劉志坦，王 凱，李玉剛

(國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京 210031)

基于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)的燃?xì)怆姀S脫硝方案研究

劉志坦，王 凱，李玉剛

(國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京 210031)

隨著我國(guó)環(huán)保形勢(shì)的愈發(fā)嚴(yán)峻，針對(duì)火電廠的環(huán)保要求越來越高，燃煤電廠被迫實(shí)施超低排放改造，而燃?xì)怆姀S由于未加裝脫硝等減排設(shè)施環(huán)保優(yōu)勢(shì)已受到挑戰(zhàn)?；谖磥砜赡軐?shí)施的排放標(biāo)準(zhǔn)(30、15和10mg/m3)，結(jié)合國(guó)內(nèi)燃?xì)怆姀S調(diào)研情況與脫硝設(shè)施運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)階段已安裝、未預(yù)留和已預(yù)留SCR脫硝系統(tǒng)的燃?xì)怆姀S提供了針對(duì)性的脫硝系統(tǒng)加裝和運(yùn)行建議。

燃?xì)怆姀S；氮氧化物；環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；脫硝系統(tǒng)

0 引言

近年來，隨著霧霾等惡劣天氣的頻發(fā)，火力發(fā)電等重點(diǎn)行業(yè)的污染物排放狀況受到了更多關(guān)注。燃?xì)獍l(fā)電相比燃煤發(fā)電更為清潔高效，但隨著燃煤電廠實(shí)施超低排放改造，燃?xì)怆姀S的環(huán)保優(yōu)勢(shì)也受到挑戰(zhàn)。近幾年，我國(guó)燃?xì)怆姀S的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)有日益加嚴(yán)的趨勢(shì)。2011年我國(guó)發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011》(以下簡(jiǎn)稱"國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)")；2011年年底北京發(fā)布《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)DB11847-2011》；2017年深圳市人民政府發(fā)布一號(hào)文《深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量提升計(jì)劃(2017-2020年)》；江蘇省等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)也在研究制定更嚴(yán)的燃?xì)怆姀S地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，具體情況如表1所示。

1 燃?xì)怆姀S的NOx排放水平

與超低排放后的燃煤電廠相比，燃?xì)怆姀SNOx排放并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。安裝單位發(fā)電量的NOx排放值更能體現(xiàn)實(shí)際排放水平，如表2所示[1]。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組污染物排放限值 mg/m3

滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)怆姀SNOx排放質(zhì)量高于超低排放后的燃煤電廠，當(dāng)燃?xì)怆姀S實(shí)施北京地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)后，排放績(jī)效方可略低于超低排放后的燃煤電廠?？紤]到現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)較難真實(shí)和準(zhǔn)確的反應(yīng)NOx排放水平，未來國(guó)家或部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)將出臺(tái)更為嚴(yán)格的燃?xì)怆姀SNOx排放標(biāo)準(zhǔn)。表2中排放績(jī)效=煙氣量×NOx排放濃度/燃?xì)鈾C(jī)組聯(lián)合循環(huán)功率；計(jì)算選用的燃?xì)怆姀SNOx排放濃度：國(guó)標(biāo)50mg/m3，北京30mg/m3；北京減半排放15mg/m3；燃煤電廠NOx排放：50mg/m3(超低排放)。

表2 燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電單位發(fā)電量的NOx排放數(shù)據(jù)對(duì)比

主要技術(shù)指標(biāo)燃?xì)鈾C(jī)組燃煤機(jī)組(超低排放)某9F級(jí)機(jī)組435MW300MW600MW煙氣量/m3·h-12260000(標(biāo)干15%O2)1100000(標(biāo)干6%O2)2100000(標(biāo)干6%O2)NOx排放量/kg·h-1國(guó)標(biāo)：113北京：67．8北京減半排放：33．955105排放績(jī)效/g·(kW·h)-1國(guó)標(biāo)：0．260北京：0．156北京減半排放：0．0780．1830．175

2 燃?xì)怆姀S的脫硝方案探討

目前，國(guó)內(nèi)外燃機(jī)NOx減排技術(shù)多樣，有燃燒室注水/注蒸汽技術(shù)、干式低氮燃燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)等[2]，現(xiàn)有燃?xì)怆姀S通過本體低氮燃燒控制可實(shí)現(xiàn)透平出口NOx濃度50mg/m3水平。為了優(yōu)于超低排放的燃煤機(jī)組同時(shí)滿足未來更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，本文將對(duì)燃?xì)怆姀S三個(gè)NOx排放目標(biāo)值(30、15和10mg/m3)對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐脫硝方案展開討論。其中30mg/m3為北京現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)；15mg/m3可滿足北京減半排放的優(yōu)惠政策同時(shí)符合深圳對(duì)F級(jí)機(jī)組的排放要求；而考慮10mg/m3，是由于部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已將10mg/m3甚至是5mg/m3確定為脫硝改造優(yōu)化的目標(biāo)值。

