燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行

李前，梁杰輝，李圣強(qiáng)，張林，李峰

淄博淄柴新能源有限公司，山東淄博 255000

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組排放要求愈加嚴(yán)格，內(nèi)燃式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組NOx原始排放無(wú)法達(dá)到環(huán)保要求的50 mg/m3的限值[1]，因此燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的工廠試車排放成為污染物排放治理工作的重要組成部分。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物主要為NOx，去除煙氣中NOx的過(guò)程稱為脫銷。國(guó)內(nèi)外煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性非催化還原法(selective non-catalytic reduction, SNCR)、選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)、SNCR-SCR聯(lián)合脫硝、生物脫硝等[2-5]。SCR脫硝技術(shù)具有“兩高兩低”(溫度適應(yīng)性高、布置靈活性高、運(yùn)行成本低、二次污染低)優(yōu)勢(shì)，在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組試車臺(tái)架具有工作時(shí)間短且不連續(xù)、試車功率多變等特點(diǎn)，同一臺(tái)架配套的脫硝設(shè)備需兼顧多型號(hào)機(jī)組，臺(tái)架所測(cè)試的不同機(jī)組功率、尾氣排放、NOx原排差異較大，所以同固定、穩(wěn)定運(yùn)行的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組專用試驗(yàn)臺(tái)相比，工廠試車臺(tái)架SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改造及運(yùn)行更為復(fù)雜[6-9]。

本文中針對(duì)工廠燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組試車臺(tái)架SCR脫硝系統(tǒng)改造，以及運(yùn)行過(guò)程中遇到的一系列問題及采取的解決方案進(jìn)行闡述。

1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本參數(shù)及改造目標(biāo)

燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組臺(tái)架試驗(yàn)以天然氣為燃料，機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜多變，不同機(jī)型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的尾氣排放與NOx初始排放差異較大，要求SCR脫硝系統(tǒng)要有較強(qiáng)適應(yīng)性。初始設(shè)計(jì)SCR脫硝系統(tǒng)時(shí)，以臺(tái)架試驗(yàn)最大功率運(yùn)行工況為依據(jù)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本參數(shù)參數(shù)見表1。

表1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本參數(shù)

2.本文中所有氣體體積均指其在溫度為0 ℃、大氣壓力為101.325 kPa時(shí)的體積。

結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門對(duì)工廠的具體排放要求，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行脫硝系統(tǒng)改造后，要求NH3逃逸不大于8 mg/m3，NOx排放不大于50 mg/m3，設(shè)備對(duì)煙氣的阻力不大于1.5 kPa。

2 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1)技術(shù)先進(jìn)性及經(jīng)濟(jì)合理性。技術(shù)先進(jìn)、成熟、可靠，設(shè)備與材料優(yōu)質(zhì)高效，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理，設(shè)備運(yùn)行具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2)反應(yīng)快速及運(yùn)行可靠。設(shè)備應(yīng)在滿足脫硝性能的情況下，可快速起動(dòng)并投入運(yùn)行；在燃?xì)鈾C(jī)組機(jī)型和負(fù)荷變化時(shí)應(yīng)有良好的適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)尿素噴射量的自動(dòng)調(diào)整，保證SCR脫硝設(shè)備高脫硝效率、可靠穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放達(dá)到相應(yīng)國(guó)家和地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)。

3)對(duì)環(huán)境及操作人員友好。設(shè)備運(yùn)行操作簡(jiǎn)單方便，整套設(shè)備運(yùn)行集中監(jiān)控，占用較少的人力；設(shè)備自耗功率低且對(duì)水、尿素等設(shè)備用原料的耗量低；正常狀態(tài)下，設(shè)備的煙氣泄漏率及氨逃逸量在合理范圍內(nèi)，對(duì)環(huán)境及操作人員較友好。

4)維護(hù)便捷性。選配的機(jī)械部件及設(shè)備設(shè)施通用性強(qiáng)，并且具有較強(qiáng)的互換性，整個(gè)SCR脫硝設(shè)備運(yùn)行維護(hù)便捷。

