樓宇型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)SCR脫硝應(yīng)用研究

王學(xué)勤 ， 朱文 堃 ，徐靜靜，江婷，胡永鋒

（1.中國華電集團(tuán)有限公司上海公司，上海市 浦東新區(qū) 200126；2.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京市 豐臺區(qū) 100070）

0 引言

隨著能源需求以及能源與環(huán)境的矛盾不斷深化，燃?xì)夥植际侥茉?natural gas distributed energy，NGDE)系統(tǒng)先在美國推廣并逐漸被其他國家所接受，并率先在發(fā)達(dá)國家得到快速發(fā)展。隨著能源市場機制的完善以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，NGDE系統(tǒng)迅猛的發(fā)展，目前美國、歐洲、日本及韓國等國家技術(shù)較為先進(jìn)。

在我國，20世紀(jì)90年代末開始積極推動分布式能源的發(fā)展，在2003年國內(nèi)陸續(xù)開始建設(shè)分布式能源站，先后建成北京燃?xì)獯髲B調(diào)度中心、上海浦東機場、上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院等NGDE項目。2011年《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》的發(fā)布以及發(fā)展NGDE被寫入“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃，標(biāo)志著發(fā)展NGDE被正式納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。2014年國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局等三部委聯(lián)合發(fā)布《燃?xì)夥植际侥茉词痉俄椖繉嵤┘?xì)則》，標(biāo)志著行業(yè)已規(guī)范發(fā)展；2015年中共中央、國務(wù)院出臺《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》，開啟了行業(yè)發(fā)展新篇；2017年國家發(fā)改委印發(fā)《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》，NGDE發(fā)展正式進(jìn)入快速發(fā)展時期。

1 燃?xì)夥植际侥茉?NGDE)

NGDE系統(tǒng)是相對于傳統(tǒng)的集中式能源生產(chǎn)與供應(yīng)模式而言的，是就近直接向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統(tǒng)，便于實現(xiàn)能源綜合梯級利用，在具有更高能源利用率的同時還具有更高供能安全性以及更好的環(huán)保性能[1-3]。NGDE適用于具有穩(wěn)定基礎(chǔ)電力負(fù)荷、冷暖負(fù)荷且年運行時間較長的工業(yè)園區(qū)、商業(yè)綜合體、醫(yī)院、賓館、寫字樓、機場、數(shù)據(jù)中心等。本文研究的樓宇式 NGDE系統(tǒng)是以內(nèi)燃機或微燃機為動力設(shè)備，通過配套相關(guān)的余熱利用機組產(chǎn)生冷熱水，向樓宇建筑內(nèi)供應(yīng)空調(diào)冷熱水、生活熱水及電力供應(yīng)的能源供應(yīng)系統(tǒng)[4-7]。

隨著《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》的不斷推進(jìn)，燃?xì)夥植际侥茉凑镜拿撓醺脑旃ぷ饕笕遮厙?yán)格。NOx一直被認(rèn)為是造成環(huán)境污染的主要物質(zhì)之一，NOx排放控制是環(huán)境污染治理的重點和難點，其危害主要有酸雨作用、誘發(fā)光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)等。目前國內(nèi)內(nèi)燃機排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的是汽車發(fā)動機的排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx排放指標(biāo)為500 mg/m3，雖然設(shè)備廠家提供的內(nèi)燃機設(shè)備 NOx排放質(zhì)量濃度為250 mg/m3，但隨著環(huán)保要求的不斷提高，以內(nèi)燃機為原動機的樓宇型NGDE項目的脫硝改造勢在必行。

圖1 SCR 煙氣脫硝反應(yīng)原理Fig. 1 SCR flue gas denitrification reaction principle

2 選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝

能源項目脫硝改造中，國際上普遍采用煙氣脫硝，因為煙氣脫硝具有較高的脫硝效率，脫硝后的煙氣完全符合NOx的國家排放標(biāo)準(zhǔn)。一般在我國常用的煙氣脫硝是選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝技術(shù)，SCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率達(dá)到90%以上，在國內(nèi)外應(yīng)用較多，技術(shù)程度高，氨逃逸率較低[8-9]，因此SCR煙氣脫硝技術(shù)是燃煤機組、燃?xì)鈾C組煙氣脫硝的主要應(yīng)用技術(shù)之一。

