燃機余熱鍋爐NOx超低排放技術(shù)研究與應(yīng)用

周金華 韓超 丁純

摘 要：當前，大氣污染物排放標準越來越嚴格，而提高余熱鍋爐脫硝效率是降低NOx排放濃度的有效方法。本文結(jié)合具體案例，研究了燃機余熱鍋爐NOx超低排放技術(shù)，分析了燃機余熱鍋爐NOx超低排放技術(shù)的應(yīng)用，以期為燃氣電廠超低排放改造提供依據(jù)，進一步降低NOx排放量。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機;余熱鍋爐;脫硝;超低排放

Abstract： At present， the emission standards of atmospheric pollutants are becoming more and more strict， and improving the efficiency of waste heat boiler denitration is an effective method to reduce the concentration of NOx emissions. This article combines specific cases to study the NOx ultra-low emission technology of the gas turbine waste heat boiler， and analyzes the application of the NOx ultra-low emission technology of the gas turbine waste heat boiler， in order to provide a basis for the ultra-low emission transformation of gas-fired power plants and further reduce NOx emissions.

Keywords： gas turbine;waste heat boiler;denitration;ultra-low emission

近年來，由于高效率、低污染的特點，燃氣輪機特別是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在世界主要發(fā)達國家得到了迅速發(fā)展，我國在大型中心城市以及部分發(fā)達地區(qū)也上馬了大量燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，以取代污染嚴重的燃煤小機組。在《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）中，天然氣燃氣輪機組NOx排放濃度限值為50 mg/Nm3。在此基礎(chǔ)上，北京市于2011年11月23日發(fā)布了地方標準《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》（DB 11/847—2011），規(guī)定NOx排放濃度限值為30 mg/Nm3，出于環(huán)保壓力，北京市部分燃氣發(fā)電企業(yè)在實際運行中將NOx排放濃度控制在15 mg/Nm3以內(nèi)。隨著環(huán)保形勢的日趨嚴峻，不排除國家進一步控制NOx等污染物排放濃度的可能。在燃氣輪機不做大型改進的情況下，其出口NOx排放基本穩(wěn)定，提高余熱鍋爐脫硝效率是降低NOx排放濃度的有效方法[1-2]。因此，京能集團北京京西燃氣熱電有限公司對燃機余熱鍋爐脫硝系統(tǒng)進行改進，最終實現(xiàn)了NOx的超低排放，其排放濃度低于5 mg/Nm3。本文結(jié)合該案例，研究了燃機余熱鍋爐NOx超低排放技術(shù)，分析了其具體應(yīng)用。

1 原脫硝系統(tǒng)基本情況

京能集團北京京西燃氣熱電有限公司共有3臺西門子SGT5-4000F（4+）燃機組成的1套“二拖一”和1套“一拖一”燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，每臺燃機配套一臺無錫華光鍋爐廠設(shè)計生產(chǎn)的立式余熱鍋爐，采用SCR脫硝技術(shù)對NOx進行脫除。脫硝系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如下：脫硝SCR反應(yīng)器與鍋爐煙道合為一體，反應(yīng)器內(nèi)布置一層托普索公司生產(chǎn)的波紋板催化劑，催化劑凈高度為250 mm，總體積為50.16 m3;催化劑前裝設(shè)噴氨格柵，噴嘴孔徑為6 mm，共有6 160個;配備2臺風(fēng)冷式脫硝風(fēng)機，風(fēng)量為8 000 Nm3/h，風(fēng)壓為8 000 Pa，從催化劑后引出260 ℃的熱煙氣，在1個直徑0.8 m、高6 m的蒸發(fā)槽內(nèi)將氨水蒸發(fā)成氨氣并稀釋后從噴氨格柵進入脫硝反應(yīng)器。采用20%氨水作為還原劑，兩套機組的氨區(qū)單獨設(shè)置，各設(shè)1座100 m3容積的儲氨罐和2臺流量Q=1 m3/h，H=64 m氨水輸送泵。目前，燃機出口NOx濃度為50 mg/Nm3，余熱鍋爐NOx排放濃度不高于15 mg/Nm3，氨逃逸率在3 mg/L左右。