同時(shí)，由于目前國(guó)內(nèi)燃?xì)怆姀S均能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)未加裝煙氣SCR脫硝系統(tǒng)，2010年前投產(chǎn)的大部分電廠未預(yù)留脫硝位置。同時(shí)正常負(fù)荷下，燃?xì)怆姀SNOx中NO2摩爾占比一般可達(dá)到20%[3]，遠(yuǎn)高于燃煤電廠。

因此本文將在以上特殊情況基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)鈾C(jī)組已安裝SCR、未預(yù)留SCR、干預(yù)留SCR提出針對(duì)性的脫硝方案建議。

2.1 已安裝SCR的脫硝方案

目前，已安裝SCR脫硝系統(tǒng)的燃?xì)鈾C(jī)組主要位于部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)(如北京、天津、重慶等)，由于以上地區(qū)環(huán)境更為敏感，加之北京、深圳等地出臺(tái)了更高的地方標(biāo)準(zhǔn)，因此，加裝SCR脫硝系統(tǒng)已成為以上地區(qū)燃?xì)怆姀S可選的重要降氮手段。

2.1.1 NOx排放限值30mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放限值為30mg/m3，根據(jù)調(diào)研，尿素裂解SCR技術(shù)與氨水SCR技術(shù)脫硝效果相當(dāng)，但尿素制氨SCR更安全，在成本允許情況下，建議燃?xì)怆姀S選擇尿素裂解SCR脫硝系統(tǒng)。

(1)脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

F級(jí)燃?xì)鈾C(jī)組的相關(guān)邊界條件見表3。通過已有邊界條件計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)[4]，如表4所示。

表3 邊界參數(shù)

項(xiàng) 目數(shù) 值燃機(jī)裝機(jī)容量/MW300SCR設(shè)計(jì)煙氣溫度/℃300煙氣流量/km3·h-12000煙氣中NOx濃度/mg·m-350噴入氨濃度(尿素制氨)/%5脫硝后煙氣中NOx濃度/mg·m-330氨逃逸率/μL·L-13．3

表4 脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算值

項(xiàng) 目數(shù) 值NO濃度/mg·m-326．08NO2濃度(默認(rèn)摩爾占比20%)/mg·m-310脫硝效率/%40氨氮比0．51純氨耗量(尿素制)/kg·h-122．74純尿素耗量/kg·h-140．04

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇建議

系統(tǒng)工藝流程參考圖1，尿素溶液熱解為氨/空氣和水的混合氣體，被稀釋至安全濃度后通過氨注射柵格(氨噴射系統(tǒng))噴入余熱鍋爐中，在催化劑作用下，與煙氣發(fā)生反應(yīng)。

圖1 主要工藝流程

以上設(shè)計(jì)是F級(jí)機(jī)組，對(duì)于E級(jí)機(jī)組，邊界條件中的有關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，特別是煙氣量和SCR入口NOx濃度。E級(jí)燃機(jī)燃燒溫度低，所以SCR入口NOx濃度更低，一般低于30mg/m3，因此無必要加裝SCR脫硝系統(tǒng)。

SCR系統(tǒng)脫硝效率隨NH3/NOx摩爾比的變化規(guī)律為氨氮比越高，脫硝效率越高[4]。在無法達(dá)到脫硝限值情況下，可增加尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或尿素溶液噴入量，提高脫硝效率。

2.1.2 NOx排放限值15mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放限值提高至15mg/m3，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組的穩(wěn)定高效脫硝，建議選擇20%氨水(液氨稀釋)的SCR脫硝系統(tǒng)，因?yàn)榘彼撓跸到y(tǒng)無需考慮熱解爐堵塞及啟動(dòng)階段裂解溫度不足等問題，更容易通過精確控制來實(shí)現(xiàn)高效脫硝。

(1)脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

通過已有設(shè)計(jì)邊界計(jì)算獲得關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，如表5所示。

表5 脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算值

項(xiàng) 目數(shù)值脫硝效率/%70氨氮比0．81純氨耗量/kg·h-136．05

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇建議

脫硝反應(yīng)器位于余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器下游的煙道內(nèi)，通過壓縮空氣將氨水霧化后噴入蒸發(fā)器中，與來自稀釋風(fēng)機(jī)的高溫?zé)煔饣旌?，輸送至余熱鍋爐噴氨柵格。

