M701F燃气-蒸汽联合循环机组SCR脱硝技术的应用

深圳前湾燃机电厂 黄日辉

随着近年来雾霾天气等环境污染问题越来越严重，我国对火电厂的环保要求越来越高。2017年，广东深圳市人民政府颁布一号文——《深圳市大气环境质量提升计划（2017～2020年）》，明确规定了深圳市所有燃气轮机氮氧化物排放不得超过15毫克/立方米。具体如表1所示。

深圳市某燃机电厂建有3台390兆瓦级燃气-蒸汽联合循环机组，每台机组包含1台蒸汽轮机、1台发电机、1台三菱M701F燃气轮机、1台余热锅炉及辅助设施。目前，该厂氮氧化物排放浓度低于50毫克/立方米，满足国家要求，但是离深圳标准还有很大差距。因此，需在余热锅炉上进一步配置脱硝装置。

脱硝系统概述

1.脱硝原理

某燃机电厂脱硝技术改造采用SCR法（选择性催化还原脱硝法），其原理是将氨气与空气混合气通过喷氨格栅喷到余热锅炉烟气中，氨气和氮氧化物烟气混合后经过催化剂，氨气同氮氧化物发生化学反应，生成对环境无害的氮气和水。本工艺中的氨气由尿素水解法制取。其主反应方程式如下。

尿素水解反应方程式：

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2+（x）H2O

脱硝反应方程式：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

以上反应若要顺利进行，如果没有安装对应的催化剂，环境温度必须在800摄氏度以上，但假如安装了对应的催化剂，其反应温度能降到约400摄氏度。余热锅炉满足这一温度的区域是高压蒸发器与高压省煤器2之间，这有利于锅炉脱硝。

SCR催化剂的适宜工作温度为250～420摄氏度。当温度高于420摄氏度时催化剂会迅速老化失效；当温度低于250摄氏度时催化剂活性又会受到影响，影响脱硝效果。为了兼顾催化剂使用寿命和脱硝率，催化剂必须安装在合适位置。

2.系统流程

（1）系统构成

脱硝系统可分为尿素制氨区域和SCR反应器系统两部分。

制氨系统如图1所示，主要包含尿素溶解系统、尿素溶液贮存及输送系统、管道伴热系统、水解系统、加热蒸汽及疏水回收系统、其余辅助系统（蒸汽减温减压系统、除盐水补水系统、催化剂溶液制备系统、仪用压缩空气系统、洗系统及废水系统）以及热工控制系统和电气系统。

SCR反应器系统如图2所示，主要设备包括烟气系统、SCR反应器、AIG喷氨系统、稀释风系统等。

（2）工艺流程

主要工艺流程如下：净烟气与氨气混合风→锅炉进口烟道→AIG喷氨格栅→再热器2/高压过热器2→再热器1/高压过热器1→高压蒸发器→催化剂→高压省煤器2/中压过热器/中压蒸发器/低压过热器2→高压/中压省煤器1/低压过热器1/低压蒸发器→给水加热器2/给水加热器1→烟囱。

每个锅炉都装有可控硅反应堆，反应器中烟气水平流动，在锅炉入口烟道，烟气与喷氨格栅喷入的氨气混合，再经过催化剂时，在催化剂的作用下烟气中的氮氧化物与氨气反应生成氮气和水。烟气进入高压省煤器2/中压过热器/中压蒸发器/低压过热器2后，通过烟囱排入大气。

表1 燃气轮机发电机组污染物排放限值（单位：毫克/立方米）

图1 制氨系统

图2 SCR反应器系统

3.SCR反应区主要设备概述

（1）SCR 反应器

严格来说，本次脱硝改造后所采用的SCR反应器相比燃煤机组的SCR反应器没有明显区别。其特征如下：

1）SCR反应器无壳体，利用原有锅炉通道；

2）烟气不是常规地垂直向下流动，而是沿水平方向流动；

3）因为锅炉入口烟气粉尘含量较低，故整个脱硝系统未设计吹灰系统。

（2）催化剂

每台炉内只设计一列催化剂，催化剂采用蜂窝式55孔，催化剂节距2.8毫米。当烟气温度不高于420摄氏度时，催化剂可长时间运行。催化剂化学寿命大于32000小时。

催化剂运行活性最佳温度为250～420摄氏度，当烟气温度过高（高于420摄氏度）时，催化剂的老化将加速，会引起催化剂烧结和脆裂；最低连续运行温度为250摄氏度（248～250摄氏度连续运行时间应不高于12小时），最低运行温度248摄氏度（停止喷氨温度）；低于最低温度运行，会降低催化剂活性，降低脱硝性能，降低催化剂化学寿命。

