燃氣輪機煙氣SCR脫硝系統優化設計與工程應用

黃友華，馬善為，劉吉，武正華*

（1.龍凈科杰環保技術(上海)有限公司，上海市 閔行區 201106；2.生物質發電成套設備國家工程實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區 102206）

0 引言

隨著國家對氮氧化物(NOx)排放量控制日益嚴格，相對燃煤機組環保的燃氣輪機機組NOx排放也開始受到普遍關注[1]。與燃煤機組類似，目前燃氣輪機機組也主流采用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝技術以降低NOx排放[2-5]。該技術主要通過向煙氣中通入氨(NH3)，使其在催化劑作用下與煙氣中的NOx以及氧(O2)反應生成無污染的氮(N2)和水(H2O)，從而實現降低NOx排放的目的。

在SCR脫硝系統中，脫硝效果的好壞受諸多因素的影響，如催化劑[6-7]、噴氨系統[8]、煙氣工況及流場分布[9]等。為此，研究者們開展了大量的研究工作，開發了如流場優化[10]、噴氨裝置優化[11-12]、控制系統優化[13-14]等技術。然而這些技術多數都是基于燃煤電廠SCR脫硝系統而開發，無法用于指導燃氣輪機SCR脫硝系統的優化。由于燃氣輪機機組余熱鍋爐結構的特殊性，NOx濃度場及速度場的不均勻性比燃煤電廠煙氣脫硝更加嚴重。因此，在燃氣輪機尾氣SCR脫硝系統中，噴氨格柵及導流板的布置就顯得尤為重要。為此，董陳等[15]利用數值模擬計算提出了一種E級燃氣輪機余熱鍋爐SCR脫硝系統煙氣流場的優化方法，有效改善了系統脫硝效果。然而，由于燃氣輪機的種類很多，此方法很難直接用于其他類型燃氣機組余熱鍋爐脫硝系統的優化改造。

基于此，本文以東莞某電廠F級燃氣機組臥式布置余熱鍋爐脫硝系統的優化改造為例，通過數值模擬計算、小試模型實驗和工程實踐對相應的脫硝系統進行優化改造，為類似燃氣機組余熱鍋爐脫硝系統優化改造提供參考。

1 NOx生成及SCR脫硝原理

火電廠NOx根據氮的來源和形成途徑，可分為熱力型、快速型和燃料型。熱力型NOx一般是指高溫條件下，空氣中的N2被氧化生成的NOx。快速型NOx一般是在富燃料燃燒情況下，N2與燃燒產生的碳氫自由基中間體反應生成HCN、CN等中間產物，中間產物進一步被氧化為NOx，其生成量一般僅占總量的5%以下。燃料型NOx是指燃料中的氮元素被氧化生成的NOx。與燃煤機組不同，燃氣機組燃料中的氮元素含量低，燃燒溫度高，因此熱力型NOx不可忽視。

與其他脫硝技術相比，SCR技術脫硝效率高，被廣泛用于我國火電廠的超低排放。其主要原理是通過在煙氣中注入還原劑NH3，在催化劑作用下，使其與煙氣中的NOx反應生成無污染的N2。上述過程發生的主要化學反應式如下：

上述化學反應式中，一般反應式(1)進行較快，反應式(2)的反應速度較慢，反應式(3)和(4)的反應速度很慢，因此可以看出，一般SCR脫硝反應的NH3、NOx摩爾比為1:1。需要指出的是，上述反應需要使用催化劑，一般SCR脫硝催化劑的最佳使用溫度為320～425 ℃。此外，NH3注入的好壞會顯著影響脫硝效果，因此在煙氣通過催化劑床層之前，需要保證煙氣與NH3的均勻混合。

