燃气发电机组余热脱硝一体化NOx节能减排技术应用

燃气发电机组余热脱硝一体化NOx节能减排技术应用

任金龙

任金龙

青岛凯能环保科技股份有限公司山东青岛266300

摘要：目前国内燃气机组选择性催化还原（SCR）脱硝系统在变负荷运行时经常遇到入口烟温高于其工作温度的情况，导致氮氧化物排放浓度超过国家标准。对内蒙明拓SCR脱硝系统中采用的调温器再循环增加下降管进口水流量、旁通管路控制SCR系统的入口烟温的方法进行实验、研究，并对其特点进行对比分析。

关键词：变负荷脱硝技术；SCR脱硝；热水再循环；调温器旁路

引言

目前国内使用较多的烟气脱硝技术是选择性催化还原（SelectiveCatalyticReduction，SCR）和选择性非催化还原（SelectiveNon-CatalyticReduction，SNCR）技术或选择性催化还原与选择性非催化还原联合技术。SCR反应的温度适应范围分为高温催化剂（450～600℃）、中温催化剂（320～450℃）、低温催化剂（120～300℃），燃气发电机组脱硝装置一般布置在发电机组尾部排气管道上，高温脱硝成本太高，且催化剂寿命短。中温脱硝烟温必须控制在300℃以上催化剂才能实现最佳活性，由于在变负荷情况下很难达到催化剂最佳烟温，故从根本上控制SCR脱硝系统入口烟温，就是对调温器换热管内水侧和管外烟侧的逆流式换热器的传热的优化，目前国内大多数从烟侧、水侧、调温器分级布置等角度来考虑优化方法。

1、烟气余热发电热力系统工作原理

余热发电系统的热力系统与火力发电系统相同，主要工作原理为：利用余热锅炉回收烟气余热，将锅炉给水加热产生过热蒸汽，过热蒸汽送到汽轮机中膨胀做功，将热能转换成机械能，进而带动发电机发电，实现热能→机械能→电能的转换。做过功的蒸汽（乏汽）从汽轮机排出，经循环冷却水系统冷却后形成冷凝水，冷凝水及补充的除盐水混合在一起作为锅炉的给水，经给水泵再送回到锅炉中，这样就完成了一个热力过程。

2、余热脱硝一体化系统的组成

从发电机组出来的烟气，经母管烟道汇总后进入余热设备，烟气先水平经过进口烟箱——混合器——调温器——脱硝设备；然后自下而上流动，经过蒸发器段——省煤器段——出口烟箱，最后排出烟囱。从高温烟气变为低温烟气，所放出的热量用来使水变成过热蒸汽或热水。

3、SCR脱硝净化系统

3.1、工作原理

脱硝处理系统包含烟气余热利用锅炉与脱硝设备，设备高度集成，并采用国SCR技术路线进行废气脱硝处理，SCR是目前国际主流高效去除尾气中NOx的技术路线。主要针对废气中的NOx，中温（320～450℃）时在催化剂的作用下将NOx分解成无害的氮气（N2）和水（H2O）。

工作原理：工作时在电控单元的控制下，尿素泵将尿素从尿素罐中抽出，加压、过滤后送到计量喷射单元，压缩空气经控制单元调压后也送到计量喷射单元，定量喷射阀打开后，尿素在压缩空气的引射作用下射出，和压缩空气混合后经喷嘴喷入排气管。电控单元根据废气流量、催化器的温度和氮氧化物含量精确计算出所需的尿素喷射量，发出相应的脉宽调制信号给定量喷射阀，喷射阀根据信号对尿素进行计量，从而保证时刻精确的尿素喷射到排气管。

尿素在排气管混合区遇高温分解成氨气（NH3）和水（H2O），与排气充分混合后进入催化器，在催化反应区NH3和NOX反应生成氮气和水，排到大气中。

尿素水溶液分解如下：

（NH2）2CO+H2O=2NH3+CO2

尿素经热解、水解生成氨气，为反应提供原料。

SCR中发生如下NOx反应如下：

3.2、工艺策略选择

SCR因具有效率高、技术可靠、无脱硝副产物处理等优点，而成为当今世界治理NOx的主要方法。自70年代起就在欧美及日本等发达国家得到广泛应用。仅在德国，从80年代中到1996年已超过33000MW的机组安装了脱硝装置。截止到2002年，美国已超过1亿kW机组按装了脱硝装置。

3.4、系统特点

SCR脱硝净化技术：

脱硝装置结构简单、无副产品、运行方便、可靠性高、脱硝效率高、一次投资相对较低；

还原后的氮气直接排放到大气中，且无二次污染；

设备体积小，运行费用低，自动化程度高，可靠性好；

系统运行阻力小，一般小于1.5KPa；

该装置组合小巧，连接简约快捷，耐腐蚀性强，整体性能优良。

4、SCR反应段结构设计

SCR反应区由三部分组成，第一部分为尿素喷射混合段，第二部分为导流段，第三部分为SCR反应段。在SCR反应段，又分为了三部分，前端调温器和后端为端盖，内部部件都安装在各段的两侧，这样更加有利于内部部件的安装和检修。在SCR反应区上游设计调温器，将烟气温度调整到中温脱硝剂适应的温度

在SCR反应段的前端和后端装有温度传感器和NOX传感器，对反应前后烟气的温度及NOX浓度进行检测。反应段中部为催化剂载体段，该段可拆卸，同时可根据不同要求安装不同个数和型号的催化剂载体应用到不同功率的设备中。

5、尿素混合、导流段结构设计

5.1尿素喷嘴

通过空气压缩机加压后的高压气体将尿素泵输送来的尿素加压喷入到反应器前端，尿素在高温的废气下反应生成氨气，这样使得烟气中的NOX与氨气充分混合。

5.2静态混合器

对于短距离的烟道，为了保证其有效的混合，我们在喷嘴后设置了静态混合器，它由多个不同方向的倒流片焊接而成，混合气体在通过它时会产生混流，使得混合气体得以充分混合。

5.3导流板

为了保证烟气能垂直的通过SCR反应室床层，通常在混合器之后和SCR反应室之前有烟气导流板，烟气通过导流板后均匀分布并流过催化剂床层，在催化剂的作用下，NH3与NOX发生还原反应，生成无二次污染的N2和H2O。

5.4调温器

根据排烟温度的不同，增加一套调温器，能控制排气温度在中温催化剂的理想反应温度范围内，大大提高催化剂的转化效率。

5.5控制系统

燃气尾气脱硝装置控制系统是脱硝设备最重要的部件，它通过对各种传感器进行控制和接受反馈信息，来对尿素溶液的喷射情况，以及辅助系统进行全方位精确控制，对整套系统运行起着直观重要的作用。燃气锅炉尾气脱硝装置控制系统包括：SCR烟气监测系统、尿素喷射系统、还原剂补给系统、远程控制系统。

6、结论

国内SCR脱硝方法主要是从烟侧和水侧考虑调温器的传热优化问题，本文从控制设备的水流量来调节烟侧温度并取得一定成效，可以为变负荷烟气脱硝方法提供更多的理论依据。根据本厂具体条件对方案进行经济性、设备影响、锅炉运行安全性和稳定性等综合考虑选择热水再循环控制烟气温度方案更有实际意义。

参考文献：

[1]朱法华，王胜，火电NOx排放现状与预测及控制对策[J]。能源环境保护，2001，18（1）：1-5）

[2]钟秦。燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]。北京：化学工业出版社，2002：15-22.