5)運(yùn)行噪音低。機(jī)組運(yùn)行時(shí)的噪音控制應(yīng)滿足文獻(xiàn)[10]要求，運(yùn)行噪聲小于85 dB。

3 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 催化劑選型及催化層設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)脫硝后機(jī)組NOx排放從初始最大排放(1500 mg/m3)降至排放限值(50 mg/m3)的目標(biāo)，SCR催化轉(zhuǎn)化效率必須達(dá)到96.7%以上。目前常用的有銅基、鐵基、釩基3種類型催化劑，其反應(yīng)溫度窗口曲線如圖1所示。綜合考慮機(jī)組排溫及運(yùn)行工況等因素，對(duì)比3種催化劑反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)化效率，選擇采用高溫鐵基催化劑，該催化劑壽命為16 000 h，工作溫度為300～600 ℃，其中350～550 ℃為其高效反應(yīng)區(qū)。

圖1 不同催化劑反應(yīng)溫度窗口曲線

為了更好發(fā)揮催化劑的作用，每套脫硝設(shè)備設(shè)計(jì)2層催化劑和1層備用催化劑，增加備用層后可方便脫硝裝置后期升級(jí)及催化劑更換，增加備用層不影響機(jī)組的正常工作。根據(jù)催化劑的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)催化劑截面流速為3.5 m/s，催化劑空隙流速為4.9 m/s，保證背壓小于1.5 kPa。

3.2 SCR脫硝系統(tǒng)的組成

SCR脫硝催化反應(yīng)主體裝置包括SCR反應(yīng)器和高溫鐵基分子篩催化劑。SCR脫硝系統(tǒng)包含自動(dòng)化控制系統(tǒng)、尿素計(jì)量噴射及儲(chǔ)存系統(tǒng)、煙氣混合及催化反應(yīng)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括可編程控制器(programmable logic controller，PLC)自動(dòng)控制柜、觸摸屏、工控機(jī)、配套傳感器及管線等設(shè)備，主要功能是煙氣檢測(cè)、比例積分微分控制(proportional integral differential, PID)運(yùn)算、液位控制及加注提醒、尿素噴射控制、尿素管路自動(dòng)吹掃、數(shù)據(jù)顯示、遠(yuǎn)傳接口、故障報(bào)警、啟停機(jī)控制等。

尿素噴射計(jì)量及儲(chǔ)存系統(tǒng)包括尿素霧化噴射泵、尿素噴槍組件及尿素罐。尿素霧化噴射泵的尿素噴射體積流量為0～60 L/h，尿素罐容量為1500 L。煙氣混合及催化反應(yīng)系統(tǒng)中，煙氣混合管段公稱直徑為300/400 mm，內(nèi)部帶煙氣導(dǎo)流及混合板。壓縮空氣系統(tǒng)包括空壓機(jī)及儲(chǔ)氣瓶、壓縮空氣管路及閥門等,空壓機(jī)工作壓力為1.0 MPa。

SCR脫硝系統(tǒng)流程及相應(yīng)設(shè)備、傳感器布置如圖2所示。

圖2 SCR脫硝系統(tǒng)流程及相應(yīng)設(shè)備、傳感器布置示意圖

3個(gè)改造的試驗(yàn)臺(tái)架的煙氣混合管段、催化反應(yīng)主體為一對(duì)一配置，壓縮空氣系統(tǒng)及PLC控制柜、尿素計(jì)量噴射儲(chǔ)存共用一套撬裝。尾氣混合管段替換原部分尾氣排放管段設(shè)置于室內(nèi)，噴槍在噴射管道上，按煙氣特性對(duì)噴槍安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。脫硝設(shè)備主體替換原有消聲器，布置于監(jiān)控室房頂，方便設(shè)備管理人員日常檢修及維護(hù)。PLC控制柜放置監(jiān)控室內(nèi)，相較于尿素罐及計(jì)量噴射系統(tǒng)放置于PLC控制柜內(nèi)的傳統(tǒng)布置方案，改善了操作人員工作環(huán)境，有利于撬裝日常清理維護(hù)，且尿素添加更加方便，對(duì)環(huán)境及操作人員較友好。在尾氣排放管的消聲器上部管段設(shè)置有直徑為80 mm的采樣口，采樣口通過(guò)法蘭連接，方便后期煙氣成分檢測(cè)。

3.3 SCR脫硝系統(tǒng)工作原理及控制方案

3.3.1 脫硝系統(tǒng)工作原理

在一定溫度和催化劑的作用下，NH3有選擇性地與煙氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)環(huán)境無(wú)害的N2和H2O。尿素水溶液經(jīng)噴射泵加壓及壓縮空氣霧化，通過(guò)二流體尿素噴槍噴入SCR反應(yīng)器上游的煙道中，與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)SCR脫硝設(shè)備的正常運(yùn)行，該方法適應(yīng)性好，反應(yīng)迅速。

