燃气轮机高效脱硝的工艺流程设计及研究

　　摘要：针对燃气轮机工况条件下烟气排放的特点以及现有脱硝系统的问题，提出了一种燃气轮机机组SCR高效脱硝的技术方案，通过在燃机和余热锅炉的连接段处布置有尿素预热管和雾化喷枪，利用烟气余热进行尿素的预热和热解;采用烟气消旋装置可以对螺旋的烟气进行整流，消除了烟气的旋转，从而实现了对整个烟气通道的流场优化;结合燃气轮机的烟气排放特点采用专用的SCR脱硝催化剂，为实现燃气轮机的高效脱硝工艺设计提供理论依据和技术保证。

　　关键词：燃气轮机，预热管，消旋装置，专用催化剂

　　近年来煤电向燃机发电转向已经是中国能源转型中的重要组成部分，随着国家在燃机机组政策上的支持，燃机电厂将越来越多。近年来我国北方地区出现大面积雾霾现象，国内对氮氧化物的排放也采取了严格的控制行为，《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对燃机电厂的NOx排放值做出了明确的要求，以天然气为燃料的燃气轮机机组，NOx排放量不得高于50mg/Nm3，个别地区或城市要求不超过30mg/Nm3甚至更低，对NOx排放要求较为严格[1～3]。

　　燃气论文范例： 提高燃气工程施工质量的途径分析

　　燃气发电烟气主要成分是CO2、O2、H2O与NOx等气体，与燃煤烟气对比，烟气中O2与H2O的体积百分数发生很大变化，且对常规SCR催化剂脱硝效率影响特别大;燃机的入口NOx浓度约50mg/Nm3左右，也对燃机高效脱硝提出了很大的挑战;特别是燃机烟气中极低的含尘量及含硫量，所以在燃机SCR脱硝装置的尾部受热面不担心腐蚀和堵塞的问题发生[4～7]。燃机发电机组的SCR工艺系统及主要装置的设计，需适应排气条件及余热利用的结构特点，工艺模型的关键影响因素和参数设置与燃煤机组有较大差异，对反应区域流场控制、高活性催化剂配置参数、脱硝还原剂的喷射位置及方式等有极高的要求。如何满足燃机设备的紧凑型要求和实现高效脱硝成为研究的重点[2,3,5,6]。

　　目前的SCR工艺主要是通过热源引接，在燃机外的氨气制备装置中热解尿素，制备氨气，再通过喷氨格栅喷入烟道中进行脱硝。工艺及设备复杂，占地面积大，热源引接和氨气制备储存困难，系统管路复杂，难以满足燃机的紧凑布置要求。尿素热解响应过长，且热解反应器长期运行容易出问题，从而影响燃机的脱硝效率。另外，通过喷氨格栅很难保证烟气和氨气的混合均匀性及彻底性，且使得烟道内流场情况复杂，催化剂与烟气的接触不充分，降低了脱硝效率。本文针对上述问题，提出了一种燃气轮机机组SCR高效脱硝的技术方案，目的在于高效控制燃机NOx的排放，具有系统布置紧凑，脱硝效率高，性能稳定，设备简单和节能环保的优点。

　　1燃气轮机现有脱硝系统燃气轮机余热锅炉现有脱硝系统大多采用尿素

　　热解制氨的SCR脱硝，包括尿素热解系统、喷氨系统以及脱硝催化剂等。燃气轮机大多数现有脱硝工艺的尿素热解烟气首先从燃机排放口抽出约450℃热烟气，450℃热烟气经过电加热器进一步加热(升温到600℃满足尿素热解烟气温度的需求);尿素溶液通过计量分配装置喷射到热解炉内，在炉内与600℃的高温烟气发生化学反应生成氨气，产生的氨气与空气的混合气(温度约340℃)经过喷氨格栅在高压蒸发器后喷入余热锅炉的脱硝反应装置内，氨气与烟气中的NOx混合后在催化剂的作用下发生还原反应[1,8]。

　　燃气轮机余热锅炉现有脱硝系统运行过程的主要问题：①尿素热解响应过长，且热解反应器长期运行容易出问题;②系统脱硝较低，且氨逃逸率过高(其主要原因是一方面烟气流量的分配和喷氨量自适应性的调节问题;另一方面是反应时间和催化剂的活性问题);③工艺及设备相对复杂，占地面积大[8,9]。另外，由于脱硝性能保证需要考虑AIG上游的速度分布、第一层催化剂上游的速度分布、第一层催化剂上游的NOx/NH3分布、烟气温度分布的偏差、烟气射催化剂角度以及系统压力损失等性能指标。燃气轮机现有脱硝系统不同燃煤机组大多在余热锅炉布置，在余热锅炉设计SCR脱硝装置，又要保证各种性能指标同时兼顾设备安装、人工检修及拆装运输等，使得燃机高效脱硝又进一步增加了难度。

　　2燃气轮机高效脱硝工艺流程

　　针对燃气轮机排气的特点以及现有脱硝系统的问题，提出了一种燃气轮机机组SCR高效脱硝的技术方案：燃气轮机烟气由燃气轮机烟道进入燃气轮机与余热锅炉的连接段，并预热尿素溶液预热管道中的尿素溶液，目的是促进尿素溶液的雾化与热解，其温度应预热到300～400℃之间。预热后的尿素溶液经雾化喷枪雾化后进入烟道。在烟道内，尿素液滴与螺旋运动而来的烟气混合。由于燃机的烟气温度较高，一般在500～900℃之间，尿素溶液蒸发热解产生氨气。经过足够长的烟道(使尿素溶液充分蒸发热解)后，混合的气体经过气流整流器成为均匀的轴向流动进入余热锅炉，在余热锅炉换热管束处换热，在余热锅炉SCR脱硝部分的催化剂层处脱硝，最后处理过的烟气进入烟囱排放。