圖2 主要工藝流程

以上是針對(duì)F級(jí)機(jī)組的設(shè)計(jì)，對(duì)于E級(jí)機(jī)組，脫硝系統(tǒng)效率達(dá)到50%～60%即可，氨水濃度或者氨氮比更低。

2.1.3 NOx排放限值10mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放要求提高到10mg/m3，設(shè)計(jì)脫硝效率需達(dá)到80%，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有SCR裝置進(jìn)行改造和優(yōu)化。目前北京地區(qū)部分燃?xì)怆姀S的優(yōu)化措施為：SCR增容提效改造。

對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部流場(chǎng)實(shí)施優(yōu)化改造，例如增加煙氣上游導(dǎo)流板、增加氨水濃度、減少稀釋風(fēng)機(jī)漏風(fēng)、提高稀釋風(fēng)機(jī)用煙氣參數(shù)、對(duì)鍋爐本體氣室進(jìn)行封閉改造、減小催化劑支撐梁與爐墻的密封間隙和增加SCR上下游的氮氧化物濃度測(cè)點(diǎn)數(shù)量等。

研究表明，催化劑用量越多，脫硝效率越高[5]。因此，在15mg/m3限值基礎(chǔ)上，電廠可考慮將催化劑層數(shù)由1層擴(kuò)展為2層。同時(shí)當(dāng)催化劑用量達(dá)到最大時(shí)脫硝效率已提升不明顯，需提高脫硝系統(tǒng)自動(dòng)噴氨控制精確度。本文建議采用脫硝系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合精準(zhǔn)的噴氨指導(dǎo)曲線，并通過脫硝前后NOx濃度反饋調(diào)整噴氨量。由于催化劑活性會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間和外部環(huán)境變化而變化，應(yīng)定期對(duì)擬合曲線進(jìn)行調(diào)試修正，以便更好指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 未預(yù)留SCR的脫硝方案

2010年前投產(chǎn)的大部分電廠未在溫度適宜區(qū)間(煙溫300℃附近)預(yù)留SCR脫硝安裝位置，因此無法加裝常規(guī)的SCR脫硝系統(tǒng)，本文建議可選擇直噴氨脫硝系統(tǒng)。

2.2.1 NOx排放限值30mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放限值為30mg/m3，直噴氨脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)可參照本文表3。在直噴氨脫硝系統(tǒng)中，噴氨柵格設(shè)置在余熱鍋爐入口位置，催化劑層布置在合適的溫度區(qū)間(見圖3)。與傳統(tǒng)SCR脫硝系統(tǒng)相比，氨水直噴法省去了蒸發(fā)混合器等設(shè)備，系統(tǒng)明顯簡(jiǎn)化、可靠性高、便于維護(hù)。

圖3 直噴氨簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)流程

2.2.2 NOx排放限值15mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放限值提高至15mg/m3，在原有30mg/m3基礎(chǔ)上將NOx排放濃度進(jìn)一步降低難度較大。設(shè)計(jì)脫硝效率需達(dá)到70%，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)氨氮摩爾比為0.7～1。由于該系統(tǒng)內(nèi)部布置空間有限，增加催化劑層沒有可操作空間，因此只能通過增加氨水噴入流量或者其他流場(chǎng)優(yōu)化手段進(jìn)行彌補(bǔ)。

以上設(shè)計(jì)是針對(duì)F級(jí)機(jī)組，對(duì)于E級(jí)機(jī)組，脫硝系統(tǒng)的效率達(dá)到50%～60%即可，氨水濃度或者氨氮比可更低。

2.2.3 NOx排放限值10mg/m3

當(dāng)NOx排放限值提高至10mg/m3，脫硝效率需達(dá)到80%，增加氨水濃度和氨水流量對(duì)脫硝效率提升有限，同時(shí)由于布置空間有限，無法增加催化劑層，因此建議對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

研究表明，在同等混合強(qiáng)度下，單位面積內(nèi)噴氨點(diǎn)數(shù)量越多，混合越均勻[6]。為了保證系統(tǒng)擁有高脫硝效率，建議可增加噴氨格柵噴氨點(diǎn)來提高氨氣與煙氣的均勻混合。

同時(shí)，提高脫硝系統(tǒng)自動(dòng)噴氨的控制精確度，保證脫硝系統(tǒng)在調(diào)峰等低負(fù)荷工況的NOx排放水平。

2.3 已預(yù)留SCR的脫硝方案

根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)在建機(jī)組及2010年后投產(chǎn)的大部分機(jī)組均已預(yù)留SCR脫硝安裝位置。

