缩短某燃气机组启动时脱硝系统投运时间

缩短某燃气机组启动时脱硝系统投运时间

郑瑞新 

北京能源国际控股有限公司       北京 100020

摘要: 氮氧化物（NOx）是联合循环燃机电厂烟气排放中的主要污染物，其主要产生于燃气轮机的燃烧室内，形成原理有多种，其中主要是由于氮气和氧气在燃烧室的高温条件下形成的热力型NOx。为降低机组运行时的排放量，采用SCR催化还原技术吸收氮氧化物。然而在燃机启动过程中受条件限制会出现短时间氮氧化物排放量较高的情况，为响应环保零排放、零污染的号召，决定对启动过程的脱硝系统的投运时间进行分析，最大限度的缩短高排放的时间。

关键词:燃气-蒸汽联合循环；氮氧化物（NOx）；脱硝；机组启动

0 引言

某联合循环燃机电厂采用GE PG9351型燃气轮机，余热锅炉为三压带再热系统，在余热锅炉中装有一套选择性催化还原法(SCR)脱硝系统，利用氨水加催化剂方式来进一步降低燃机排气中的NOx，满足环保要求。

SCR 系统安装在卧式布置的9F 级燃机余热锅炉中受热面高压省煤器3 和中压过热器之间，电厂以基本负荷运行，系统无旁路，催化剂设计不设吹灰装置。选用氨水（20%wt）作为反应剂。脱硝系统NOx 脱除率不小于85％，脱硝装置可用率不小于98％。

1 现状

SCR 系统主要由氨水供给单元、氨水蒸发器、喷氨栅格AIG 和催化剂层组成。SCR 系统主要设备有雾化风机两台（1 用1 备）、氨水蒸发器SPV、氨水储罐、喷氨栅格AIG、净烟气测量栅格、加氨泵两台（1 用1 备）、卸氨泵、废液泵和管道等组成^[1]。

氨(NH3)喷入烟气在催化剂中与NOx 反应产生氮气（N2）和水(H2O)。在相当条件下会发生一些副反应。副反应中一个主要关系式就是SO2 转换成SO3：

2SO2+O2 →2SO3

要优化设计催化剂使以上化学反应最小化来把反应生成物硫酸氢铵和硫酸铵减少到最低限度：

NH3+SO3+H2O →NH4HSO4

2NH3+SO3+H2O →(NH 4)2SO4

硫酸盐的凝结量取决于烟气中 SO3 和NH3 的含量和运行温度。硫酸盐的凝结会堵住下游催化剂设备。高温下由于毛细压力在催化剂小孔内会发生硫酸氢铵的凝结（毛细凝结会引起催化效果部分可逆、钝化，从而降低脱NOx 的性能。因此必须保证催化剂在足够高的连续温度下运行以避免催化剂微孔内的毛细凝结产生。

催化剂中还可能有未燃尽碳（如CxHy）各自氧化成CO2，这是个放热反应，会损坏催化剂和其他下游的设备。因此运行条件必须控制在设计范围内。

2 原因分析

由于脱硝系统是雾化蒸发后的氨水和烟气的混合物一同进入布置在SCR 系统中催化剂上游的氨水喷射格栅AIG 喷入锅炉烟道。为了避免催化剂微孔内的毛细凝结产生，堵塞喷嘴，影响脱硝效果，因此必须保证催化剂在足够高的连续温度下运行。目前规定脱硝系统投运时，必须保证蒸发器出口温度大于290℃。所以蒸发器出口温度的高低就决定了机组启动时脱硝系统的投入时间。