　　3工艺流程的设计及研究

　　3.1尿素溶液的预热雾化系统

　　由于燃气轮机排气温度较高，在燃机和余热锅炉的连接段处布置有尿素预热管，进行预加热，使尿素溶液温度预热到300～400℃，使后续尿素溶液的雾化和热解更易进行。预热的尿素溶液引入雾化器中雾化。在燃机和余热锅炉的连接段处设置尿素喷枪，喷枪连接预热管。

　　尿素喷枪的喷嘴布置在垂直于烟气流速方向的管道横截面(过流断面)上，喷射尿素的方向与气流前进方向一致。为确保尿素在进入气体整流器前完全热解并均匀混合，需保证有足够长度的烟道。雾化器使尿素溶液雾化成一定粒径的悬浮液滴从各个喷嘴喷入烟道中，其雾化角度和喷枪的个数需合理安排，促进尿素溶液与烟气混合，尿素的供应需保证连续。

　　喷枪均匀布置在直径为D1的圆形面上，喷枪喷出的雾化液滴水平进入烟道，在高温烟气的作用下蒸发热解为氨气;另外将尿素溶液多点、较为均匀地喷入烟气中，更容易实现烟气与尿素溶液的混合均匀。

　　3.2混合烟气消旋装置

　　燃气轮机排出的烟气是螺旋流动的，雾化后的尿素溶液沿烟气通道的轴线方向喷入螺旋流动的烟气中，由于雾化后的尿素液滴的喷射方向与烟气的局部流动方向差别较大，在烟气的扰动下，更容易与烟气混合均匀。分散均匀的尿素液滴较容易受热均匀后分解。尿素分解完全后，烟气携带分解后的氨气流经消旋装置(整流通道)，消旋装置对烟气起到旋转气流的整合作用，将混合烟气由螺旋向前，化为沿烟道平直向前的运动，进一步促进了烟气与氨气的混合，并使烟气分布均匀，以优良的流场特性进入催化剂层，以提高烟气脱硝的均匀程度，并减轻对催化剂层的冲击作用，使烟气脱硝过程更加平稳、有效进行。催化剂层为蜂窝结构或波纹板结构，具有较大的比表面积、可以降低流动阻力损失，可以显著提高烟气脱硝效率。

　　4工艺流程的特点

　　(1)简化了燃机SCR脱硝的工艺流程。氨气直接在烟道中由尿素热解生成，省去了制备氨气和喷淋氨气的过程，降低了燃机脱硝的工作时长，提高了工作效率。(2)采用尿素直接喷淋的工艺，不需要复杂笨重的氨气发生装置，使脱硝系统更为简洁，降低成本。尿素的储存运输较氨气更为方便，避免了氨气泄漏造成的污染。(3)充分利用燃气轮机排气特点，利用烟气的螺旋运动使尿素和烟气自然的均匀混合，利用烟气余热进行尿素的预热和热解，氨气与烟气的混合均匀度较喷氨格栅更高，有效提高了脱硝效率。

　　(4)采用消旋装置可以对螺旋的烟气进行整流，消除了烟气的旋转，从而实现了对整个烟气通道的流场优化;另外在余热锅炉加入部分烟气换热管束，一方面可以使尿素溶液预热可以快速热解，另一方面换热管束可以使烟气进一步整流，烟气流场得以优化;到达催化剂层前，烟道中烟气分布均匀，氨气与烟气充分混合，氨气与烟气混合偏差相较常规喷氨系统更为优化。(5)燃气轮机高效脱硝的实现重要前提：一方面拓宽催化剂的温度窗口，增强催化剂的适应性;另一方面进一步提高催化剂的活性，选用燃气轮机脱硝专用催化剂，为燃机高效脱硝技术路线提供技术支撑。

　　5结论

　　针对燃气轮机工况条件下烟气排放的特点以及现有脱硝系统的问题，提出了一种燃气轮机机组SCR高效脱硝的技术方案，采用尿素溶液预热直接喷淋入烟道的技术工艺，包括：尿素溶液的预热过程，尿素溶液的雾化过程，尿素溶液的喷淋过程，尿素溶液与排气的螺旋混合过程，混合后的气体消旋过程，燃气轮机脱硝专用催化剂的SCR脱硝过程。该方案具有脱硝效率高、性能稳定、布置紧凑、设备简单、节能环保等优点。

　　参考文献

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　　[5]邱秀婷,皮元丰.环保新背景下燃机脱硝技术的选择研究[J].环境与发展,2017,(3):147～148.

　　[6]郭丽颖,朱林,庄柯,等.钨对高钒燃气脱硝催化剂的改性及SCR反应历程研究[J].环境工程,2019,37(5):160～166.

　　[7]王凤君,高新宇,张志伟.9FB燃机余热锅炉脱硝装置的探讨及研究[A].中国动力工程学会[C].2012.

　　作者：张军梅1刘强1张敬儒2栾涛2王志强2**

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