2 脫硝系統的優化改造

通過對東莞某電廠燃氣輪機尾部布置臥式余熱鍋爐前的脫硝系統進行分析，發現系統具有如下特點：

1）燃氣輪機尾氣NOx濃度較低，NOx質量濃度≤50 mg/m3(標準狀態)；

2）排煙系統尾部沒有設置引風機，SCR脫硝系統阻力要求≤350 Pa；

3）噴氨格柵布置在余熱鍋爐內部，氨氣與煙氣混合不均，NH3集中于反應器底部；

4）余熱鍋爐進口擴散段為偏心布置，余熱鍋爐豎直面上氣流極不均勻，上下端煙氣存在較大的速度梯度。

綜上所述，上述脫硝系統主要存在問題為煙氣流場及NH3濃度分布不均。由于F級燃氣輪機機組余熱鍋爐預留的可供脫硝系統改造的空間極為有限，系統優化難度較大。因此，首先調研了國內類似機組脫硝系統噴氨格柵的布置方案，主要包括如下3類：

1）靠近催化劑床層前布置充滿整個余熱鍋爐截面的噴氨格柵，簡稱“大格柵”；

2）入口煙道布置噴槍，簡稱“入口噴槍”；

3）入口煙道的變徑段布置噴氨格柵，簡稱“擴散段格柵”。

對上述3種形式噴氨格柵的脫硝系統進一步分析，結果如表1所示。

從表1可以看出，上述3種位置布置的噴氨格柵均出現脫硝系統運行不理想的情況。通過進一步分析發現，噴氨格柵布置在余熱鍋爐靠前位置有利于氨氮混合，氨氣與煙氣混合時間長；但此時擴張段截面面積遠小于催化劑床層截面面積，極容易出現煙氣流量分布不均現象，因此需要增強煙氣與氨氣的混合效果，布置導流裝置，使煙氣流場分布均勻。

表1 不同位置布置噴氨格柵效果對比Tab. 1 Effect comparison of spraying ammonia grilles in different positions

因此，本方案在入口變徑段布置噴氨裝置的基礎上，增加自主研發的煙氣混流裝置。通過對傳統導流裝置的優化和工藝分區的特殊設計，增強了流場均勻性和噴氨可控性，形成一種新的噴氨布置方案，如圖1所示。

圖1 F級燃氣輪機脫硝系統布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of denitrification system for an F-class gas turbine

3 脫硝系統流場的數值模擬

為了測試本項目對噴氨格柵改造優化效果，采用數值計算方法對改造前后的煙氣流場進行了分析，數值模擬模型如圖2所示。

圖2 脫硝系統模型示意圖Fig. 2 Schematic diagram of denitrification system model

圖3為脫硝系統優化前噴氨柵格截面和催化劑入口截面的煙氣流速分布，可以看出，噴氨柵格截面中下側煙氣流速遠大于上側，催化劑入口截面上下側煙氣流速存在明顯梯度。通過進一步分析發現，噴氨柵格截面煙氣流速平均偏差值為59.2%，催化劑入口截面煙氣流速平均偏差值為18.1%，這種豎直面上的流速差異會導致嚴重的氨濃度分布不均勻問題，進而產生大量的氨逃逸。

圖3 無導流板時不同入口截面的煙氣流速分布Fig. 3 Velocity distributions of flue gas at different inlet sections without guide plate

根據上述未優化的數值模擬結果可知，煙氣流場主要問題表現為下側煙氣流速大，上側煙氣流速小，因此將導流板調整為下大上小的布置方式，此布置方式可以提高下部阻力，使氣流向上偏流，圖4為增加導流板后的煙氣流速分布。可以看出，增加導流板后，煙氣流速的梯度大幅度下降，噴氨柵格截面煙氣流速偏差降至3.42%，催化劑入口截面煙氣流速偏差降至8.9%，噴氨格柵區域及催化劑入口速度分布得到了明顯改善，不存在聚集區域，可有效提高脫硝效率并降低氨逃逸。

圖4 有導流板時不同入口截面的煙氣流速分布Fig. 4 Velocity distributions of flue gas at different inlet sections with a guide plate

