燃氣輪機高效脫硝的工藝流程設(shè)計及研究

　　摘要：針對燃氣輪機工況條件下煙氣排放的特點以及現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的問題，提出了一種燃氣輪機機組SCR高效脫硝的技術(shù)方案，通過在燃機和余熱鍋爐的連接段處布置有尿素預(yù)熱管和霧化噴槍，利用煙氣余熱進行尿素的預(yù)熱和熱解;采用煙氣消旋裝置可以對螺旋的煙氣進行整流，消除了煙氣的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了對整個煙氣通道的流場優(yōu)化;結(jié)合燃氣輪機的煙氣排放特點采用專用的SCR脫硝催化劑，為實現(xiàn)燃氣輪機的高效脫硝工藝設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)保證。

　　關(guān)鍵詞：燃氣輪機，預(yù)熱管，消旋裝置，專用催化劑

　　近年來煤電向燃機發(fā)電轉(zhuǎn)向已經(jīng)是中國能源轉(zhuǎn)型中的重要組成部分，隨著國家在燃機機組政策上的支持，燃機電廠將越來越多。近年來我國北方地區(qū)出現(xiàn)大面積霧霾現(xiàn)象，國內(nèi)對氮氧化物的排放也采取了嚴格的控制行為，《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)對燃機電廠的NOx排放值做出了明確的要求，以天然氣為燃料的燃氣輪機機組，NOx排放量不得高于50mg/Nm3，個別地區(qū)或城市要求不超過30mg/Nm3甚至更低，對NOx排放要求較為嚴格[1～3]。

　　燃氣論文范例： 提高燃氣工程施工質(zhì)量的途徑分析

　　燃氣發(fā)電煙氣主要成分是CO2、O2、H2O與NOx等氣體，與燃煤煙氣對比，煙氣中O2與H2O的體積百分數(shù)發(fā)生很大變化，且對常規(guī)SCR催化劑脫硝效率影響特別大;燃機的入口NOx濃度約50mg/Nm3左右，也對燃機高效脫硝提出了很大的挑戰(zhàn);特別是燃機煙氣中極低的含塵量及含硫量，所以在燃機SCR脫硝裝置的尾部受熱面不擔心腐蝕和堵塞的問題發(fā)生[4～7]。燃機發(fā)電機組的SCR工藝系統(tǒng)及主要裝置的設(shè)計，需適應(yīng)排氣條件及余熱利用的結(jié)構(gòu)特點，工藝模型的關(guān)鍵影響因素和參數(shù)設(shè)置與燃煤機組有較大差異，對反應(yīng)區(qū)域流場控制、高活性催化劑配置參數(shù)、脫硝還原劑的噴射位置及方式等有極高的要求。如何滿足燃機設(shè)備的緊湊型要求和實現(xiàn)高效脫硝成為研究的重點[2,3,5,6]。

　　目前的SCR工藝主要是通過熱源引接，在燃機外的氨氣制備裝置中熱解尿素，制備氨氣，再通過噴氨格柵噴入煙道中進行脫硝。工藝及設(shè)備復(fù)雜，占地面積大，熱源引接和氨氣制備儲存困難，系統(tǒng)管路復(fù)雜，難以滿足燃機的緊湊布置要求。尿素熱解響應(yīng)過長，且熱解反應(yīng)器長期運行容易出問題，從而影響燃機的脫硝效率。另外，通過噴氨格柵很難保證煙氣和氨氣的混合均勻性及徹底性，且使得煙道內(nèi)流場情況復(fù)雜，催化劑與煙氣的接觸不充分，降低了脫硝效率。本文針對上述問題，提出了一種燃氣輪機機組SCR高效脫硝的技術(shù)方案，目的在于高效控制燃機NOx的排放，具有系統(tǒng)布置緊湊，脫硝效率高，性能穩(wěn)定，設(shè)備簡單和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。

　　1燃氣輪機現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)燃氣輪機余熱鍋爐現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)大多采用尿素

