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本文详细论述了应用于余热锅炉的SCR脱硝装置的原理及技术特点。同时针对国内某电厂首台9FB燃气-蒸汽联合循环机组,对国内燃气-蒸汽联合循环余热锅炉SCR系统设置及关键设备的选型进行介绍,探讨余热锅炉SCR脱硝装置的系统设计及工程应用。

随着我国经济的快速发展,火电机组装机容量不断增加,大气污染物的排放呈现快速发展的趋势,其中氮氧化物(NOx)是火电机组排放的主要污染物之一。于2012年7月发布,2012年1月1日起实施的GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》将火电机组NOx的排放标准大幅度提高,其中燃煤机组的排放控制在100mg/Nm3,燃气机组的排放控制在50mg/Nm3以下,同时将控制NOx排放纳入到十二五发展规划纲要中。随着国家对NOx排放标准的不断提高,促进了火电厂NOx排放控制技术的迅速发展。

燃气—蒸汽联合循环是把燃气轮机循环和蒸汽轮机循环组合成为一个整体的热力循环,通过能源梯级利用,提高联合循环发电机组的效率。与常规燃煤机组相比,联合循环机组以燃烧清洁燃料为主,并结合先进的排放污染控制技术,可以实现更低的污染物排放,目前GE公司9F等级的燃机出口的NOx排放可以达到50mg/Nm3以下。

近年来,随着国内环保标准的日益严格,国内新建的多个燃气联合循环项目装设了脱硝装置或者预留脱硝的空间。本文通过理论分析和并通过国内首台配9FB燃机余热锅炉烟气脱硝装置工程对9FB级燃机联合循环余热锅炉加设脱硝装置进行了探讨及研究。

1余热锅炉脱硝原理及工艺流程

1.1余热锅炉脱硝方式

火电机组NOx排放控制技术主要分为两大类:一类是采用控制燃烧的方式,如低NOx燃烧器等,另一类是对燃烧后生成的NOx进行脱除,主要有SCR法和SNCR法,其中在火电机组中广泛应用的为选择性催化还原法(SCR)脱硝技术。对于联合循环机组,低Nox的燃烧控制是在燃气轮机中完成的,因此对于余热锅炉来说,仅需要对燃气燃烧后生成的NOx进行脱除,一般采用SCR法烟气脱硝技术。

1.2余热锅炉脱硝原理及脱销效率

SCR法即选择性催化还原法法脱硝技术,余热锅炉SCR脱硝原理与燃煤机组相似,均采用NH3为还原剂,将NH3喷入到烟道中,与烟气进行均匀的混合,发生如下反应:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O(2)

3NO2+4NH3→7N2+6H2O(3)

在燃煤机组中,烟气中NOx的成分主要是NO,约占总NOx含量的95%,而NO2仅占5%左右,因此SCR反应是基于反应式(1)、(2)进行的。与燃煤机组不同,燃机排气中的NO2含量较高,根据燃机工况及燃烧方式的不同,NO2可能会占到烟气总NOx含量的50%以上,此时会有一部分NO2按照反应式(3)进行反应,因此在余热锅炉脱硝中可能会同时发生上述三个反应。需要注意的是,反应式(3)的反应速度远小于反应式(1)和(2),因此当NO2占总NOx含量50%以上时,NO2的含量越高,整体的反应速度越慢,此时需要更多的催化剂来保证脱硝效率。

对于以天然气为燃料的联合循环机组,烟气中不存在导致催化剂堵灰及中毒的物质,同时,余热锅炉烟道内流场分布比较均匀,因此余热锅炉脱硝装置的脱硝效率要高于燃煤机组,最高可达95%以上。在美国、日本等国家燃气机组中,已有多个脱硝效率90%以上的SCR装置投入运行,对于国内燃气项目,根据我国的环保标准的要求,脱硝效率通常不高于80%。

1.3脱硝系统工艺流程

余热锅炉SCR脱硝装置分为两个部分,余热锅炉烟气系统和还原剂系统。

9FB燃机余热锅炉脱硝装置的探讨及研究

 

图1余热锅炉SCR脱硝装置流程图

余热锅炉脱硝装置主要的工艺流程见图1,与燃煤机组基本相同。还原剂制备系统提供的稀释后的氨气,通过喷氨栅格均匀的喷入到烟气中,再经过催化剂模块,在催化剂的作用下NH3与NOx发生还原反应,达到脱除烟气中NOx的目的,反应后的清洁烟气再通过下游的各级受热面模块,最后通过烟囱排入大气。在脱硝反应区的入口、出口和烟囱出口设置有温度和分析仪测点。

2.余热锅炉SCR系统设计及设备选型探讨

燃气联合循环余热锅炉SCR脱硝装置与常规燃煤火电机组SCR法脱硝装置工作原理基本相同,但对于燃气项目来说,由于燃气排气成分及余热锅炉结构布置等因素,在SCR系统设计及主要设备选型上与燃煤机组是有较大差别的。本文就结合国内某电厂首台配9FB燃机余热锅炉脱硝工程对系统设计做简单的介绍,并探讨配备9FB燃机余热锅炉SCR脱硝装置在系统设计及设备选型上应注意的问题。

2.1国内某电厂9FB机组SCR系统简介

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