基于經(jīng)濟(jì)性的內(nèi)燃機(jī)電站中脫硝工藝的應(yīng)用研究

孔麗麗

(葛洲壩能源重工有限公司，武漢 430040)

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)從高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化發(fā)展持續(xù)提升，電力需求尚有缺口[1-2]。但是由卓爾德環(huán)境研究中心和能源與清潔空氣研究中心共同發(fā)布的報告《能源規(guī)劃與氣候政策》中指出2020年后再新增大中型煤電機(jī)組將與中國提出的氣候承諾相背離[3]。近些年，由于可以根據(jù)用戶對冷、熱、電不同需求實(shí)現(xiàn)對口供應(yīng)，且具有高效可靠、運(yùn)行靈活、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好、可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用等優(yōu)點(diǎn)，天然氣分布式能源得到了大力發(fā)展[4]。其中內(nèi)燃機(jī)電站以其能源效率高、成本低成為小規(guī)?！拔恿Α卑l(fā)電站的首選。

與電力需求仍將持續(xù)增長但增速放緩相反的是，能源清潔化發(fā)展邁入加速期[5]。近年來我國大氣環(huán)境質(zhì)量總體上雖然有明顯改善，但區(qū)域性、季節(jié)性、氣候性復(fù)合型大氣污染仍然突出，為進(jìn)一步改善環(huán)境，電力行業(yè)不斷加強(qiáng)對污染物尤其是NOx排放的控制[6]。大量學(xué)者從不同角度對內(nèi)燃機(jī)電站展開了深入研究，如王新等對電站云監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，指出該系統(tǒng)可以有效加強(qiáng)電站的健康管理，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少電站的非計(jì)劃停機(jī)時間，提高生產(chǎn)效率[7]。張嶺詳細(xì)介紹了一種應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)電站的電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電控方式使電站具備常用、應(yīng)急兩種工作模式，提升了電站的應(yīng)急保障功能[8]。莊衍平等分析內(nèi)燃機(jī)電站工作時各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的噪聲，采用隔聲、吸聲、消聲等技術(shù)手段，闡述了低噪聲內(nèi)燃機(jī)電站設(shè)計(jì)所應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)和采取的技術(shù)措施[9]。但針對內(nèi)燃機(jī)電站煙氣脫硝工藝的研究尚不多見。文章從脫硝工藝的機(jī)理入手，以內(nèi)燃機(jī)電站為研究對象，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，從工藝特點(diǎn)、工作溫度、脫除效率等方面比較SNCR與SCR工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇適合內(nèi)燃機(jī)電站這種“微動力”發(fā)電站的脫硝工藝。

1 研究對象

內(nèi)燃機(jī)電站作為新興的分布式能源近年來得到很大發(fā)展，機(jī)組容量不斷增加，尾氣排放帶來的污染問題受到了廣泛關(guān)注，對煙氣中NOx濃度的控制已經(jīng)成為亟待解決的問題。

本文以江蘇常州某燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)電站為研究對象，結(jié)合工程實(shí)例，探尋適合內(nèi)燃機(jī)電站減少NOx排放的脫硝工藝。江蘇常州某燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)電站項(xiàng)目，主機(jī)選用顏巴赫J(rèn)MS620燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。目前煙氣NOx排放濃度為500 mg/m3(5% O2)，而國家環(huán)保超低排放要求NOx排放濃度為50 mg/m3(5% O2)以下。發(fā)電機(jī)組參數(shù)如表1所示，初始排放數(shù)據(jù)如表2所示，現(xiàn)需選擇適合的脫硝技術(shù)以達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)。

表1 發(fā)電機(jī)組參數(shù)

表2 原始排放數(shù)據(jù)

2 脫硝工藝工作原理

目前NOx控制技術(shù)主要分為前段控制及后段控制，前段控制主要是從NOx生成的角度對NOx進(jìn)行控制，以低氮燃燒、富氧燃燒為主，通過控制燃燒過程中NOx的生成來達(dá)到降低排放的目的；后段控制主要是控制已經(jīng)生成的NOx的排放量，通過脫硝裝置來降低煙氣中的NOx濃度，以此方法減少NOx的排放。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)主要采用前段控制，因?yàn)槠涑杀镜停萘啃?，效率高。但是隨著對NOx排放要求越來越高，單純靠前段控制已經(jīng)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)濟(jì)可靠的后段控制來提高脫硝效率。常用的后段脫硝技術(shù)為煙氣再循環(huán)、選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)、選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。

