M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組脫硝系統(tǒng)改造及實(shí)踐

王晗 杜建太 董云龍 沈應(yīng)強(qiáng) 潘剛

摘 要：【目的】隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組已成為主要調(diào)峰電站機(jī)組之一，安全環(huán)保運(yùn)行越來越重要，要對SCR脫硝技術(shù)還原劑液氨的安全問題進(jìn)行研究。【方法】以江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對象，開展脫硝還原劑液氨改尿素水解制氨改造工程。【結(jié)果】闡述燃機(jī)NOx產(chǎn)生過程、影響因素和控制策略，并闡明SCR脫硝系統(tǒng)、尿素水解制氨系統(tǒng)和工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的注意事項(xiàng)。【結(jié)論】在機(jī)組完成脫硝還原劑系統(tǒng)改造后，從機(jī)組啟機(jī)過程和實(shí)際運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)得出，尿素制氨技術(shù)穩(wěn)定可靠，能在燃機(jī)煙氣治理中廣泛運(yùn)用，且脫硝還原劑氨量和脫硝效率有所保障。

關(guān)鍵詞：M701F4；SCR脫硝；還原劑；尿素水解制氨

中圖分類號：X773 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0046-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.009

Transformation and Practiceof Denitration System of M701F4

Combined Cycle Unit

WANG Han1 DU Jiantai2 DONG Yunlong2 ?SHEN Yingqiang2 PAN Gang2

（1. Jiangsu Huadian Yangzhou Power Generation Co.， Ltd.，Yangzhou 225007，China;

2. CISDI Thermal & Environmental Engineering Co.， Ltd.， Chongqing 401120，China）

Abstract： [Purposes] With the development of new energy power generation， gas-steam combined cycle generator has become one of the main peak-shaving power plant units， and safe and environmentally friendly operation is increasingly important， it is necessary to study the safety issues of reducing agent liquid ammonia in SCR denitrification technology. [Methods] Aiming at the safety problem of reducing agent liquid ammonia for SCR denitration technology， the M701F4 combined cycle unit of Jiangsu Huadian Yangzhou Power Generation Co.， Ltd. was taken as the research object to carry out the modification project of reducing agent liquid ammonia for denitration to urea hydrolysis to produce ammonia. [Findings] The generation process， influencing factors and control strategies of NOx in gas turbine are described. In addition， the SCR denitration system， urea hydrolysis ammonia production system and the matters needing attention in engineering design and operation are described. [Conclusions] After the unit completes the transformation of denitration reducing agent system， the data from the unit startup process and actual operation process show that the urea ammonia production technology is stable and reliable， which can be widely used in gas turbine flue gas treatment， and the ammonia amount of denitration reducing agent and denitration efficiency are guaranteed.

Keywords： M701F4; SCR denitration; reducing agent; liquid ammonia to urea

0 引言

調(diào)峰電站可提升區(qū)域智慧電網(wǎng)的靈活調(diào)節(jié)能力，可平衡并提高電網(wǎng)安全的可靠性［1］。因此，在“雙碳”目標(biāo)下，確保調(diào)峰電站的安全可靠環(huán)保運(yùn)行尤為重要。作為調(diào)峰電站的江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司現(xiàn)運(yùn)行有兩臺套燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，燃機(jī)型號為M701F4、發(fā)電機(jī)型號為QFR-480-2-21.5、汽輪機(jī)型號為LN156-12.3/566/566，余熱鍋爐為無補(bǔ)燃、三壓、一次再熱的臥式自然循環(huán)余熱鍋爐，余熱鍋爐內(nèi)設(shè)有SCR脫硝單元。與現(xiàn)有超低排放燃煤電廠相比，燃機(jī)機(jī)組投產(chǎn)后每年可減排二氧化硫221 t、減排氮氧化物102 t、減排三氧化硫82 t、減排煙塵860 kg、減排汞22 kg［2］。近年來，隨著生態(tài)文明建設(shè)和企業(yè)安全生產(chǎn)需求，該機(jī)組在啟動和運(yùn)行過程中，持續(xù)運(yùn)行SCR脫硝單元，且對SCR脫硝用還原劑的安全性提出更高要求。