而在机组启动过程中，影响蒸发器出口温度的因素主要有以下几个：1、催化剂下游的烟气温度；2、雾化风机的出力；3、压缩空气的投入时间及流量。

3 对策制定与实施

对策一：提高机组启动时燃机负荷的升速率，尽快提高锅炉脱硝催化剂下游的烟气温度

表1

通过对比以上三次不同升负荷速度下蒸发器出口温度的上涨情况，发现：2016.09.29 #1燃机启动过程中，燃机的平均升负荷速率为1.38MW/min，#1炉蒸发器出口温度的平均温升速率为1.17℃/min; 2017.07.08 #1燃机启动过程中，燃机的平均升负荷速率为2.42MW/min，#1炉蒸发器出口温度的平均温升速率为1.43℃/min; 2017.08.20 #1燃机启动过程中，燃机的平均升负荷速率为2.47MW/min，#1炉蒸发器出口温度的平均温升速率为1.80℃/min。充分说明了燃机并网后，尽快提高燃机负荷，可以快速提高脱硝蒸发器的出口温度；同时，在燃机达到空载转速后，尽快并网才是升负荷的先决条件。所以可以确定，燃机启动后，尽快并网并且之后适当提高燃机负荷的升速率，可以更快的达到脱硝系统的投运条件，缩短投入时间。

对策二：启动两台雾化风机，提高雾化风机的出力，加大通过蒸发器的高温烟气流量

表2

上表为三次#1燃机启动过程中，#1炉脱硝蒸发器出口温度的变化情况，其中前两次均为单台雾化风机运行，09月10日为燃机点火后，两台雾化风机并列运行。通过以上数据对比可以发现，单台雾化风机运行时，#1炉雾化风机出口母管平均压力分别为5.66Kpa和5.80Kpa；两台雾化风机并列运行时，#1炉雾化风机出口母管平均压力为5.94KPa。对比三次数据看出，雾化风机出口母管的压力越高，#1炉脱硝蒸发器出口温度的温升速度越快，但两台雾化风机并列运行时，对提升脱硝蒸发器出口温度有一定的帮助，但提升的幅度较小。

对策三：控制压缩空气的投入时间，降低初始压缩空气的投入量

表3

上表为两次#1燃机启动过程中，压缩空气投入与未投入时，#1炉脱硝蒸发器出口温度的上涨情况。从对比分析得出，在燃机点火后15min内，压缩空气投入时，脱硝蒸发器出口温度上涨了28.37℃，当压缩空气未投入时，脱硝蒸发器出口温度上涨了43.19℃。由此看出，压缩空气的投入，减缓了脱硝蒸发器出口温度的上涨速度，但考虑到目前压缩空气的投入量为80Nm3/h,而雾化风机的额定流量为3000m3/h，随着燃机排烟温度的上涨，压缩空气对脱硝蒸发器出口温度的影响就比较小了。所以，在燃机点火初期，脱硝蒸发器出口温度偏低时，不投压缩空气，可以较快的提高脱硝蒸发器出口温度。

4 效果检查

如果将以上三条对策综合利用起来，假设脱硝蒸发器出口温度初始为170℃。考虑考目前机组均为APS启动，负荷升速率固定。若不投入压缩空气可在燃机点火后15Min将蒸发器出口温度提升40℃左右，两台雾化风机运行时与单台雾化风机运行相比，脱硝蒸发器出口温度温升率提高0.147℃/min，通过计算可将脱硝蒸发器出口温度达到291℃时间缩短8min左右。预计年度单台燃机启动次数70次，预估年度减少NOx排放量90769g。

5 总结

经过大量数据分析对比，在经常启停机的情况下，第二台燃机启动过程中，为缩短脱硝系统的投入时间，降低燃机启动过程中污染物的排放量，提出以下建议：

1、值长适当提前向调度申请并网。在燃机全速空载后，检查无异常后尽快并网，减少空载时间。

2、目前燃机的升负荷速率为：20-60MW 10MW/min；60-90MW 5WM/min；＞90MW 15MW/min。在锅炉主汽温度可控的情况下，适当的提高燃机负荷的升速率，尽快提高锅炉脱硝催化剂下游的烟气温度。

3、推迟压缩空气的投入时间。目前压缩空气的投入时间为雾化风机启动后，判断雾化风机出口母管压力>3Kpa,蒸发器出口温度>120℃，投入脱硝压缩空气调节阀自动，设定值80Nm3/h。建议当蒸发器出口温度>290℃以后，再投入压缩空气。

4、燃机点火后，启动两台雾化风机，加大通过脱硝蒸发器的高温烟气流量。 

参考文献：

1. 某发电有限公司.《S209FA联合循环机组运行规程》.北京. 某发电有限公司. Q/JYRD-113.10-01-2016