樓宇型燃氣分布式能源系統SCR脫硝應用研究

王學勤 ， 朱文 堃 ，徐靜靜，江婷，胡永鋒

（1.中國華電集團有限公司上海公司，上海市 浦東新區 200126；2.華電分布式能源工程技術有限公司，北京市 豐臺區 100070）

0 引言

隨著能源需求以及能源與環境的矛盾不斷深化，燃氣分布式能源(natural gas distributed energy，NGDE)系統先在美國推廣并逐漸被其他國家所接受，并率先在發達國家得到快速發展。隨著能源市場機制的完善以及可持續發展戰略的實施，NGDE系統迅猛的發展，目前美國、歐洲、日本及韓國等國家技術較為先進。

在我國，20世紀90年代末開始積極推動分布式能源的發展，在2003年國內陸續開始建設分布式能源站，先后建成北京燃氣大廈調度中心、上海浦東機場、上海黃浦區中心醫院等NGDE項目。2011年《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》的發布以及發展NGDE被寫入“十二五”能源發展規劃，標志著發展NGDE被正式納入國家能源發展戰略。2014年國家發展改革委、住房和城鄉建設部、國家能源局等三部委聯合發布《燃氣分布式能源示范項目實施細則》，標志著行業已規范發展；2015年中共中央、國務院出臺《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》，開啟了行業發展新篇；2017年國家發改委印發《加快推進天然氣利用的意見》，NGDE發展正式進入快速發展時期。

1 燃氣分布式能源(NGDE)

NGDE系統是相對于傳統的集中式能源生產與供應模式而言的，是就近直接向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統，便于實現能源綜合梯級利用，在具有更高能源利用率的同時還具有更高供能安全性以及更好的環保性能[1-3]。NGDE適用于具有穩定基礎電力負荷、冷暖負荷且年運行時間較長的工業園區、商業綜合體、醫院、賓館、寫字樓、機場、數據中心等。本文研究的樓宇式 NGDE系統是以內燃機或微燃機為動力設備，通過配套相關的余熱利用機組產生冷熱水，向樓宇建筑內供應空調冷熱水、生活熱水及電力供應的能源供應系統[4-7]。

隨著《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》和《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》的不斷推進，燃氣分布式能源站的脫硝改造工作要求日趨嚴格。NOx一直被認為是造成環境污染的主要物質之一，NOx排放控制是環境污染治理的重點和難點，其危害主要有酸雨作用、誘發光化學煙霧、溫室效應和光化學反應等。目前國內內燃機排放標準執行的是汽車發動機的排放標準，NOx排放指標為500 mg/m3，雖然設備廠家提供的內燃機設備 NOx排放質量濃度為250 mg/m3，但隨著環保要求的不斷提高，以內燃機為原動機的樓宇型NGDE項目的脫硝改造勢在必行。

圖1 SCR 煙氣脫硝反應原理Fig. 1 SCR flue gas denitrification reaction principle

2 選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝

能源項目脫硝改造中，國際上普遍采用煙氣脫硝，因為煙氣脫硝具有較高的脫硝效率，脫硝后的煙氣完全符合NOx的國家排放標準。一般在我國常用的煙氣脫硝是選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝技術，SCR煙氣脫硝技術的脫硝效率達到90%以上，在國內外應用較多，技術程度高，氨逃逸率較低[8-9]，因此SCR煙氣脫硝技術是燃煤機組、燃氣機組煙氣脫硝的主要應用技術之一。

2.1 SCR 煙氣脫硝工藝原理

SCR煙氣脫硝技術主要指利用 NH3等還原劑，在特定的溫度環境中，利用催化劑，將煙氣的 NOx催化還原為 N2和 H2O，再排放到大氣中的技術。SCR脫硝原理如圖1所示。脫硝系統中的還原劑為碳氫化合物(如 CH4、C3H6等)、NH3、尿素(CH4N2O)等，在大規模工業應用的還原劑主要是NH3(氨)，其次是CH4N2O(尿素)。SCR脫硝技術的主要反應方程式[10-11]為：

燃燒反應產生的煙氣NOx主要以NO的形式存在(95%以上)，其中式(1)的反應在較窄的溫度范圍內(980 ℃左右)進行，但是加入催化劑，反應溫度則可擴展到很大的范圍內，例如釩鎢鈦脫硝催化劑的溫度范圍為270～420 ℃，分子篩脫硝催化劑的溫度范圍為390～600 ℃。在進行催化還原的過程中，還可能發生如下的副反應[11]：