　　熱解制氨的SCR脫硝，包括尿素熱解系統(tǒng)、噴氨系統(tǒng)以及脫硝催化劑等。燃氣輪機大多數(shù)現(xiàn)有脫硝工藝的尿素熱解煙氣首先從燃機排放口抽出約450℃熱煙氣，450℃熱煙氣經(jīng)過電加熱器進一步加熱(升溫到600℃滿足尿素熱解煙氣溫度的需求);尿素溶液通過計量分配裝置噴射到熱解爐內(nèi)，在爐內(nèi)與600℃的高溫煙氣發(fā)生化學反應(yīng)生成氨氣，產(chǎn)生的氨氣與空氣的混合氣(溫度約340℃)經(jīng)過噴氨格柵在高壓蒸發(fā)器后噴入余熱鍋爐的脫硝反應(yīng)裝置內(nèi)，氨氣與煙氣中的NOx混合后在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)[1,8]。

　　燃氣輪機余熱鍋爐現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)運行過程的主要問題：①尿素熱解響應(yīng)過長，且熱解反應(yīng)器長期運行容易出問題;②系統(tǒng)脫硝較低，且氨逃逸率過高(其主要原因是一方面煙氣流量的分配和噴氨量自適應(yīng)性的調(diào)節(jié)問題;另一方面是反應(yīng)時間和催化劑的活性問題);③工藝及設(shè)備相對復(fù)雜，占地面積大[8,9]。另外，由于脫硝性能保證需要考慮AIG上游的速度分布、第一層催化劑上游的速度分布、第一層催化劑上游的NOx/NH3分布、煙氣溫度分布的偏差、煙氣射催化劑角度以及系統(tǒng)壓力損失等性能指標。燃氣輪機現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)不同燃煤機組大多在余熱鍋爐布置，在余熱鍋爐設(shè)計SCR脫硝裝置，又要保證各種性能指標同時兼顧設(shè)備安裝、人工檢修及拆裝運輸?shù)龋�使得燃機高效脫硝又進一步增加了難度。

　　2燃氣輪機高效脫硝工藝流程

　　針對燃氣輪機排氣的特點以及現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的問題，提出了一種燃氣輪機機組SCR高效脫硝的技術(shù)方案：燃氣輪機煙氣由燃氣輪機煙道進入燃氣輪機與余熱鍋爐的連接段，并預(yù)熱尿素溶液預(yù)熱管道中的尿素溶液，目的是促進尿素溶液的霧化與熱解，其溫度應(yīng)預(yù)熱到300～400℃之間。預(yù)熱后的尿素溶液經(jīng)霧化噴槍霧化后進入煙道。在煙道內(nèi)，尿素液滴與螺旋運動而來的煙氣混合。由于燃機的煙氣溫度較高，一般在500～900℃之間，尿素溶液蒸發(fā)熱解產(chǎn)生氨氣。經(jīng)過足夠長的煙道(使尿素溶液充分蒸發(fā)熱解)后，混合的氣體經(jīng)過氣流整流器成為均勻的軸向流動進入余熱鍋爐，在余熱鍋爐換熱管束處換熱，在余熱鍋爐SCR脫硝部分的催化劑層處脫硝，最后處理過的煙氣進入煙囪排放。

　　3工藝流程的設(shè)計及研究

　　3.1尿素溶液的預(yù)熱霧化系統(tǒng)

　　由于燃氣輪機排氣溫度較高，在燃機和余熱鍋爐的連接段處布置有尿素預(yù)熱管，進行預(yù)加熱，使尿素溶液溫度預(yù)熱到300～400℃，使后續(xù)尿素溶液的霧化和熱解更易進行。預(yù)熱的尿素溶液引入霧化器中霧化。在燃機和余熱鍋爐的連接段處設(shè)置尿素噴槍，噴槍連接預(yù)熱管。

　　尿素噴槍的噴嘴布置在垂直于煙氣流速方向的管道橫截面(過流斷面)上，噴射尿素的方向與氣流前進方向一致。為確保尿素在進入氣體整流器前完全熱解并均勻混合，需保證有足夠長度的煙道。霧化器使尿素溶液霧化成一定粒徑的懸浮液滴從各個噴嘴噴入煙道中，其霧化角度和噴槍的個數(shù)需合理安排，促進尿素溶液與煙氣混合，尿素的供應(yīng)需保證連續(xù)。