1 脫硝系統(tǒng)分析

1.1 NOx產(chǎn)生分析

燃燒過程中產(chǎn)生的NOx按其產(chǎn)生原理可分為燃料型、熱力型和快速型［3］。由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒燃?xì)猓ǔＵJ(rèn)為燃機(jī)產(chǎn)生的NOx以熱力型為主導(dǎo)，其次是快速型，燃料型最少［4］。熱力型燃機(jī)中的NOx是空氣中氮?dú)庠诨鹧嫦掠蔚母邷貐^(qū)被氧化產(chǎn)生的，主要影響因素是氧濃度、燃燒溫度及在高溫區(qū)停留時(shí)間；快速型燃機(jī)中的NOx是由碳?xì)浠衔镌谌剂线^剩時(shí)燃燒產(chǎn)生的，主要影響因素為空氣過量條件和燃燒溫度；燃料型燃機(jī)中的NOx是由燃料氮元素轉(zhuǎn)化而成的，其產(chǎn)生量與燃料特性息息相關(guān)。

影響燃機(jī)NOx排放濃度的因素有很多，燃燒器結(jié)構(gòu)與燃燒方式、機(jī)組負(fù)荷、燃燒運(yùn)行控制水平及燃料特性是最主要的影響因素。M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室采用環(huán)管逆流布置方式，燃燒室內(nèi)設(shè)有20個干式低NOx環(huán)管型燃燒器，從進(jìn)氣端的十二點(diǎn)位置起順時(shí)針布置，各個燃燒室之間設(shè)有聯(lián)焰管。每個燃燒器由8個主燃料噴嘴、16個頂環(huán)燃料噴嘴和1個值班燃料噴嘴組成。M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)值班燃料調(diào)門開度與NOx的生成量正相關(guān)，在機(jī)組啟動初期燃料流量較小時(shí)或機(jī)組暖機(jī)結(jié)束升負(fù)荷過程中，值班燃料調(diào)門開度增大，此時(shí)鍋爐排煙NOx的含量明顯提高［5］。

M701F型燃機(jī)可采取對燃燒控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來降低NOx排放量，通過主燃料噴嘴和頂環(huán)燃料噴嘴的空氣與燃?xì)忸A(yù)混合后在燃燒器內(nèi)形成均勻的低溫火焰，能明顯減少NOx的生成量。燃機(jī)余熱鍋爐配套SCR系統(tǒng)的投入條件為SCR入口煙溫大于280 ℃，SCR系統(tǒng)投入后，可有效降低NOx的排放量。

1.2 SCR脫硝技術(shù)系統(tǒng)

選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)是向燃機(jī)排氣中噴入氨基還原劑，在催化劑的催化作用下將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?，其脫硝效率可達(dá)90%左右。SCR具有脫硝效率高、設(shè)備緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也存在投資運(yùn)行費(fèi)用高、催化劑易中毒、催化劑氣流通道易堵塞、催化劑后處理難等缺點(diǎn)。因此，SCR脫硝技術(shù)主要用于煙氣初始NOx濃度低、煙氣含塵含硫低的工程，燃機(jī)煙氣處理是最適宜的適用場景之一，余熱鍋爐煙道最佳反應(yīng)溫度區(qū)間為300～400 ℃，SCR脫硝運(yùn)行效率高且氨逃逸率低［6］。