NH3的分解反應發生在350℃以上，在300 ℃以下時會發生NH3氧化成N2的副反應，在230 ℃以下容易引起 NH3與 SO3反應生成 NH4HSO4或(NH4)2SO4，反應溫度的控制較為關鍵；但是一般在天然氣分布式能源項目中，尾部煙氣不存在SOx，反應(6)和(7)不會發生。

2.2 SCR 煙氣脫硝效率的主要影響因素

在 SCR脫硝工藝中，影響脫硝效率(即脫硝系統進、出口的NOx質量濃度差與脫硝系統進口NOx質量濃度的比值)的因素主要有：反應溫度、反應時間、NH3/NOx摩爾比、催化劑等[12-15]。

1）反應溫度。

存在一個最佳反應溫度使脫硝效率達到最大，因為當溫度過高導致催化劑變形，減少有效接觸面積，降低脫硝效率，而當溫度過低，NH3和NO2反應生成NH4NO3，該產物會堵塞催化劑，降低脫硝效率。

2）NH3/NOx摩爾比。

和反應溫度一樣，存在一個最佳的混合比使脫硝效率達到最大，當混合比由小逐漸增大(即NH3量不斷增加)，提高了催化劑上 NH3的吸附量，推動反應平衡向反應正方向移動，提高脫硝效率；當混合比過大時，過量NH3的副反應速率加快，例如反應式(3)所示，本質上降低了脫硝效率，增加了氨逃逸，造成再次污染。因此根據進口NOx質量濃度值進行合理調整，通常NH3/NOx摩爾比選擇為1.2以下。

3）催化劑。

脫硝催化劑的類型多樣，需要根據具體應用環境確定使用何種催化劑，不同SCR脫硝催化劑對比見表 1。催化劑在反應中容易失去活性，失活直接影響到脫硝效率，造成催化劑失去活性既有運行工況的影響也有煙氣有毒成分的影響，例如催化劑的燒結、砷、鈣、磷、堿金屬中毒及水的毒化；催化劑中毒是煙氣脫硝過程中的關鍵問題，根據具體的運行環境，制定科學合理的方案，對延長催化劑壽命至關重要。SCR脫硝催化劑的結構形式對脫硝效率也有較大的影響，要根據具體條件選取特定結構的催化劑，達到預定的脫硝效率。

表1 不同SCR脫硝催化劑Tab. 1 Different SCR denitration catalysts

3 樓宇型分布式能源項目的脫硝應用

以北京某樓宇型分布式能源站為例介紹脫硝改造應用效果，能源站主要為某辦公商業建筑群供能，該建筑群的地上建筑面積約17萬m2，地下建筑面積約8萬m2；項目裝機按“以冷熱定電、欠匹配”的原則進行確定，裝機配置為 2臺3 349 kW燃氣內燃發電機組+2臺2 907 kW煙氣熱水溴化鋰機組+2臺3 489 kW溴化鋰直燃機組+2臺1 784 kW螺桿式水冷機組+1套1 500 kW冷塔供冷系統+35m3生活熱水蓄熱系統。項目建成后，實現最大供冷能力為 16 360 kW，供熱能力為11 704 kW，生活熱水供應能力為3 500 kW，完全可以實現該建筑群的能源供應。

3.1 工藝流程

該項目的系統流程為：天然氣先在內燃機發電機組內進行燃燒發電，內燃機產生的高溫煙氣及缸套水、高溫中冷水進入煙氣熱水混合型溴化鋰機組，根據用戶的需求產生空調冷熱水以及生活熱水，完成冷、熱、電及生活熱水四聯供。系統也配備相應的調峰機組，當用戶的冷熱負荷需求大于內燃機組所能提供的最大負荷時，啟動調峰機組進行調峰，滿足樓宇群的基本用能負荷。

該分布式能源項目自從投運以來，機組NOx排放質量濃度約 500～700 mg/m3(標態，干基，5%O2)，隨著環保要求的進一步提高，此排放指標已經不能滿足北京市《固定式內燃機大氣污染物排放標準》規定的排放限值要求，必須對系統進行脫硝改造。在傳統脫硝技術基礎上，開發出的新一代適用于分布式能源站項目的脫硝技術，對于工業企業適應國家日益嚴格的環保要求提供了全新的解決方案。