2 超低排放技術(shù)

在燃機出口NOx濃度50 mg/Nm3的情況下，要將余熱鍋爐出口NOx排放濃度降至低于5 mg/Nm3，脫硝效率須超過90%。對脫硝效率影響比較大的主要有催化劑的催化反應(yīng)能力、反應(yīng)器內(nèi)氨氣與煙氣的混合均勻（流場均布）度和原煙氣的泄漏量等因素[3-5]，要提高脫硝效率，必須針對上述各因素進行改進。

2.1 重新核定催化劑體積

催化劑廠家托普索公司對現(xiàn)有催化劑取樣并進行實驗室活性測試，結(jié)果如表1所示。

結(jié)果表明，催化劑活性系統(tǒng)k/k0為0.90，催化劑的活性雖然有所衰減，但是符合設(shè)計預(yù)期，可以繼續(xù)使用。經(jīng)托普索公司核算，燃機出口NOx濃度不變（50 mg/Nm3）的情況下，煙囪出口NOx濃度從15 mg/Nm3降到5 mg/Nm3，即脫硝效率由70%提升至90%，催化劑須增加一倍。余熱鍋爐設(shè)計之初已預(yù)留加裝催化劑的空間和荷載，考慮到安裝條件，在現(xiàn)有催化劑上方增加了一層同型號的催化劑，體積共50.16 m3。

2.2 優(yōu)化煙氣流場

催化劑后1 m左右的位置沿鍋爐長度方向布置有7組測試裝置，每組測試裝置沿鍋爐寬度方向分4個測點，共28個測點均勻分布在反應(yīng)器內(nèi)。鍋爐生產(chǎn)廠家無錫華光鍋爐廠對NOx濃度場進行測試，結(jié)果如表2所示。

有表2可以看出，SCR出口NOx濃度偏差較大，相對標準偏差達25%。進一步對鍋爐設(shè)計圖紙和運行現(xiàn)狀進行分析后，采取了以下流場優(yōu)化措施。

2.2.1 封閉SCR反應(yīng)器區(qū)域兩側(cè)的“氣室”。余熱鍋爐在SCR反應(yīng)器兩側(cè)存在“氣室”，即鍋爐煙道在SCR反應(yīng)器區(qū)域兩側(cè)凸出的部分，如圖1所示。

為了解“氣室”對流場的影響，本研究特做了模擬試驗。從速度場模擬結(jié)果來看，催化劑前0.5 m截面，有氣室時，該截面速度Cv值為26.85%;沒有氣室時，該截面速度Cv值為16.81%。有氣室存在的原始模型，在氣室處形成了較大的渦流，局部的渦流增加了流動阻力，影響氨氣與空氣的混合效果，尤其是在噴氨格柵的邊緣處，影響較大。從濃度場模擬結(jié)果來看，催化劑前0.5 m截面，有氣室時，NH3濃度Cv值為10.35%;沒有氣室時，濃度Cv值為5.69%。有氣室存在的原始模型，在氣室附近區(qū)域出現(xiàn)了局部的低濃度。封閉“氣室”后，反應(yīng)器內(nèi)部流場的均勻性有較大提高。

2.2.2 在SCR反應(yīng)器前增加均流孔板。在燃機出口煙氣進入余熱鍋爐第一組受熱面管排前的位置增加一層煙氣均流孔板，經(jīng)對煙氣阻力和煙氣流速進行計算并綜合考慮，將孔板的孔徑設(shè)為260 mm×260 mm、280 mm×280 mm、300 mm×300 mm、320 mm×320 mm和350 mm×350 mm等五種規(guī)格，根據(jù)立式余熱鍋爐的特性，從煙道彎頭外側(cè)（煙氣流速最快）到內(nèi)側(cè)（煙氣流速最慢）按孔徑從小到大依次分布，對煙氣流速進行適當干預(yù)，使進入SCR反應(yīng)器的煙氣流速更加均勻。