氨氣是SCR脫硝反應(yīng)的最佳氨基還原劑，我國燃煤機(jī)組和燃機(jī)機(jī)組SCR脫硝用氨氣主要來自液氨加熱汽化，因工藝運(yùn)行操作簡單、初始投資及運(yùn)行費(fèi)用低，一直是國內(nèi)制氨氣的主流工藝。但液氨屬有毒化學(xué)品， 液氨存儲量超過10 t時(shí)，屬于重大危險(xiǎn)源，其設(shè)計(jì)要滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求［7］。

隨著國家對安全生產(chǎn)工作的日益重視，出臺了一系列相關(guān)強(qiáng)制性法律法規(guī)，工業(yè)用液氨使用受到更多限制和制約?？赏ㄟ^熱解或水解尿素來制取氨氣，其安全性高，儲運(yùn)無風(fēng)險(xiǎn)，因此其被視為最主要的SCR煙氣脫硝還原劑。

2 改造方案

江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司現(xiàn)運(yùn)行的兩臺套燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組脫硝均采用SCR技術(shù)，在投運(yùn)初期脫硝還原劑為液氨，且液氨儲存量超過10 t，一直被視為電廠重大危險(xiǎn)源。為落實(shí)《國家能源局綜合司關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)電力行業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品安全綜合治理工作的緊急通知》的具體要求，實(shí)施全廠脫硝還原劑升級改造工作。江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司SCR脫硝還原劑改造工程采用尿素催化水解法制備脫硝還原劑，新建尿素原液制備系統(tǒng)，對原有脫硝單元進(jìn)行改造［8］。在保證電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提升廠區(qū)安全生產(chǎn)水平。

2.1 尿素水解系統(tǒng)

近年來，隨著脫硝設(shè)備不斷推進(jìn)全自主和國產(chǎn)化，尿素水解制氨工藝所裝置已全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，尿素水解制氨工藝在國內(nèi)各型燃煤燃機(jī)組上得到廣泛的應(yīng)用。

尿素水解制氨工藝是將尿素溶解為一定質(zhì)量濃度的水溶液，再通過供給泵輸送到尿素水解罐內(nèi)，尿素溶液被蒸汽加熱后，在水解罐內(nèi)水解生成氨氣、二氧化碳和水［9］，其化學(xué)反應(yīng)見式（1）。

CO（NH2）2+H2O[?]NH2—COO—NH4[?]2NH3[↑]+CO2[↑] （1）

從該反應(yīng)方程可以看出，尿素制氨是生產(chǎn)尿素的逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率與溫度、溶液濃度相關(guān)，催化劑也可加快氨氣生成速率。催化水解制氨可將尿素制氨速度提升9倍以上［10］。因此，尿素催化水解制氨工藝可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司新建尿素水解制氨系統(tǒng)主要設(shè)備包含尿素卸料及儲存?zhèn)}、氣力輸送風(fēng)機(jī)、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素溶液儲罐、尿素溶液供給泵、尿素水解制氨罐、廢水箱、廢水泵及計(jì)量模塊等，尿素水解制氨系統(tǒng)流程如圖1所示。

外購固態(tài)顆粒狀尿素通過料裝置放置于尿素儲存?zhèn)}內(nèi)，尿素儲存?zhèn)}能滿足電廠機(jī)組7 d所需的還原劑量。儲存?zhèn)}內(nèi)的尿素通過氣力輸送風(fēng)機(jī)添加到尿素溶解罐內(nèi)，用除鹽水將其溶解成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%的尿素溶液。配置好的溶液通過尿素溶液溶解泵輸送到儲罐中。儲罐內(nèi)的尿素溶液經(jīng)尿素溶液供給泵、流量計(jì)與分配裝置流入到尿素水解制氨罐內(nèi)，尿素溶液在罐內(nèi)經(jīng)蒸汽加熱后水解產(chǎn)生NH3、H2O和CO2，水解罐內(nèi)的氣液兩相平衡壓力約為0.6 MPa、溫度約為150 ℃。水解罐內(nèi)的含氨氣先流進(jìn)入計(jì)量模塊，然后在混合器內(nèi)被熱風(fēng)稀釋后進(jìn)入煙道SCR脫硝模塊。