3.2 SCR 脫硝系統

本項目要求機組煙氣中 NOx質量濃度降至30 mg/m3(干基，5%O2)以內，在無法對內燃機燃燒結構進行減排改造的情況下，并保證運行安全，選擇采用顆粒尿素為脫硝還原劑的 SCR脫硝技術。SCR脫硝系統主要包括尿素溶液儲存與制備系統、尿素溶液輸送系統、尿素溶液計量分配系統、尿素溶液噴射系統、壓縮空氣系統、催化劑、控制系統及其附屬系統等。

具體工作流程：將儲存于儲存間的干尿素，用軟化水溶解成約20%質量分數的尿素溶液，通過尿素溶液給料泵將配制好的尿素溶液輸送到尿素溶液儲存罐。儲存罐內的尿素溶液經由供液泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等噴入高溫煙道中，生成NH3、H2O和CO2，分解產物NH3與煙氣中的 NOx在催化劑的作用下生成 N2與 H2O，完成脫硝過程，脫硝系統工藝流程如圖2所示。

圖2 能源站脫硝工藝流程Fig. 2 Energy station denitration process flow

3.3 技術方案

在項目方案設計中，借鑒傳統火電廠的煙氣脫硝方案，采用商用釩鎢鈦蜂窩式催化劑，但內燃機煙氣溫度遠高于釩鎢鈦脫硝催化劑運行溫度。因此在內燃機出口后設置了稀釋冷卻風，以降低煙溫，滿足催化劑運行溫度要求，但是降溫后的煙氣對于余熱回收利用不利，經濟效益不樂觀，不采用此方案。經過進一步調研論證，提出了現有工藝方案：考慮到能源站內燃機煙氣中SO2體積分數小于 10-5，并且無粉塵，可采用分子篩高溫脫硝催化劑，該催化劑使用溫度窗口寬，脫硝效率高，但缺點是不耐硫中毒(建議煙氣中SO2體積分數低于10-5)，該方案適合能源站的脫硝改造，釩鎢鈦催化劑和分子篩催化劑的特性對比見表2。

利用內燃機出口高溫煙氣，通過壓縮空氣霧化，將尿素溶液噴入煙道，在煙道中熱解制氨，簡單易操作，保證流場穩定，脫硝高效。SCR脫硝后的煙氣溫降約為 16 ℃，脫硝后的煙氣進入煙氣溴化鋰機組；因為脫硝的煙氣直接來自于內燃機系統，脫硝煙氣溫度較高，所以本系統對于催化劑選擇和催化形式都有新穎的設計改造，在實際運行結果良好，脫硝煙氣設計參數見表3。

表2 催化劑特點對比分析Tab. 2 Comparative analysis of catalyst characteristics

表3 脫硝煙氣設計參數Tab. 3 Denitration flue gas design parameters

3.4 運行效果

本項目在改造前煙氣排放 NOx質量濃度實際為500～700 mg/m3(標態，干基，5%O2)，改造后在保證內燃機在 50%～100%的最大負荷工況下，脫硝系統NOx質量濃度小于30 mg/m3(標態，干基，5%O2)，NH3逃逸量≤2.5 mg/m3(標態、干基、5%O2)，SCR脫硝裝置可用率更是達到了98%以上。保證連續安全穩定的運行情況下，SCR脫硝系統的脫硝效率達到95%以上，NOx排放值為25.4 mg/m3，脫硝過程中系統壓降小于1 000 Pa，催化劑化學壽命超過24 000 h，單臺機組尿素耗量小于6.0 kg/h，該項目也達到了國家和北京地區的內燃機排放標準，實現基于內燃機式NGDE系統的清潔低碳排放，SCR脫硝系統排放指標見表4。

表4 SCR 脫硝前后煙氣參數Tab. 4 Flue gas parameters before and after denitration by SCR

4 結論

基于內燃機式的 NGDE系統的煙氣脫硝技術成功應用后，不僅取得了良好的脫硝效果，而且該技術為其他工業領域燃氣機組煙氣治理提供了有益借鑒，也為治霾提供了有力的技術支撐。

本文分析了高溫 SCR脫硝系統在樓宇型分布式能源系統應用的可能性。通過借鑒火電廠脫硝技術，在小型 MW級 NGDE系統得到成功應用后，脫硝效率達到95%以上，脫硝效果良好。該分布式能源站脫硝改造后，排放指標低于標準要求值，節能環保效益顯著，為脫硝技術發展提供一個新的可能。作為新一代適用于分布式能源站項目的脫硝技術，為我國燃氣分布式能源站煙氣污染治理提供一種全新的解決路徑。