燃气轮机余热锅炉脱硝系统改造

燃气轮机余热锅炉脱硝系统改造

刘炜

单位：河北华电石家庄热电有限公司

摘要：当今，随着我国经济的加快发展，随着环境问题日益凸显，人们对环境保护越来越重视，环保问题也成为了制约企业发展的重要原因之一。为满足烟气排放要求，某石化公司为其140万t·a-1重油催化裂化装置配套建设了催化烟气脱硝除尘脱硫装置，于2014年12月底一次开车成功，并经近年来的调整优化与改造，达到烟气SO2排放质量浓度≤50mg·m-3、NOX排放质量浓度≤100mg·m-3、粉尘排放质量浓度≤10mg·m-3，满足本地区污染物控制要求。

关键词：燃气轮机;余热锅炉;脱硝系统;改造

引言

近年来煤电向燃机发电转向已经是中国能源转型中的重要组成部分，随着国家在燃机机组政策上的支持，燃机电厂将越来越多。近年来我国北方地区出现大面积雾霾现象，国内对氮氧化物的排放也采取了严格的控制行为，《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）对燃机电厂的NOx排放值做出了明确的要求，以天然气为燃料的燃气轮机机组，NOx排放量不得高于50mg/Nm3，个别地区或城市要求不超过30mg/Nm3甚至更低，对NOx排放要求较为严格。燃气发电烟气主要成分是CO2、O2、H2O与NOx等气体，与燃煤烟气对比，烟气中O2与H2O的体积百分数发生很大变化，且对常规SCR催化剂脱硝效率影响特别大；燃机的入口NOx浓度约50mg/Nm3左右，也对燃机高效脱硝提出了很大的挑战；特别是燃机烟气中极低的含尘量及含硫量，所以在燃机SCR脱硝装置的尾部受热面不担心腐蚀和堵塞的问题发生。燃机发电机组的SCR工艺系统及主要装置的设计，需适应排气条件及余热利用的结构特点，工艺模型的关键影响因素和参数设置与燃煤机组有较大差异，对反应区域流场控制、高活性催化剂配置参数、脱硝还原剂的喷射位置及方式等有极高的要求。如何满足燃机设备的紧凑型要求和实现高效脱硝成为研究的重点。目前的SCR工艺主要是通过热源引接，在燃机外的氨气制备装置中热解尿素，制备氨气，再通过喷氨格栅喷入烟道中进行脱硝。工艺及设备复杂，占地面积大，热源引接和氨气制备储存困难，系统管路复杂，难以满足燃机的紧凑布置要求。尿素热解响应过长，且热解反应器长期运行容易出问题，从而影响燃机的脱硝效率。另外，通过喷氨格栅很难保证烟气和氨气的混合均匀性及彻底性，且使得烟道内流场情况复杂，催化剂与烟气的接触不充分，降低了脱硝效率。

1混合烟气消旋装置

燃气轮机排出的烟气是螺旋流动的，雾化后的尿素溶液沿烟气通道的轴线方向喷入螺旋流动的烟气中，由于雾化后的尿素液滴的喷射方向与烟气的局部流动方向差别较大，在烟气的扰动下，更容易与烟气混合均匀。分散均匀的尿素液滴较容易受热均匀后分解。尿素分解完全后，烟气携带分解后的氨气流经消旋装置（整流通道），消旋装置对烟气起到旋转气流的整合作用，将混合烟气由螺旋向前，化为沿烟道平直向前的运动，进一步促进了烟气与氨气的混合，并使烟气分布均匀，以优良的流场特性进入催化剂层，以提高烟气脱硝的均匀程度，并减轻对催化剂层的冲击作用，使烟气脱硝过程更加平稳、有效进行。催化剂层为蜂窝结构或波纹板结构，具有较大的比表面积、可以降低流动阻力损失，可以显著提高烟气脱硝效率。消旋装置的内部设置有若干个整流通道，每个整流通道的轴线与所述烟气通道的轴线平行，且每个整流通道内设置有至少一个整流叶片。整流叶片固定在整流通道上，整流通道将气流分割成小股气流，依靠叶片的抛物面形状使旋转气流在叶面上经过碰撞反弹消减旋转的角速度，转化旋转的气流为沿轴向运动的平直气流，其叶片的朝向与燃机内叶片朝向相反。整流叶片为抛物面形状，整流叶片的长度方向与烟气的流动方向垂直。

2制氨工艺对比

从能耗角度分析，采用高温烟气作为热源进行尿素热解对于燃煤电厂由于烟气含尘量大，容易造成喷氨格栅堵塞，同时需要增设电加热装置，才能保证热解能够充分分解，而对于燃气轮机组，由于烟气含尘量极低，不存在喷氨格栅堵塞的问题，且燃气机组余热锅炉烟气温度正好适合尿素热解，较燃煤机组能极大地降低能耗。尿素水解反应器需要辅汽加热，同时尿素水解产物输送管道、阀门均需蒸汽伴热，增大了系统能耗。在初期投资分析，尿素水解制氨工艺由于水解反应设备及水解产物输送管道均采用不锈钢，投资较大，尿素热解操作属高温常压，尿素水解操作属高温高压，相比之下，尿素水解对系统严密性要求更高，反应器、管道、阀门等制造成本也更高。尿素热解较尿素水解具有反应完全、不易产生中间聚合物的优点。尿素热解较尿素水解响应时间快，负荷适应性更强。综上所述，燃气轮机SCR脱硝采用尿素热解更具优势。

3燃气轮机工况条件下SCR脱硝催化剂

对于燃气轮机现有脱硝系统运行过程中存在的问题以及烟气排放的特点，如果要实现燃气轮机的高效脱硝目的，对SCR脱硝催化剂的选择提出了更高的要求，即一方面拓宽催化剂的温度窗口，增强催化剂的适应性；另一方面催化剂的活性进一步提高，满足特殊条件下燃机的脱硝需求。WO

3含量对催化剂（基准催化剂选用3%V2O5/TiO2）存在的SCR脱硝效率影响规律。催化剂中加入WO3时，脱硝效率明显增加，且在280～360℃和380～440℃两个温度区间增加显著，催化剂的反应温度区间由340～390℃拓展为280～440℃，尤其对低温段脱硝活性的拓宽作用尤为显著，同时催化剂的活性有很大提升。其反映催化剂活性的高低。从表中可以看出，当WO3含量由4%逐渐变为8%时，催化剂的BET由76m2/g增加到99m2/g。且在发生催化还原反应后，所有催化剂的BET均有所降低，但变化不大，这从另一方面反映出WO3的加入强化催化剂活性。

4在激波吹灰混合器外表面做保温处理

由于混合器处于炉膛之外，而硫酸蒸气的露点基本在140~160℃，故烟气中的硫酸蒸气极易在混合器内遇冷凝结，这也是发生腐蚀的根本原因。经保温处理后，混合器内温度将高于硫酸蒸气的露点温度，实践表明，在混合器外尤其是底部弯头处做保温处理，能够有效减少露点腐蚀现象发生。

结语

针对燃气轮机工况条件下烟气排放的特点以及现有脱硝系统的问题，提出了一种燃气轮机机组SCR高效脱硝的技术方案，采用尿素溶液预热直接喷淋入烟道的技术工艺，包括：尿素溶液的预热过程，尿素溶液的雾化过程，尿素溶液的喷淋过程，尿素溶液与排气的螺旋混合过程，混合后的气体消旋过程，燃气轮机脱硝专用催化剂的SCR脱硝过程。该方案具有脱硝效率高、性能稳定、布置紧凑、设备简单、节能环保等优点。

参考文献

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