2.2 設(shè)計(jì)及運(yùn)行注意事項(xiàng)

尿素水解反應(yīng)較緩慢，響應(yīng)不靈敏。為優(yōu)化水解制氨的適應(yīng)性和調(diào)節(jié)功能，在水解罐內(nèi)添加催化劑，通過減小反應(yīng)活化能提升水解制氨反應(yīng)速度，同時(shí)也能有效降低副產(chǎn)物氨基甲酸銨物質(zhì)的生成量。

尿素水解制氨反應(yīng)中的副產(chǎn)物為強(qiáng)腐蝕性的氨基甲酸銨，其會損壞不銹鋼氧化膜，增加管道或設(shè)備的腐蝕速度。尤其是水解罐內(nèi)氣液兩相溫度較高時(shí)，其腐蝕速度更快，從而造成安全隱患。腐蝕問題可從管道和設(shè)備選材、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面入手，進(jìn)行綜合預(yù)防。如選擇良好抗腐蝕的尿素級管材，制氨設(shè)備內(nèi)加入空氣，在管道和設(shè)備內(nèi)表面持續(xù)形成氧化膜，尤其是在運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制制氨系統(tǒng)內(nèi)防腐空氣的含量。

氨基甲酸銨和尿素水解產(chǎn)物發(fā)生聚合反應(yīng)，生成縮二脲等聚合物，聚合物會造成設(shè)備及管道的堵塞，會影響SCR脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，系統(tǒng)運(yùn)行過程的尿素水溶液濃度不宜過高，且在機(jī)組間歇停運(yùn)或小修期間，要對尿素溶解槽、尿素溶液儲罐、尿素水解槽及管道等進(jìn)行清洗，從而有效緩解堵塞問題。

為防止尿素水解產(chǎn)生的氣體發(fā)生逆反應(yīng)，日常運(yùn)行中稀釋熱風(fēng)溫度要保持160 ℃以上，混合器內(nèi)的混合氣溫度要保持在160 ℃以上?；旌蠚鉁囟壬邔?dǎo)致混合氣體流量增大，原液氨SCR脫硝系統(tǒng)的氨氣和空氣混合器出口管徑、噴氨格柵管徑及噴嘴無法滿足流量要求，要拆除原有管道并更換。

根據(jù)蒸汽輪機(jī)高壓缸入口金屬溫度（缸溫）可將燃機(jī)的正常啟動分為三種狀態(tài)（冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)）。冷態(tài)及溫態(tài)啟動，暖機(jī)負(fù)荷低，暖機(jī)時(shí)間長，值班燃料投入多，NOx生成量大；熱態(tài)啟機(jī)因暖機(jī)負(fù)荷高，暖機(jī)時(shí)間短，其生成的NOx量比冷態(tài)、溫態(tài)啟動要少得多。

燃機(jī)SCR系統(tǒng)投入條件是SCR入口煙溫大于280 ℃，熱態(tài)啟動在暖機(jī)不久即可達(dá)到280 ℃，冷態(tài)和溫態(tài)啟動也可在暖機(jī)過程中達(dá)到280 ℃。

由于尿素易在管道內(nèi)壁結(jié)晶，整條供氨管道要全程投入蒸汽伴熱，伴熱蒸汽要維持在150 ℃以上。供氨投入前及停用后要進(jìn)行蒸汽吹掃，清除管道殘留尿素，提高管道溫度。蒸汽吹掃流量控制在180 kg/h、溫度控制在150 ℃以上，持續(xù)20～30 min。

3 改造后系統(tǒng)運(yùn)行效果

通過脫硝液氨改尿素制氨技術(shù)改造，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，能完全滿足脫硝裝置所需氨量，機(jī)組在啟動過程中的NOx排放量的小時(shí)累計(jì)值能穩(wěn)定控制在50 mg/Nm3以下，滿足環(huán)保要求，啟機(jī)過程N(yùn)Ox排放量及脫硝效率如圖2所示。