3.3.2 SCR脫硝設(shè)備控制方案

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組試車臺(tái)架具有工作時(shí)間短且不連續(xù)、試車功率多變等特點(diǎn)，同一臺(tái)架配套的脫硝設(shè)備需兼顧多型號(hào)機(jī)組，設(shè)備控制系統(tǒng)需對(duì)采集的脫硝前NOx排放、脫硝后NOx排放、尾氣排放流量、尾氣排放溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所以，SCR脫硝采用了高精度尿素噴射泵及市場(chǎng)應(yīng)用成熟的NOx傳感器，在保證快速反應(yīng)及可靠運(yùn)行的前提下，使整套系統(tǒng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性及經(jīng)濟(jì)合理性。

SCR脫硝系統(tǒng)控制原理如圖3所示。SCR脫硝設(shè)備以催化劑前、后溫度為判斷依據(jù)控制設(shè)備啟、停，高于催化劑最低工作溫度(250 ℃)時(shí)，設(shè)備開啟；以處理前、后煙氣中的NOx含量及煙氣流量作為調(diào)節(jié)尿素噴射量的主要判斷依據(jù)，即前NOx傳感器測(cè)得的脫硝前NOx含量作為尿素噴射量控制的主要依據(jù)，后NOx傳感器測(cè)得的脫硝后NOx含量作為尿素噴射量調(diào)節(jié)的參考值，與煙氣流量一起采集后，反饋至控制中心，作為計(jì)算尿素噴射量的依據(jù)，用于控制尿素噴射閥的開度，形成尿素噴射量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制，對(duì)尿素噴射量的調(diào)節(jié)響應(yīng)較為迅速；尿素液位傳感器及壓縮空氣壓力傳感器信號(hào)作為設(shè)備異常停機(jī)的參考信號(hào)。

圖3 SCR脫硝系統(tǒng)控制原理圖

4 SCR脫硝系統(tǒng)主要問題分析

4.1 預(yù)熱時(shí)間段無(wú)法脫硝

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組試車臺(tái)架具有工作時(shí)間短、運(yùn)行不連續(xù)的特點(diǎn)，試車臺(tái)架配套的SCR脫硝系統(tǒng)選用的高溫鐵基分子篩催化劑工作溫度為300/450～550/600 ℃(最低/最佳/最高)[11-13]。在達(dá)到催化劑最低工作溫度前，有大約20～40 min的預(yù)熱時(shí)間，具體時(shí)間受環(huán)境溫度及試車機(jī)組加載時(shí)間影響各不相同，但是預(yù)熱時(shí)間段內(nèi)， SCR脫硝設(shè)備催化劑溫度較低，尿素與NOx無(wú)法反應(yīng)，即無(wú)法脫除煙氣中的NOx。解決措施為：采用煙氣輔助升溫裝置，縮短煙氣預(yù)熱時(shí)間。

4.2 氨逃逸率的精準(zhǔn)控制

目前，各地對(duì)氨逃逸問題愈加重視，紛紛出臺(tái)針對(duì)以尿素為還原劑的脫硝設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。以山東省淄博市為例，要求氨逃逸量不大于8 mg/m3。SCR脫硝設(shè)備依據(jù)NOx反饋精確控制尿素噴射量即可實(shí)現(xiàn)氨逃逸控制，但是不同機(jī)型、不同工況下，難以穩(wěn)定控制氨逃逸量，要徹底實(shí)現(xiàn)氨逃逸達(dá)標(biāo)，需要配備氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)。

常見氨逃逸率過(guò)高的主要原因及解決辦法有：1)煙氣與還原劑混合不充分，解決措施為對(duì)混合管段及反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行流體分析，加長(zhǎng)或改造現(xiàn)有煙氣混合管段或脫硝設(shè)備本體，或增加ASC；2)尿素噴射量過(guò)高，解決措施為調(diào)整控制系統(tǒng)中的尿素噴射系數(shù)，降低尿素噴射量，或增加ASC；3)煙氣溫度低，此時(shí)可增加煙氣升溫裝置，或增加ASC；4)催化劑老化及堵塞時(shí)，需更換催化劑[14-15]。

設(shè)計(jì)SCR脫硝系統(tǒng)時(shí)，對(duì)煙氣混合管段長(zhǎng)度及管徑的選擇留有一定余量，保證煙氣與還原劑混合充分，選擇高精度尿素泵，精確控制尿素噴射量?，F(xiàn)階段運(yùn)行驗(yàn)證氨逃逸率在排放限值內(nèi)。