4 小試模型實驗

由于數值模擬無法反映真實的煙氣流場分布和氨濃度分布，基于相似準則，搭建了按原始SCR脫硝系統比例縮小到1/15的小試模型，如圖5所示。基于此小試模型開展實驗研究，以驗證數值計算結果和脫硝系統優化效果。

圖5 SCR脫硝系統小試模型Fig. 5 Small test model of SCR denitrification system

圖6為催化劑床層入口截面的煙氣流速分布和氨濃度分布云圖。可以看出，增加導流板后煙氣流速整體分布較為均勻，少數局部位置流速較大，下側流速略大于上側流速。氨氣濃度分布均勻，上下側氨濃度無明顯梯度，通過進一步計算可得催化劑入口截面平均煙氣流速偏差為10.7%，平均氨濃度偏差為6.06%。根據我國工業和信息化部發布的行業標準《燃氣余熱鍋爐煙氣脫硝技術裝備》(JB/T 11265—2012)[16]，催化劑入口煙氣條件一般要求：1）煙氣流速相對標準偏差小于15%；2）煙氣流向相對標準偏差小于10°；3）煙氣溫度相對標準偏差小于±30 ℃；4）NH3/NOx摩爾比相對標準偏差小于10%。由此基本可認為噴氨格柵的位置、分區以及導流板設置合理，脫 硝系統的流場及氨濃度分布均勻，符合設計要求。

圖6 催化劑入口截面煙氣流速和氨濃度分布云圖Fig. 6 Distributions of flue gas velocities and ammonia concentrations at inlet section of catalyst-bed

5 實際運行工況分析

考慮到小試模型與實際運行情況仍有一定差異，為了進一步驗證優化方法的應用效果，基于東莞某電廠燃氣輪機脫硝系統進行了實踐研究。測試脫硝系統使用的催化劑為108孔，水平方向每排布置5個催化劑模塊，豎直方向總共布置12排。在催化劑出口截面設置有采樣口，采用網格法檢測出口NOx濃度。在燃氣輪機機組鍋爐最大連續蒸發量(boiler maximum continue rate，BMCR)工況下，對催化劑出口截面NOx濃度進行測量，測試結果如圖7所示。

從圖7可以看出，所有測點處標準狀態下NOx質量濃度均小于30 mg/m3，且NOx濃度平均偏差小于15%，表明脫硝系統優化后的脫硝效果較好。此外，可以明顯看出水平方向的NOx濃度偏差較小，豎直方向的NOx濃度偏差略大，表明脫硝系統仍有優化空間。實際上可根據運行情況對噴氨格柵進行精準優化調節，可使偏差值進一步減小。

圖7 催化劑出口截面NOx濃度的分布Fig. 7 Distributions of NOx concentrations at outlet section of catalyst-bed

6 結論

針對東莞某電廠燃氣輪機臥式布置余熱鍋爐脫硝系統運行不達標的問題，采用數值模擬、小試模型和工程實踐對脫硝系統進行優化改造，得到了如下結論：

1）脫硝系統布置導流板前，噴氨柵格截面和催化劑入口截面煙氣流速分布極不均勻，上下側煙氣流速存在較大梯度；布置導流板后，煙氣流速分布大幅改善，噴氨柵格截面煙氣流速平均偏差從59.2%降至3.42%，催化劑入口截面煙氣流速偏差從18.1%降至8.9%。

2）小試模型實驗表明，增加導流板后，催化劑入口截面煙氣流速以及氨濃度分布較為均勻，平均相對偏差分別為10.7%和6.06%，滿足一般催化劑入口煙氣條件要求。

3）電廠實踐顯示，優化后的脫硝系統，標準狀態下出口NOx質量濃度均小于30 mg/m3，平均偏差小于15%，滿足排放要求，可為類似燃氣輪機余熱鍋爐脫硝系統的優化改造提供參考。