2.1 選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)機(jī)理

SNCR脫硝技術(shù)即選擇性非催化還原技術(shù)，可以在850～1 100 ℃的范圍內(nèi)，不需要額外的催化劑，利用含有氨基的還原劑(如氨水，尿素溶液等)，將煙氣中的NOx還原為氮?dú)夂退?，其效率約為35%～45%。SNCR技術(shù)主要反應(yīng)過程如圖1所示。SNCR技術(shù)應(yīng)用廣泛，脫硝技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，成本不高，并且煙氣脫硝后沒有額外的副產(chǎn)物。整個系統(tǒng)占地面積小，建設(shè)周期不長，對鍋爐系統(tǒng)影響小。但是對內(nèi)燃機(jī)電站這種“微動力系統(tǒng)”SNCR技術(shù)的局限也是顯而易見的：SNCR技術(shù)最適宜的、效率最高的溫度為850～1 100 ℃，而內(nèi)燃機(jī)電站50%負(fù)荷尾氣溫度也僅為449 ℃。限于尾氣溫度，SNCR技術(shù)不適合用于與內(nèi)燃機(jī)電站類似的分布式能源系統(tǒng)。

2.2 選擇性催化還原(SCR)技術(shù)機(jī)理

SCR脫硝技術(shù)即選擇性催化還原技術(shù)，與SNCR方法不同之處在于使用了催化劑，由于催化劑的起燃溫度(即其達(dá)到50%的轉(zhuǎn)化效率時的溫度)一般在220 ℃左右，隨著煙溫的升高催化劑的轉(zhuǎn)化率也隨之增高，催化劑性能提升，脫硝效率隨之升高。一般來說，SCR法常選用釩基催化劑，其對硫不敏感，適用范圍廣，能適用油品較差的排煙工況。SCR方法化學(xué)反應(yīng)原理如圖2所示。還原劑與煙氣中的NOx在催化劑的作用下有選擇性地發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)生成無環(huán)境負(fù)擔(dān)的水和氮?dú)?。SCR方法在尾氣溫度300～500 ℃時效率高達(dá)90%以上，且其技術(shù)成熟、占地面積小、原料經(jīng)濟(jì)、成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定且產(chǎn)物對環(huán)境無負(fù)擔(dān)，對內(nèi)燃機(jī)電站等中小型分布式能源系統(tǒng)來說非常適合。

大型發(fā)電廠應(yīng)用SCR工藝時主要使用液氨作為還原劑，液氨在蒸發(fā)器中被汽化后輸入蒸發(fā)罐與空氣混合進(jìn)行稀釋，同時也增加了氨氣中的含氧量為后續(xù)脫硝反應(yīng)提高效率。隨后通過噴氨裝置將氨氣噴入煙氣，在催化劑的作用下氨氣有選擇地與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。SCR工藝系統(tǒng)由氨氣貯存系統(tǒng)、稀釋系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、催化劑系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。但由于液氨屬于國家嚴(yán)格把控的危險化學(xué)品，在運(yùn)輸、儲存以及應(yīng)用過程中都受到限制，并且液氨運(yùn)行成本也比較高，綜上所述液氨的應(yīng)用有局限性，不適合內(nèi)燃機(jī)電站這種體量小的 “微動力”能源系統(tǒng)。尿素經(jīng)濟(jì)便宜，常溫下的性質(zhì)穩(wěn)定、安全，運(yùn)輸、存儲和使用都很便捷，可以制作氨水和氨氣代替液氨作為還原劑。

尿素制氨及SCR方法的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

3 SCR工藝實(shí)例

3.1 SCR工藝系統(tǒng)配置

以江蘇常州某燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)電站為研究對象，結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證以尿素作為還原劑的SCR工藝系統(tǒng)是否適合內(nèi)燃機(jī)電站這種“微動力”發(fā)電站的脫硝工藝。SCR工藝的系統(tǒng)主要包括尿素儲存輸送系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)、尿素混合管和SCR催化反應(yīng)器。

3.1.1 尿素儲存輸送系統(tǒng)

內(nèi)燃機(jī)電站因?yàn)轶w量比較小，尿素溶液用量不大，按一周的尿素溶液用量設(shè)置了一臺4 m3尿素儲存罐。設(shè)置了兩臺尿素輸送泵(一備一用)，向尿素噴射系統(tǒng)供給尿素溶液。尿素儲存輸送系統(tǒng)如圖3所示。

3.1.2 尿素噴射系統(tǒng)