2.1 SCR 煙氣脫硝工藝原理

SCR煙氣脫硝技術(shù)主要指利用 NH3等還原劑，在特定的溫度環(huán)境中，利用催化劑，將煙氣的 NOx催化還原為 N2和 H2O，再排放到大氣中的技術(shù)。SCR脫硝原理如圖1所示。脫硝系統(tǒng)中的還原劑為碳?xì)浠衔?如 CH4、C3H6等)、NH3、尿素(CH4N2O)等，在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的還原劑主要是NH3(氨)，其次是CH4N2O(尿素)。SCR脫硝技術(shù)的主要反應(yīng)方程式[10-11]為：

燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣NOx主要以NO的形式存在(95%以上)，其中式(1)的反應(yīng)在較窄的溫度范圍內(nèi)(980 ℃左右)進(jìn)行，但是加入催化劑，反應(yīng)溫度則可擴展到很大的范圍內(nèi)，例如釩鎢鈦脫硝催化劑的溫度范圍為270～420 ℃，分子篩脫硝催化劑的溫度范圍為390～600 ℃。在進(jìn)行催化還原的過程中，還可能發(fā)生如下的副反應(yīng)[11]：

NH3的分解反應(yīng)發(fā)生在350℃以上，在300 ℃以下時會發(fā)生NH3氧化成N2的副反應(yīng)，在230 ℃以下容易引起 NH3與 SO3反應(yīng)生成 NH4HSO4或(NH4)2SO4，反應(yīng)溫度的控制較為關(guān)鍵；但是一般在天然氣分布式能源項目中，尾部煙氣不存在SOx，反應(yīng)(6)和(7)不會發(fā)生。

2.2 SCR 煙氣脫硝效率的主要影響因素

在 SCR脫硝工藝中，影響脫硝效率(即脫硝系統(tǒng)進(jìn)、出口的NOx質(zhì)量濃度差與脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度的比值)的因素主要有：反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、NH3/NOx摩爾比、催化劑等[12-15]。

1）反應(yīng)溫度。

存在一個最佳反應(yīng)溫度使脫硝效率達(dá)到最大，因為當(dāng)溫度過高導(dǎo)致催化劑變形，減少有效接觸面積，降低脫硝效率，而當(dāng)溫度過低，NH3和NO2反應(yīng)生成NH4NO3，該產(chǎn)物會堵塞催化劑，降低脫硝效率。

2）NH3/NOx摩爾比。

和反應(yīng)溫度一樣，存在一個最佳的混合比使脫硝效率達(dá)到最大，當(dāng)混合比由小逐漸增大(即NH3量不斷增加)，提高了催化劑上 NH3的吸附量，推動反應(yīng)平衡向反應(yīng)正方向移動，提高脫硝效率；當(dāng)混合比過大時，過量NH3的副反應(yīng)速率加快，例如反應(yīng)式(3)所示，本質(zhì)上降低了脫硝效率，增加了氨逃逸，造成再次污染。因此根據(jù)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度值進(jìn)行合理調(diào)整，通常NH3/NOx摩爾比選擇為1.2以下。

3）催化劑。

脫硝催化劑的類型多樣，需要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境確定使用何種催化劑，不同SCR脫硝催化劑對比見表 1。催化劑在反應(yīng)中容易失去活性，失活直接影響到脫硝效率，造成催化劑失去活性既有運行工況的影響也有煙氣有毒成分的影響，例如催化劑的燒結(jié)、砷、鈣、磷、堿金屬中毒及水的毒化；催化劑中毒是煙氣脫硝過程中的關(guān)鍵問題，根據(jù)具體的運行環(huán)境，制定科學(xué)合理的方案，對延長催化劑壽命至關(guān)重要。SCR脫硝催化劑的結(jié)構(gòu)形式對脫硝效率也有較大的影響，要根據(jù)具體條件選取特定結(jié)構(gòu)的催化劑，達(dá)到預(yù)定的脫硝效率。

