燃气电站烟气脱硝改造方案及要点分析

杨卫国　马飞龙　席亚宾　李洪涛　纪运广

摘要：燃气电站作为NOx排放污染源之一，对其进行低NOx排放技术改造是有必要。针本文以某燃气电站的改造设计方案为例，就工艺设计和系统设计的步骤和方法进行了介绍，并指出了设计中的关键问题。以期为今后的脱硝改造工程提供设计指导和技术支持。

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.

關键词：燃气电站;烟气;NOx;改造方案

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

中图分类号：X773                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）14-0163-03

0  引言

NOx是形成雾霾的主要因素，火电厂等重点行业的NOx排放状况越来越重视。我国于2011年制定了关于火电厂烟气排放的标准《火电厂大气污染物排放标准GB 13223-2011》，以限制烟气污染物的排放量，其标准指出限制NOx排放标准为50mg/m3。但一些经济较为发达的地区对于污染物排放管理的更加严格，例如北京的NOx排放标准为30mg/m3，深圳则要求E级机组和F级机组排放标准分别为25mg/m3和15mg/m3。美国也规定大于250MW 的燃气发电机组NOx排放浓度应低于30mg/m3[1]。因此，烟气中NOx含量低于30mg/m3将是燃气电站的主流排放标准。

控制NOx的方法，根据生成时间段可分为两大类[2-3]： 一是NOx生成中控制技术（燃烧侧控制），具体方法有低过剩空气燃烧、分级燃烧和烟气再循环等;二是NOx生成后控制技术燃烧（烟气侧控制），具体的方法有选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）、等离子体过程脱硝和吸收吸附法。对于燃烧侧的控制方案，很难将NOx含量降为50mg/m3，燃气电站为达到的低于30mg/m3的排放标准[4]，则必须采用烟气侧的控制方案，鉴于SCR是目前国内外电站脱氮的主流技术，本文亦对其进行分析。

1  改造工程概述

某LNG电厂建设规模为6套F级机组，其中，一期工程3台390MW机组，二期扩建3台460MW燃气蒸汽联合循环热电联产机组。每套机组包括各包括1台低NOx燃气轮机、1台燃机发电机、1台蒸汽轮机、1台汽机发电机、1台无补燃三压再热型余热锅炉及其相关的辅助设备，其单套系统示意图如图1所示。

未改造前机组均采用M701F3型低NOx燃烧器，NOx排放浓度为51.25mg/m3。改造预期在性能保证（纯凝工况）设计条件下，燃机出口（脱硝装置入口）烟气NOx含量不大于25ppm（15%O2，干态）时，SCR脱硝装置的性能满足表1的要求。

2  工艺设计及要点

2.1 SCR工艺设计

SCR脱硝工艺采用选择性催化还原方法，即在装有催化剂的反应器（即余热锅炉）里，烟气与喷入的氨，在催化剂的作用下发生还原反应，生成无害的N2和H2O，实现脱除氮氧化合物的目的[5]。

20%氨水溶液经氨水输送泵送至SCR区，一路先与除盐水在线混合稀释成10%氨水溶液后，经喷枪雾化直接喷入余热锅炉进口烟道内，在高温烟气的作用下迅速汽化形成氨气并与烟气充分混合，当氨气和烟气到达催化剂区域发生脱硝反应，使还原剂与烟气中的NOx生成无毒、无污染的N2和H2O。

气氨的喷入量满足机组当前运行负荷条件下脱除NOx的需要量。控制系统通过SCR进出口NOx分析仪测量值计算NH3需要量，并将计算结果反馈给氨水流量调节阀以控制氨的供给量。

每个氨水溶液支管均设有手动阀门，可以在运行调试期间对每个喷枪喷入的氨量进行流量微调，使喷入的氨与对应的NOx浓度匹配，一旦调好则固定阀门，不再调整。

每个压缩空气支管均设有手动阀门和压力调节阀，压力调节阀由喷枪供货厂家提供。

催化剂在一定温度范围内运行，当运行温度高于催化剂的最高温度限值时，陶瓷材质的蜂窝式催化剂将发生烧结和脆裂;当运行温度低于催化剂的最低温度限值时，容易生成硫酸氢铵，生成的硫酸氢铵附着在催化剂表面将堵塞催化剂孔，导致催化剂活性降低，影响脱硝效率。催化剂的最低温度与烟气中NH3和SO3的浓度有关，两者浓度越高，催化剂的最低温度限值越高。SCR最低运行温度必须高于催化剂的最低温度限值，否则停止喷入氨，停运SCR装置。完成脱硝反应后的净烟气通过烟囱排放到大气。在SCR进口设有NOx/O2分析仪、温度变送器，在SCR出口设置有温度变送器、NH3逃逸分析仪。SCR反应器的进、出口设置可远传的压力监测装置。

脱硝装置采用氨水制备还原剂。氨水供应系统（氨水站）包括氨水卸料泵、氨水储罐、氨水输送泵、废水泵、废水坑等。氨水由氨水罐车运送至现场，通过卸料泵，将氨水由罐车输入储罐内储存，氨水储罐内的氨水通过输送泵输送到SCR区，除盐水从余热锅炉附近的除盐水母管上引接，氨水供应系统按3台余热锅炉共用设计。氨水溶液稀释及喷射系统布置在SCR反应区域，按每台余热锅炉配1套设计。