尿素噴射系統(tǒng)的作用是為脫硝反應(yīng)提供適量的尿素(還原劑)溶液。此系統(tǒng)包括尿素溶液供應(yīng)單元、壓縮空氣供應(yīng)單元、計(jì)量系統(tǒng)和噴嘴。計(jì)量系統(tǒng)控制定量的尿素溶液和壓縮空氣，經(jīng)噴嘴霧化噴入混合管后進(jìn)入反應(yīng)器與內(nèi)燃機(jī)排放的煙氣進(jìn)行脫硝反應(yīng)。尿素噴射控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，即根據(jù)催化前后氮氧化物傳感器所測煙氣中NOx濃度值，控制系統(tǒng)實(shí)時調(diào)整計(jì)量系統(tǒng)的供給量，從而精確控制煙氣中NOx的濃度?？刂葡到y(tǒng)主要包括控制柜、計(jì)量系統(tǒng)和流體處理組件等。尿素噴射系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

3.1.3 尿素混合管和SCR催化反應(yīng)器

SCR反應(yīng)器主要由進(jìn)出口煙道、反應(yīng)器殼體及催化劑等組成。額定工況下，內(nèi)燃機(jī)出口煙氣溫度為371 ℃，為SCR脫硝反應(yīng)較為理想的溫度。內(nèi)燃機(jī)排煙出口煙氣經(jīng)煙道進(jìn)入混合管，混合管內(nèi)包含一個導(dǎo)流柵、一個噴射混合器以提高排煙氣流均勻性。煙氣與水解霧化的尿素溶液充分混合后，NOx與NH3在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應(yīng)。進(jìn)出口煙道、反應(yīng)器殼體材質(zhì)為304不銹鋼，直徑為DN800 mm，反應(yīng)器與內(nèi)燃機(jī)排煙出口和排煙消音器之間的連接煙道均設(shè)置高溫金屬膨脹節(jié)。催化劑為蜂窩式模塊結(jié)構(gòu)，采用分層布置的方式，每層50塊，共兩層。反應(yīng)器進(jìn)出口均設(shè)在線監(jiān)測，對煙氣中的 NOx濃度、顆粒物濃度、氧含量、溫度、壓力、流量等實(shí)時在線監(jiān)測。

3.2 SCR工藝尿素水溶液濃度選擇

不同濃度的尿素溶液水解反應(yīng)所需要的熱量是不同的，如表3所示。尿素水解反應(yīng)所需要的熱量隨著尿素溶液中尿素濃度的降低而升高。尿素水溶液中尿素含量越少，需要蒸發(fā)其氣相中的水蒸氣所需要的熱量就越多。如圖5所示，當(dāng)尿素溶液中尿素的濃度升高時，水解反應(yīng)產(chǎn)物中的氨氣濃度也隨之升高。

表3 不同濃度尿素溶液所需的熱量

由圖5可見，尿素水溶液中尿素的含量越高，產(chǎn)生的氨氣越多，同時所要消耗的熱量越低，但是從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，尿素的使用量越高則經(jīng)濟(jì)性越低。所以綜合以上三點(diǎn)，需要尋求一個既能滿足SCR脫硝效果，又盡可能地節(jié)約熱量并滿足經(jīng)濟(jì)性的尿素水溶液的濃度最佳取值。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)當(dāng)尿素水溶液濃度達(dá)到32.5%時可以在滿足脫硝的情況下經(jīng)濟(jì)性最高。

3.3 SCR工藝系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

SCR脫硝系統(tǒng)操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，以年運(yùn)行時間8 000 h計(jì)，在達(dá)到NOx超低排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下SCR脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析如表4所示。SCR脫硝運(yùn)行費(fèi)用主要包括尿素溶液、電耗、人工費(fèi)及設(shè)備折舊，其中尿素溶液費(fèi)用為32.8萬元/年，約占總運(yùn)行費(fèi)用的61%。經(jīng)計(jì)算，采用這種工藝的NOx脫除單位成本約9.9 元/kg。

表4 運(yùn)行成本分析

4 結(jié)論

本文以內(nèi)燃機(jī)電站為研究對象，從脫硝工藝的機(jī)理入手，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，從工藝特點(diǎn)、工作溫度、脫除效率等方面比較SNCR工藝與SCR工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。SCR工藝具有催化劑高耐硫，對于燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，在300～500 ℃的中高溫區(qū)保持穩(wěn)定的高轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)配置簡單并且占地小等優(yōu)點(diǎn)?？梢院芎玫仄ヅ鋬?nèi)燃機(jī)組的高集成度，是適合內(nèi)燃機(jī)電站這種“微動力”發(fā)電站的脫硝工藝。本文用尿素水溶液代替液氨作為SCR工藝脫硝還原劑，其優(yōu)勢在于購買方便、快捷，本文沒有液氨的安全隱患，未來將會在內(nèi)燃機(jī)電站等小體量分布式能源系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用。