表1 不同SCR脫硝催化劑Tab. 1 Different SCR denitration catalysts

3 樓宇型分布式能源項目的脫硝應(yīng)用

以北京某樓宇型分布式能源站為例介紹脫硝改造應(yīng)用效果，能源站主要為某辦公商業(yè)建筑群供能，該建筑群的地上建筑面積約17萬m2，地下建筑面積約8萬m2；項目裝機按“以冷熱定電、欠匹配”的原則進(jìn)行確定，裝機配置為 2臺3 349 kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機組+2臺2 907 kW煙氣熱水溴化鋰機組+2臺3 489 kW溴化鋰直燃機組+2臺1 784 kW螺桿式水冷機組+1套1 500 kW冷塔供冷系統(tǒng)+35m3生活熱水蓄熱系統(tǒng)。項目建成后，實現(xiàn)最大供冷能力為 16 360 kW，供熱能力為11 704 kW，生活熱水供應(yīng)能力為3 500 kW，完全可以實現(xiàn)該建筑群的能源供應(yīng)。

3.1 工藝流程

該項目的系統(tǒng)流程為：天然氣先在內(nèi)燃機發(fā)電機組內(nèi)進(jìn)行燃燒發(fā)電，內(nèi)燃機產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧案滋姿⒏邷刂欣渌M(jìn)入煙氣熱水混合型溴化鋰機組，根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生空調(diào)冷熱水以及生活熱水，完成冷、熱、電及生活熱水四聯(lián)供。系統(tǒng)也配備相應(yīng)的調(diào)峰機組，當(dāng)用戶的冷熱負(fù)荷需求大于內(nèi)燃機組所能提供的最大負(fù)荷時，啟動調(diào)峰機組進(jìn)行調(diào)峰，滿足樓宇群的基本用能負(fù)荷。

該分布式能源項目自從投運以來，機組NOx排放質(zhì)量濃度約 500～700 mg/m3(標(biāo)態(tài)，干基，5%O2)，隨著環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，此排放指標(biāo)已經(jīng)不能滿足北京市《固定式內(nèi)燃機大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的排放限值要求，必須對系統(tǒng)進(jìn)行脫硝改造。在傳統(tǒng)脫硝技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)出的新一代適用于分布式能源站項目的脫硝技術(shù)，對于工業(yè)企業(yè)適應(yīng)國家日益嚴(yán)格的環(huán)保要求提供了全新的解決方案。

3.2 SCR 脫硝系統(tǒng)

本項目要求機組煙氣中 NOx質(zhì)量濃度降至30 mg/m3(干基，5%O2)以內(nèi)，在無法對內(nèi)燃機燃燒結(jié)構(gòu)進(jìn)行減排改造的情況下，并保證運行安全，選擇采用顆粒尿素為脫硝還原劑的 SCR脫硝技術(shù)。SCR脫硝系統(tǒng)主要包括尿素溶液儲存與制備系統(tǒng)、尿素溶液輸送系統(tǒng)、尿素溶液計量分配系統(tǒng)、尿素溶液噴射系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、催化劑、控制系統(tǒng)及其附屬系統(tǒng)等。

具體工作流程：將儲存于儲存間的干尿素，用軟化水溶解成約20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液，通過尿素溶液給料泵將配制好的尿素溶液輸送到尿素溶液儲存罐。儲存罐內(nèi)的尿素溶液經(jīng)由供液泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等噴入高溫?zé)煹乐?，生成NH3、H2O和CO2，分解產(chǎn)物NH3與煙氣中的 NOx在催化劑的作用下生成 N2與 H2O，完成脫硝過程，脫硝系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 能源站脫硝工藝流程Fig. 2 Energy station denitration process flow