（3）稀释风系统

当空气中氨气的体积浓度为15%～27%时，会有爆炸风险。为了消除喷入烟道的氨气与空气混合物形成爆炸混合物的风险，氨空混合气中的氨气浓度必须低于爆炸极限（小于7%），同时，还要使混合系统内的氨气平均散布。

每台锅炉配备一个氨/空气混合系统，用于在SCR反应器中混合氨和空气。

每个SCR反应器配备一个喷氨格栅，氨空混合气通过喷氨格栅喷入余热锅炉，并在喷氨格栅前设置手动调节阀门。设置手动调节阀门的目的是，根据出口氮氧化物浓度和烟道入口氮氧化物浓度来调节氨的分布均匀，在调节完毕后严禁擅自调整手动门。水解反应器中产生的氨空混合气先进入计量模块，再被来自稀释风机的锅炉热一次风稀释，最后进入氨气和烟气混合系统。

（4）水解系统

水解系统由水解反应器、相应的管道阀、电气控制柜、仪表阀、安全阀等组成。

主要的工艺管道包括蒸汽加热管道、蒸汽疏水管道、仪用空气管道、尿素溶液管道、催化剂溶液管道、氨蒸汽管道、氨气泄压管道、蒸汽吹扫管道、废液管道、水解器安全阀泄放管道、水解器表面排污管、水解器底部排污管等。

（5）水解反应概述

水解反应器中尿素溶液汽液两相均衡系统的压力和温度分别约为0.5～0.6兆帕和120～155摄氏度。对于质量比为50%尿素溶液的进料，水解反应器能产生质量比为37.5%的氨、质量比为18.7%的二氧化碳和质量比为43.8%的蒸汽。这些氨气混合气流首先进入计量模块，再被来自稀释风机的锅炉热一次风稀释，最后进入氨气和烟气混合系统。

（6）加热蒸汽及疏水回收系统

加热蒸汽有四路：三路分别取自1～3号锅炉蒸汽母管，另一路取自启动锅炉蒸汽母管。分别用于溶解罐、两个储液罐的加热和水解器出口氨蒸汽管道的伴热以及减温减压装置后，进入水解器加热。蒸汽经水解器、溶解罐、储存罐加热后冷凝的疏水，由各疏水管道收集到疏水箱，用作配制尿素溶液、冲洗尿素溶液管道、减温减压装置减温水。

（7）伴热系统

氨蒸汽管道、1号和2号水解氨蒸汽接触主管、水解排汽管、各尿素溶液管道均设有加热系统，以防止氨蒸汽管道温度下降形成结晶风险。

表2 机组脱硝系统技术参数及性能指标

图3 机组脱硝系统运行曲线

运行注意事项

机组脱硝系统的投退要提前与尿素区值班员做好沟通，机组计划并网及解列时间也应及时告知尿素区值班员；根据尿素区值班员的要求，进行脱硝系统辅助蒸汽的投退，水解器热态情况下（水解器温度高于115摄氏度），一般需并网前1小时给脱硝系统提供辅助蒸汽。

脱硝机组热态启机且无其他运行机组供辅助蒸汽，如机组余热锅炉高压汽包压力大于4兆帕且中压汽包压力大于1.6兆帕，可采用无外来辅助蒸汽启机，启机前提供辅助蒸汽步骤如下。

1）打开脱硝机组高过出口电动门后，进行机组高压主汽暖轴封的同时，利用高压旁路给脱硝机组再热管道缓慢充压至中过出口压力（注意不要超压）；

2）将脱硝机组高压旁路阀关闭投自动，打开脱硝机组中过出口电动门；

3）利用脱硝机组冷再管道给机组辅助蒸汽母管缓慢充压至1兆帕后，维持脱硝机组辅助蒸汽压力；

4）利用脱硝机组辅助蒸汽母管给脱硝辅助蒸汽母管缓慢充压至1兆帕；

5）继续后续启机操作。

因为氨气具有较强的腐蚀性，在机组运行过程中要特别注意以下几点。

1）给机组SCR区供氨前，需要用蒸汽对机组氨气管道进行暖管；

2）机组SCR区停止供氨后，应及时对机组氨气管道进行吹管。

当发生锅炉受热面泄漏时，尤其是高压蒸发器泄漏时，应尽快安排机组停运，防止催化剂受潮。SCR催化剂适宜的连续运行温度是250～420摄氏度。连续运转5小时温度不得大于430摄氏度，否则会使催化剂永久失效。

结语

随着环保要求越来越高，相信在不久的将来，脱硝装置会是燃气—蒸汽联合循环发电机组的标配。随着SCR脱硝技术在该燃机电厂的成功应用，表明燃气轮机运用SCR脱硝技术足以达到目前最严格的环保要求，电厂新建或改造可以考虑选择SCR脱硝技术。希望通过本次技术改造，能为同行在燃气轮机脱硝技术方面积累一些宝贵的经验。