦調好則固定閥門，不再調整。每個壓縮空氣支管均設有手動閥門和壓力調節閥，壓力調節閥由噴槍供貨廠家配套提供。

除鹽水引自鍋爐區附近的除鹽水母管，除鹽水用于稀釋20%氨水溶液，除鹽水管道上設有就地壓力表，以便檢測管道壓力是否正常。每臺鍋爐設有兩臺除鹽水增壓泵（1運1備），除鹽水增壓泵為立式離心泵，材質304不銹鋼，設計流量0.4m3/h，揚程60m。

3.4 系統設計要點

3.4.1 催化劑填裝系統能方便催化劑的安裝、拆除及更換

催化劑模塊裝載專用設備包括手動葫蘆、催化劑裝卸柵格板。催化劑模塊通過余熱爐本體頂部設置的電動葫蘆從余熱鍋爐的人孔，由地面吊至爐頂的催化劑裝載門內。在各層催化劑支架上均可安置手動葫蘆，并鋪設催化劑裝卸柵格板。通過手動葫蘆將催化劑模塊吊裝到催化劑支架上的安裝位置，每四個催化劑模塊疊裝在一層催化劑支架上，頂部兩層疊裝3個催化劑模塊。催化劑模塊安裝自下而上。待一層安裝完畢后，將手動葫蘆與柵格板轉至上一層安裝鋪設，再進行該層催化劑模塊的安裝。待催化劑模塊安裝完畢后，取出手動葫蘆與柵格板，完成催化劑模塊的裝卸工作。

3.4.2 氨水流量的控制

每臺余熱鍋爐機組應配置1套氨水流量控制系統，根據SCR進出口NOx濃度，控制系統自動計算達到規定脫硝效率所需氨水耗量，并反饋信號給氨水流量調節閥，氨水流量調節閥相應地調整氨水流量的供應。

4? 結論

以當前燃氣電站SCR煙氣脫硝改造的實例，介紹了工藝設計和系統設計的詳細步驟和方法，提出幾點燃氣電站SCR煙氣脫硝改造工程的應注意的技術要點，供后續脫硝改造工程借鑒及進一步探討。

參考文獻：

[1]劉志坦，李玉剛，王凱.中國燃氣電廠煙氣排放現狀及政策趨勢[J].中國電力，2018，51（1）：147-153.

[2]趙毅，王佳男.燃煤電廠煙氣脫硝技術發展綜述[J].化工技術與開發，2017，46（6）：34-37.

[3]邢亞麗，楚立賓.煙氣脫硝系統在燃氣蒸汽聯合循環機組上的應用研究[J].中國高新技術企業，2013（26）：76-78.

[4]呂同波，李建瀏，胡永鋒.SCR法煙氣脫硝技術在燃氣余熱鍋爐上的工程應用[J].節能技術，2009，27（153）：65-68.

[5]馬鍵.脫硝催化劑選擇、失效原因及預防措施探討交流[J].熱電技術，2019（4）：49-56.