2.2.3 改進氨噴射系統(tǒng)。根據(jù)美國福斯公司的流場試驗結(jié)果，對氨噴射系統(tǒng)進行了改進：保留整體格柵式結(jié)構(gòu)，將噴嘴直徑加大至10 mm，數(shù)量減為2 800個;將脫硝風(fēng)機風(fēng)量由8 000 Nm3/h提高到1 2000 Nm3/h，將脫硝風(fēng)機風(fēng)壓由8 000 Pa提高到10 000 Pa;將蒸發(fā)煙氣引出口從催化劑后改到噴氨格柵前，煙氣溫度由260 ℃提高到340 ℃。

2.3 徹底解決原煙氣泄漏問題

原設(shè)計催化劑支撐梁與爐墻之間的密封方式為折板密封，預(yù)留15 mm膨脹間隙。由于膨脹間隙是按鍋爐滿負荷運行的膨脹量預(yù)留的，在鍋爐不按額定負荷運行的情況下，實際膨脹量小于預(yù)留間隙，必然存在較大的漏風(fēng)量，而且鍋爐長時間運行后，爐墻會發(fā)生不同程度的彎曲、變形，因此，即便鍋爐在額定負荷下運行，爐墻與催化劑之間也無法做到完全密封，低負荷下，漏風(fēng)量更大[6]。

在NOx排放濃度較高時，一部分原煙氣泄漏進入凈煙氣，影響不是特別明顯，但是，要想實現(xiàn)5 mg/Nm3的超低排放，即便是少量的原煙氣泄漏，也可能導(dǎo)致排放無法達標。為解決泄漏問題，特研發(fā)了一種柔性接觸式密封裝置，替換原折板密封。柔性接觸式密封由兩層不銹鋼密目鋼絲網(wǎng)和一層陶瓷纖維布組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

經(jīng)多次試驗，筆者發(fā)現(xiàn)，鋼絲網(wǎng)的目數(shù)以800～1 200目為宜，在此范圍內(nèi)，5 000 Pa壓差下漏風(fēng)率基本為零，而且鋼絲網(wǎng)有足夠強度;陶瓷纖維布厚度宜大于5 mm，與兩層密目鋼絲網(wǎng)組合在一起，使整體厚度在超過6 mm，便于固定。該柔性接觸式密封既能達到煙氣零泄漏的效果，又滿足催化劑支撐（吊掛）裝置與爐墻之間的膨脹要求，效果良好。

3 改造效果

改造完成后，特委托專業(yè)機構(gòu)進行了性能試驗，試驗結(jié)果如下：#1燃機出口（即余熱鍋爐SCR脫硝入口）NOx濃度為36.8 mg/m3，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度為3.2 mg/Nm3，脫硝效率為91.3%，氨逃逸率為2.97 mg/m3;#2燃機出口（即余熱鍋爐SCR脫硝入口）NOx濃度為32.7 mg/m3，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度為3.4 mg/Nm3，脫硝效率為89.6%，氨逃逸率為2.8 mg/m3;#3燃機出口（即余熱鍋爐SCR脫硝入口）NOx濃度為39.6 mg/m3，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度為3.6 mg/Nm3，脫硝效率為90.9%，氨逃逸率為3.35 m3。在燃機出口NOx排放濃度低于50 mg/Nm3的情況下，脫硝效率基本達到90%，NOx排放濃度均低于5 mg/Nm3。

4 結(jié)語

NOx超低排放技術(shù)在京能集團京西燃氣熱電有限公司燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組中的成功應(yīng)用，為行業(yè)內(nèi)同類型機組的設(shè)計提供了借鑒作用。需要注意的是，NOx超低排放在技術(shù)上可以實現(xiàn)，但是，采取均流孔板、雙層催化劑等措施將增加阻力，增大燃機背壓，一定程度上會降低燃機效率，對機組的經(jīng)濟性有影響。因此，應(yīng)結(jié)合國家、行業(yè)、地方環(huán)境保護標準以及項目的實際情況，權(quán)衡經(jīng)濟性能和環(huán)保要求進行綜合考慮。

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