從圖2可看出，在冷態(tài)啟機(jī)過程中，當(dāng)煙溫大于280 ℃時(shí)，及時(shí)投入SCR脫硝系統(tǒng)，延遲5～10 min后，NOx濃度急速下降到10 mg/Nm3以下，脫硝效率可達(dá)85%以上。綜上可知，通過脫硝還原劑液氨改尿素制氨技術(shù)改造，各設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能滿足SCR脫硝系統(tǒng)所需還原劑氨氣用量。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定后，燃機(jī)主燃料噴嘴和頂環(huán)燃料噴嘴開度較大，值班燃料噴嘴開度較小，能有效地降低NOx的生成量，SCR入口處的NOx濃度低于20 mg/Nm3。選取某時(shí)段機(jī)組帶80%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的NOx排放量及脫硝效率如圖3所示。

從圖3可以看出，機(jī)組80%負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行為低氮燃燒創(chuàng)造有利條件，NOx生成濃度較低，SCR放熱脫硝效率也穩(wěn)定在83%以上，NOx排放量能控制在4 mg/Nm3以下，達(dá)到環(huán)保要求和脫硝改造的預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

本研究對三菱M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組NOx生成及脫硝系統(tǒng)由液氨改造為尿素水解制氨技術(shù)進(jìn)行闡述，并對設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的注意事項(xiàng)進(jìn)行簡要說明。

研究結(jié)果表明尿素制氨技術(shù)能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于燃機(jī)煙氣治理中，且脫硝還原劑氨量和脫硝效率均有保障。

SCR脫硝技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的燃機(jī)余熱鍋爐煙氣脫硝技術(shù)，其靈活可靠性適用于調(diào)峰機(jī)組，能有效降低燃機(jī)啟動過程中的NOx排放量。

隨著尿素水解制氨和催化劑的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，尿素水解制氨技系統(tǒng)的初始投資、運(yùn)行費(fèi)用和日常維保費(fèi)用將更低，研究成果可為今后燃機(jī)煙氣治理方案提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］張立建，陽虹，陳學(xué)文.新型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)調(diào)峰/調(diào)相電站淺析［J］.熱力透平，2018（3）：186-190.

［2］何璞禎，吳尚平.燃?xì)馀c燃煤電廠主要大氣污染排放物的對比分析［J］.廣州化工，2020（20）：99-103.

［3］JAVED M T，IRFAN N，GIBBS B M.Control of combustion-generated nitrogen oxides by selective non-catalytic reduction［J］.Journal of Environmental Management，2007（3）：251-289.

［4］徐灝，胡達(dá)清，周旭健，等.燃機(jī)氮氧化物排放研究及脫硝技術(shù)探討［J］.能源與環(huán)境，2017（5）：29-31.

［5］唐一村.三菱M701F4機(jī)型燃燒調(diào)整與減少NOX排放分析［J］.華北電力技術(shù)，2014（1）：57-61.

［6］周金華，韓超，丁純.燃機(jī)余熱鍋爐NOX超低排放技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.河南科技，2020（11）：135-137.

［7］鐘志良.大型燃煤機(jī)組液氨改尿素技術(shù)［J］.節(jié)能與環(huán)保，2022（2）：62-63.

［8］李華.2×660 MW機(jī)組脫硝還原劑液氨改尿素工程設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)分析［J］.河南科技，2022（5）：90-94.

［9］裴煜坤，張楊，徐克濤，等.SCR煙氣脫硝尿素?zé)峤夂退饧夹g(shù)經(jīng)濟(jì)性分析［J］.中國電力，2018（9）：174-178.

［10］景杰，丁開瑞.SCR脫硝液氨改尿素制氨技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究［J］.節(jié)能與環(huán)保，2022（5）：62-63.