4.3 NOx傳感器可靠性

SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，多次出現(xiàn)后NOx傳感器損壞、檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示異常的問題。分析其原因?yàn)椋簾煔庵形赐耆磻?yīng)的NH3對(duì)NOx傳感器造成不良影響。因此，對(duì)進(jìn)入后NOx傳感器的煙氣進(jìn)行預(yù)處理，使用水吸收NH3，消除NH3對(duì)NOx傳感器的影響。煙氣預(yù)處理流程為：脫硝后的煙氣由氣泵抽入吸收罐內(nèi)，經(jīng)過(guò)罐內(nèi)過(guò)濾層及吸收介質(zhì)后，進(jìn)入電子冷凝器進(jìn)行脫水，最后經(jīng)二級(jí)氣泵、取樣罐緩沖混合后進(jìn)入后NOx傳感器，從而消除煙氣中對(duì)NOx傳感器有影響的雜質(zhì)。

5 設(shè)備運(yùn)行驗(yàn)證

5.1 脫硝處理效果

SCR脫硝設(shè)備有1000GF、600GF 2種型號(hào)，功率分別為1000、600 kW。試運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)設(shè)備脫硝處理效果進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收。利用Testo350煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合第三方檢測(cè)公司檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)組主要污染物排放和尿素溶液消耗檢測(cè)結(jié)果

由表2可知：1)2種機(jī)型機(jī)組煙氣經(jīng)脫硝處理后最大NOx排放為23 mg/m3，滿足設(shè)計(jì)要求；2)設(shè)備氨排放為2.0～4.5 mg/m3，符合本地區(qū)對(duì)氨逃逸量的要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，距脫硝設(shè)備1 m處噪聲為75.0～77.6 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 運(yùn)行成本分析

系統(tǒng)運(yùn)行成本主要包括尿素溶液消耗、自耗電及催化劑和易損傳感器配件的費(fèi)用。對(duì)SCR脫硝設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)及各設(shè)備尤其是高精度尿素計(jì)的選擇，可大大減少整套設(shè)備的運(yùn)行成本。以1000GF機(jī)組的尿素溶液和耗電成本為例，試運(yùn)行期間，1000GF發(fā)電機(jī)組功率為1000 kW，消耗尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的尿素溶液7.2 L，電費(fèi)單價(jià)為0.6元/(kW·h)，尿素溶液?jiǎn)蝺r(jià)為2.8元/L。所以，機(jī)組的運(yùn)行成本為20.76元/h，約為0.020 8 元/(kW·h)，低于現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)SCR脫硝系統(tǒng)整體運(yùn)行成本。

綜上，經(jīng)試運(yùn)行驗(yàn)證，SCR脫銷系統(tǒng)的脫硝效果、氨逃逸控制效果、噪音、對(duì)不同工況及機(jī)組的適應(yīng)程度、整體集成性、維護(hù)可操作性等均滿足設(shè)計(jì)要求。SCR脫硝系統(tǒng)不僅有效降低了試車臺(tái)架的NOx排放，而且為同行業(yè)試車臺(tái)架SCR脫硝設(shè)備改造提供了參考。

6 結(jié)論

為降低燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)煙氣中NOx排放，對(duì)發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)尾氣排放系統(tǒng)進(jìn)行改造，增設(shè)選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)，通過(guò)選擇性催化還原法將煙氣中的NOx降到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限值以下。

1)SCR脫硝系統(tǒng)包含自動(dòng)化控制系統(tǒng)、尿素計(jì)量噴射及儲(chǔ)存系統(tǒng)、煙氣混合及催化反應(yīng)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。

2)經(jīng)試運(yùn)行驗(yàn)證，經(jīng)脫硝處理后，煙氣中NOx排放最大為23 mg/m3，滿足設(shè)計(jì)要求；設(shè)備氨逃逸量為2.0～4.5 mg/m3，符合本地區(qū)對(duì)氨逃逸量的要求。

3)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，距脫硝設(shè)備1 m處噪聲為75.0～77.6 dB，滿足設(shè)計(jì)要求；機(jī)組運(yùn)行成本為0.020 8 元/(kW·h)，低于行業(yè)平均水平。

4)SCR脫硝系統(tǒng)能較好滿足試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)組不同型號(hào)、不同工況的實(shí)際需要，對(duì)尿素噴射量的調(diào)節(jié)響應(yīng)較為迅速。