2.2 工艺设计要点

在整个工艺中，烟气均匀性是保证脱硝效率的必要条件，要通过计算机仿真模拟数值计算来验证并修正烟气系统的设计，使烟气的均匀性偏差控制在合理范围内。根据试验结果，在余热炉入口烟道设置17支氨水喷枪，使喷入烟道内的氨水迅速汽化并与烟气充分混合，经余热炉受热面梳理后进入催化剂区域的烟气均匀性分布满足设计要求。试验结果以流体模型试验报告的形式单独提供。

3  系统设计及要点

3.1 总体布置

脱硝装置由SCR反应器系统和氨水供应系统两部分组成。SCR反应装置的主要设备位于SCR区域，即余热炉内区域和余热炉构架内，氨水供应系统（氨水站）布置于远离锅炉主厂房的区域。氨水供应系统的氨水溶液通过厂区氨水溶液管道送至SCR反应器区域。厂区氨水溶液管道沿厂区综合管架布置。

3.2 SCR反应系统

SCR反应系统布置在余热炉内，余热炉截面成矩形，催化剂均匀布置在余热炉截面内。催化剂采用单层布置，即每台余热锅炉布置一层蜂窝式催化剂。气氨和烟气中的NOx在催化剂的催化作用下氧化还原为N2和H2O。催化剂采用催化剂支架独立支撑在余热炉内。在余热炉顶部，设置有催化剂装卸孔，用于将催化剂吊装进出余热炉。

工程采用Cream公司生产的蜂窝式催化剂。催化剂按1层设计，催化剂模块按6×22布置，每台余热锅炉共计132个催化剂模块。烟气沿水平方向通过催化剂层。每层催化剂布置25个测试块，用于停炉时对催化剂运行情况进行检测。催化剂的节距根据烟气参数进行合理设计，避免阻力过大。催化剂模块设有密封装置，能防止烟气短路以影响脱硝性能。催化剂性能如表2所示。

3.3 氨水供应系统

20%氨水溶液经氨水输送泵送至SCR区，先与除盐水在线混合稀释成浓度不超过10%的氨水溶液后，经喷枪雾化直接喷入余热炉入口烟道内。每台炉配置17只喷枪，布置在余热锅炉入口烟道的圆周方向上，其中心喷枪1支，其余喷枪16支。喷枪共分成4组。每个氨水溶液支管均设有手动阀门，可以在运行调试期间對每个喷枪喷入的氨量进行流量微调，使喷入的氨与对应的NOx浓度匹配，一旦调好则固定阀门，不再调整。每个压缩空气支管均设有手动阀门和压力调节阀，压力调节阀由喷枪供货厂家配套提供。

除盐水引自锅炉区附近的除盐水母管，除盐水用于稀释20%氨水溶液，除盐水管道上设有就地压力表，以便检测管道压力是否正常。每台锅炉设有两台除盐水增压泵（1运1备），除盐水增压泵为立式离心泵，材质304不锈钢，设计流量0.4m3/h，扬程60m。

3.4 系统设计要点

3.4.1 催化剂填装系统能方便催化剂的安装、拆除及更换

催化剂模块装载专用设备包括手动葫芦、催化剂装卸栅格板。催化剂模块通过余热炉本体顶部设置的电动葫芦从余热锅炉的人孔，由地面吊至炉顶的催化剂装载门内。在各层催化剂支架上均可安置手动葫芦，并铺设催化剂装卸栅格板。通过手动葫芦将催化剂模块吊装到催化剂支架上的安装位置，每四个催化剂模块叠装在一层催化剂支架上，顶部两层叠装3个催化剂模块。催化剂模块安装自下而上。待一层安装完毕后，将手动葫芦与栅格板转至上一层安装铺设，再进行该层催化剂模块的安装。待催化剂模块安装完毕后，取出手动葫芦与栅格板，完成催化剂模块的装卸工作。

3.4.2 氨水流量的控制

每台余热锅炉机组应配置1套氨水流量控制系统，根据SCR进出口NOx浓度，控制系统自动计算达到规定脱硝效率所需氨水耗量，并反馈信号给氨水流量调节阀，氨水流量调节阀相应地调整氨水流量的供应。

4  结论

以当前燃气电站SCR烟气脱硝改造的实例，介绍了工艺设计和系统设计的详细步骤和方法，提出几点燃气电站SCR烟气脱硝改造工程的应注意的技术要点，供后续脱硝改造工程借鉴及进一步探讨。

参考文献：

[1]刘志坦，李玉刚，王凯.中国燃气电厂烟气排放现状及政策趋势[J].中国电力，2018，51（1）：147-153.

[2]赵毅，王佳男.燃煤电厂烟气脱硝技术发展综述[J].化工技术与开发，2017，46（6）：34-37.

[3]邢亚丽，楚立宾.烟气脱硝系统在燃气蒸汽联合循环机组上的应用研究[J].中国高新技术企业，2013（26）：76-78.

[4]吕同波，李建浏，胡永锋.SCR法烟气脱硝技术在燃气余热锅炉上的工程应用[J].节能技术，2009，27（153）：65-68.

[5]马键.脱硝催化剂选择、失效原因及预防措施探讨交流[J].热电技术，2019（4）：49-56.