　　噴槍均勻布置在直徑為D1的圓形面上，噴槍噴出的霧化液滴水平進入煙道，在高溫煙氣的作用下蒸發(fā)熱解為氨氣;另外將尿素溶液多點、較為均勻地噴入煙氣中，更容易實現(xiàn)煙氣與尿素溶液的混合均勻。

　　3.2混合煙氣消旋裝置

　　燃氣輪機排出的煙氣是螺旋流動的，霧化后的尿素溶液沿煙氣通道的軸線方向噴入螺旋流動的煙氣中，由于霧化后的尿素液滴的噴射方向與煙氣的局部流動方向差別較大，在煙氣的擾動下，更容易與煙氣混合均勻。分散均勻的尿素液滴較容易受熱均勻后分解。尿素分解完全后，煙氣攜帶分解后的氨氣流經(jīng)消旋裝置(整流通道)，消旋裝置對煙氣起到旋轉(zhuǎn)氣流的整合作用，將混合煙氣由螺旋向前，化為沿煙道平直向前的運動，進一步促進了煙氣與氨氣的混合，并使煙氣分布均勻，以優(yōu)良的流場特性進入催化劑層，以提高煙氣脫硝的均勻程度，并減輕對催化劑層的沖擊作用，使煙氣脫硝過程更加平穩(wěn)、有效進行。催化劑層為蜂窩結(jié)構(gòu)或波紋板結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積、可以降低流動阻力損失，可以顯著提高煙氣脫硝效率。

　　4工藝流程的特點

　　(1)簡化了燃機SCR脫硝的工藝流程。氨氣直接在煙道中由尿素熱解生成，省去了制備氨氣和噴淋氨氣的過程，降低了燃機脫硝的工作時長，提高了工作效率。(2)采用尿素直接噴淋的工藝，不需要復(fù)雜笨重的氨氣發(fā)生裝置，使脫硝系統(tǒng)更為簡潔，降低成本。尿素的儲存運輸較氨氣更為方便，避免了氨氣泄漏造成的污染。(3)充分利用燃氣輪機排氣特點，利用煙氣的螺旋運動使尿素和煙氣自然的均勻混合，利用煙氣余熱進行尿素的預(yù)熱和熱解，氨氣與煙氣的混合均勻度較噴氨格柵更高，有效提高了脫硝效率。

　　(4)采用消旋裝置可以對螺旋的煙氣進行整流，消除了煙氣的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了對整個煙氣通道的流場優(yōu)化;另外在余熱鍋爐加入部分煙氣換熱管束，一方面可以使尿素溶液預(yù)熱可以快速熱解，另一方面換熱管束可以使煙氣進一步整流，煙氣流場得以優(yōu)化;到達催化劑層前，煙道中煙氣分布均勻，氨氣與煙氣充分混合，氨氣與煙氣混合偏差相較常規(guī)噴氨系統(tǒng)更為優(yōu)化。(5)燃氣輪機高效脫硝的實現(xiàn)重要前提：一方面拓寬催化劑的溫度窗口，增強催化劑的適應(yīng)性;另一方面進一步提高催化劑的活性，選用燃氣輪機脫硝專用催化劑，為燃機高效脫硝技術(shù)路線提供技術(shù)支撐。

　　5結(jié)論

　　針對燃氣輪機工況條件下煙氣排放的特點以及現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的問題，提出了一種燃氣輪機機組SCR高效脫硝的技術(shù)方案，采用尿素溶液預(yù)熱直接噴淋入煙道的技術(shù)工藝，包括：尿素溶液的預(yù)熱過程，尿素溶液的霧化過程，尿素溶液的噴淋過程，尿素溶液與排氣的螺旋混合過程，混合后的氣體消旋過程，燃氣輪機脫硝專用催化劑的SCR脫硝過程。該方案具有脫硝效率高、性能穩(wěn)定、布置緊湊、設(shè)備簡單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

　　參考文獻

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　　作者：張軍梅1劉強1張敬儒2欒濤2王志強2**

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