2.3.1 NOx排放限值30mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放限值為30mg/m3，已預(yù)留SCR的機(jī)組可借鑒本文已安裝SCR的脫硝方案的第1種情況。在成本允許情況下，建議選擇尿素裂解SCR脫硝系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備和運(yùn)行等問題進(jìn)行優(yōu)化。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，燃?xì)怆姀SNO2可能會(huì)占到煙氣總NOx含量20%以上。因此，建議燃?xì)怆姀S采購(gòu)帶有NO2檢測(cè)功能的煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.3.2 NOx排放限值15mg/m3

當(dāng)國(guó)家NOx排放限值提高至15mg/m3，設(shè)計(jì)脫硝效率需達(dá)到70%，此種情況可借鑒已安裝SCR的脫硝方案方案的第2種情況，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備和運(yùn)行方面問題進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)預(yù)留的空間位置，合理裝設(shè)氨水脫硝系統(tǒng)。系統(tǒng)可選多孔蜂窩式催化劑，在流動(dòng)壓損較低的同時(shí)，提高脫硝效率。

2.3.3 NOx排放限值10mg/m3

當(dāng)NOx排放限值提高至10mg/m3，設(shè)計(jì)脫硝效率需達(dá)到80%，此種情況可借鑒本文已安裝SCR脫硝方案的第3種情況。在進(jìn)行脫硝裝置設(shè)計(jì)時(shí)提前對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，對(duì)噴氨柵格后的流場(chǎng)進(jìn)行校核。新建機(jī)組應(yīng)增加SCR前后的測(cè)點(diǎn)數(shù)量，完善脫硝系統(tǒng)控制邏輯，最終實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的噴氨控制(高濃度多噴、低濃度少噴)。同時(shí)，排放要求高時(shí)煙道中氨逃逸偏高，燃?xì)怆姀S采購(gòu)的煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備氨逃逸精確檢測(cè)能力；同時(shí)煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)增加NO2濃度監(jiān)測(cè)功能，對(duì)真實(shí)的濃度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)語

(1)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有燃?xì)怆姀S的NOx真實(shí)排放數(shù)值已高于超低排放燃煤機(jī)組，國(guó)家或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)具有進(jìn)一步加嚴(yán)的趨勢(shì)。

(2)已安裝SCR脫硝系統(tǒng)的燃?xì)怆姀S可輕易實(shí)現(xiàn)30mg/m3排放水平；通過增加噴氨量等手段可實(shí)現(xiàn)15mg/m3排放水平；通過對(duì)SCR增容提效改造，實(shí)現(xiàn)10mg/m3以下排放水平。

(3)未預(yù)留SCR脫硝系統(tǒng)的燃?xì)怆姀S選擇加裝直噴氨脫硝系統(tǒng)，可輕易實(shí)現(xiàn)30mg/m3排放水平；通過增加噴氨量等手段可實(shí)現(xiàn)15mg/m3排放水平；通過內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化改造和增加噴氨點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)10mg/m3以下排放水平。

(4)已預(yù)留SCR脫硝系統(tǒng)的在建或在役燃?xì)怆姀S，為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的排放控制，應(yīng)提前對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備和運(yùn)行等進(jìn)行優(yōu)化，并增加煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)NO2和氨逃逸等污染物的檢測(cè)功能。

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Study on denitration scheme of gas power plant based on environmental protection standard

WiththeincreasingseverityofenvironmentalprotectioninChina,environmentalprotectionrequirementsforthermalpowerplantsaregettinghigher.Coal-firedpowerplantsareforcedtoimplementultra-lowemissionsmodification,duetotheabsenceofdenitrificationandotheremissionreductionfacilities,environmentaladvantagesgasofgaspowerplantshavebeenchallenged.Thispaperisbasedonthreehigheremissionstandardsthatmaybeimplementedinthefuture(30, 15and10mg/m3),combinedwiththeinvestigationofdomesticgaspowerplantandtheoperationexperienceofdenitrificationfacilities,providesasuggestionfortheinstallationandoperationofdenitrationsystemforgaspowerplantswhichhavebeeninstalled,notreservedandreservedSCRdenitrationsystem.

gaspowerplant;nitrogenoxides;environmentalstandards;denitrationsystem

X701.7

B

1674-8069(2017)06-018-04

江蘇省“六大人才高峰”高層次人才選拔培養(yǎng)資助計(jì)劃資助項(xiàng)目(JNHB-080)

2017-09-19；

2017-10-26

劉志坦(1973-)，男，山東棗莊市薛城區(qū)人，博士，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)與火電廠環(huán)保技術(shù)研究。E-mail：zhitanliu@163.com