3.3 技術(shù)方案

在項目方案設(shè)計中，借鑒傳統(tǒng)火電廠的煙氣脫硝方案，采用商用釩鎢鈦蜂窩式催化劑，但內(nèi)燃機煙氣溫度遠(yuǎn)高于釩鎢鈦脫硝催化劑運行溫度。因此在內(nèi)燃機出口后設(shè)置了稀釋冷卻風(fēng)，以降低煙溫，滿足催化劑運行溫度要求，但是降溫后的煙氣對于余熱回收利用不利，經(jīng)濟(jì)效益不樂觀，不采用此方案。經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)研論證，提出了現(xiàn)有工藝方案：考慮到能源站內(nèi)燃機煙氣中SO2體積分?jǐn)?shù)小于 10-5，并且無粉塵，可采用分子篩高溫脫硝催化劑，該催化劑使用溫度窗口寬，脫硝效率高，但缺點是不耐硫中毒(建議煙氣中SO2體積分?jǐn)?shù)低于10-5)，該方案適合能源站的脫硝改造，釩鎢鈦催化劑和分子篩催化劑的特性對比見表2。

利用內(nèi)燃機出口高溫?zé)煔?，通過壓縮空氣霧化，將尿素溶液噴入煙道，在煙道中熱解制氨，簡單易操作，保證流場穩(wěn)定，脫硝高效。SCR脫硝后的煙氣溫降約為 16 ℃，脫硝后的煙氣進(jìn)入煙氣溴化鋰機組；因為脫硝的煙氣直接來自于內(nèi)燃機系統(tǒng)，脫硝煙氣溫度較高，所以本系統(tǒng)對于催化劑選擇和催化形式都有新穎的設(shè)計改造，在實際運行結(jié)果良好，脫硝煙氣設(shè)計參數(shù)見表3。

表2 催化劑特點對比分析Tab. 2 Comparative analysis of catalyst characteristics

表3 脫硝煙氣設(shè)計參數(shù)Tab. 3 Denitration flue gas design parameters

3.4 運行效果

本項目在改造前煙氣排放 NOx質(zhì)量濃度實際為500～700 mg/m3(標(biāo)態(tài)，干基，5%O2)，改造后在保證內(nèi)燃機在 50%～100%的最大負(fù)荷工況下，脫硝系統(tǒng)NOx質(zhì)量濃度小于30 mg/m3(標(biāo)態(tài)，干基，5%O2)，NH3逃逸量≤2.5 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、5%O2)，SCR脫硝裝置可用率更是達(dá)到了98%以上。保證連續(xù)安全穩(wěn)定的運行情況下，SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率達(dá)到95%以上，NOx排放值為25.4 mg/m3，脫硝過程中系統(tǒng)壓降小于1 000 Pa，催化劑化學(xué)壽命超過24 000 h，單臺機組尿素耗量小于6.0 kg/h，該項目也達(dá)到了國家和北京地區(qū)的內(nèi)燃機排放標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)基于內(nèi)燃機式NGDE系統(tǒng)的清潔低碳排放，SCR脫硝系統(tǒng)排放指標(biāo)見表4。

表4 SCR 脫硝前后煙氣參數(shù)Tab. 4 Flue gas parameters before and after denitration by SCR

4 結(jié)論

基于內(nèi)燃機式的 NGDE系統(tǒng)的煙氣脫硝技術(shù)成功應(yīng)用后，不僅取得了良好的脫硝效果，而且該技術(shù)為其他工業(yè)領(lǐng)域燃?xì)鈾C組煙氣治理提供了有益借鑒，也為治霾提供了有力的技術(shù)支撐。

本文分析了高溫 SCR脫硝系統(tǒng)在樓宇型分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用的可能性。通過借鑒火電廠脫硝技術(shù)，在小型 MW級 NGDE系統(tǒng)得到成功應(yīng)用后，脫硝效率達(dá)到95%以上，脫硝效果良好。該分布式能源站脫硝改造后，排放指標(biāo)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，節(jié)能環(huán)保效益顯著，為脫硝技術(shù)發(fā)展提供一個新的可能。作為新一代適用于分布式能源站項目的脫硝技術(shù)，為我國燃?xì)夥植际侥茉凑緹煔馕廴局卫硖峁┮环N全新的解決路徑。