燃气发电余热锅炉脱硝工艺的选择与优化
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总第 177 期 2019 年第3 期
案例分析
现代工业经济和信息化 Modern Industrial Economy and Informationization
Total of 177 No.3，2019
DOI:10.16525/j.cnki.14-1362/n.2019.03.54
燃气发电余热锅炉脱硝工艺的选择与优化
烟囱 9
烟气
8
1
10
57
4 6
2
3
1—压缩空气储罐；2—尿素溶液储罐；3—尿素溶液输送泵； 4—调节计量单元；5—喷枪；6—尿素热解炉；7—稀释风机；
8—余热锅炉；9—喷氨格栅；10—催化剂单元 图 1 燃气发电余热锅炉脱硝常规工艺流程图（改进前）
尿素溶液通过厂区管道输送到 SCR 反应区，尿 素溶液由尿素热解系统计量分配模块分配至热解炉 喷枪，同雾化空气一并吹入热解炉中被加热分解，产 生 N2、H20 和 C02 被热空气稀释到 5%体积分数安全 浓度以下，经喷氨栅格进入 SCR 反应器入口烟道中[5]。
目前，主流的燃气 - 蒸汽联合循环机组相对于 普通燃煤锅炉高 SO2、高粉尘和高 NOx 的烟气条件， 燃气机组余热锅炉烟气具有超低硫、低尘、低 NOx 的 特点[1]，这就为选择性催化还原（SCR）烟气脱硝创造 了良好的条件。下面将从还原剂的选择、制氨工艺的 选择、工艺系统优化三方面展开论述。 1 还原剂的选择
文章编号：2095-0748（2019）03-0128-02
引言 大型燃气 - 蒸汽联合发电机组均采用低氮燃烧
等技术，在满足目前国家关于大气污染物控制环保 排放标准 籽（NOx）≤50 mg/m3 的要求的同时，也解决 了城市用电的需求。但是在城市周边及大气污染物 控制要求更为严格的地区，在原有排放标准的基础 上提出了 籽（NOx）≤30 mg/m3 的要求，这就要求现有 燃气机组仍需进一步降低 NOx 的排放。
杨文生：燃气发电余热锅炉脱硝工艺的选择与优化
窑129窑
ห้องสมุดไป่ตู้
尿素热解较尿素水解响应时间快，负荷适应性 更强。
综上所述，燃气轮机 SCR 脱硝采用尿素热解更 具优势。 3 工艺系统的优化
本设计说明适用于某燃机热电 2×F 级燃气 蒸汽联合循环供热机组工程 SCR 脱硝装置，推荐采 用尿素作为还原剂，采用尿素水解制氨工艺。常规工 艺流程图如图 1 所示：
杨文生
（山西驰捷电力科技有限公司， 山西 太原 030032）
摘 要：针对燃气余热锅炉脱硝改造中还原剂的选取、制氨工艺的选择及常规尿素热解制氨工艺优化三个方面
进行阐述，最终提出技术上可行、经济上合理的燃气余热锅炉脱硝技术路线。
关键词：燃气发电；SCR；尿素热解
中图分类号：X773；TM621.2
文献标识码：A
水解反应时，尿素溶液并不能完全分解，会有部 分残留液，尿素溶液预热器、水解反应器、水解产物 输送管道等均需采用 316L 不锈钢制造。
热解法是将尿素直接喷入热解炉，在 400~650 ℃ 的高温条件下，尿素直接分解成氨气和二氧化碳。由 于尿素溶液直接热解，热解炉采用 304 不锈钢即可 满足要求，但是考虑到整个热解过程温度较高，需要 从耐温性上考虑热解炉前后管道的材质选取。而且， 常规的热解炉稀释风机要求耐温性上较高，无形中 增加了工程投资造价[2]。
尿素制氨的方法主要有尿素水解、尿素催化水 解以及尿素热解法。
尿素水解制氨的原理，先用辅助蒸汽系统对尿
收稿日期：2019-02-06 作者简介：杨文生（1977—），男，毕业于长沙电力学院，工程师， 从事电力环保工程相关工作。
素溶液进行预热，再将尿素溶液送入水解反应器，在 辅汽的加热下，尿素溶液水解后的产物为 NH3、CO2 和 H2O 的混合蒸汽，由于水解产物中含有水蒸汽，为 避免 NH3 与 CO2 在低温下发生逆反应，水解产物输 送管道需要全程伴热，维持在 175 ℃以上。
目前 SCR 脱硝还原剂较多采用尿素、氨水和液 氨。从投资及运营成本上分析，尿素较氨水和液氨 高。从反应析出的角度分析，尿素除产生氨气外，还 会产生水、二氧化碳等副产物，氨水次之，而液氨则 不会产生副产物。从还原剂的输送及储存的角度考 虑，液氨泄露出的氨气要比尿素水溶液或氨水危险 性大得多。由于燃气发电机组大多布置在城市周边、 人口密集区域，因此，从安全的角度建议燃气发电机 组采用尿素作为脱硝的还原剂。 2 尿素制氨工艺的选择
在初期投资分析，尿素水解制氨工艺由于水解 反应设备及水解产物输送管道均采用不锈钢，投资 较大，尿素热解操作属高温常压，尿素水解操作属高 温高压，相比之下，尿素水解对系统严密性要求更 高，反应器、管道、阀门等制造成本也更高。
尿素热解较尿素水解具有反应完全、不易产生 中间聚合物的优点。
2019 年第 3 期
从能耗角度分析，采用高温烟气作为热源进行 尿素热解对于燃煤电厂由于烟气含尘量大，容易造 成喷氨格栅堵塞，同时需要增设电加热装置，才能保 证热解能够充分分解，而对于燃气轮机组，由于烟气 含尘量极低，不存在喷氨格栅堵塞的问题，且燃气机 组余热锅炉烟气温度正好适合尿素热解，较燃煤机 组能极大地降低能耗。尿素水解反应器需要辅汽加 热，同时尿素水解产物输送管道、阀门均需蒸汽伴 热，增大了系统能耗[3-4]。
稀释空气引自机组余热炉入口的热烟气，热烟 气压力 3.6 kPa，最大负荷温度约 580 ℃（锅炉设计 负荷范围内烟气温度为 450~620 ℃）。热烟气由管道 系统引入稀释风机增压后进入热解炉入口。在稀释 风机出口至热解炉之间的管道上设有稀释空气流量 测点，及修正流量用的温度、压力测点。每台机组设 两台稀释风机，风机一用一备。尿素在热解炉中需要 的反应温度由锅炉烟气提供，热烟气维持热解炉内 温度 300~650 ℃，每台热解炉出口设有温度测点，用 于监测热解炉内尿素分解情况。
根据机组 SCR 入口 NOx 测量值及烟气流量、温 度等信息，计算当前运行工况条件下脱除 NOx 的需 求喷氨量，控制尿素流量调节阀以控制尿素的供给 量，同时控制系统通过 SCR 出口 NOx 分析仪测量值 进一步计算喷氨量，并将计算结果反馈给尿素流量 调节阀进行精细调节。
案例分析
现代工业经济和信息化 Modern Industrial Economy and Informationization
Total of 177 No.3，2019
DOI:10.16525/j.cnki.14-1362/n.2019.03.54
燃气发电余热锅炉脱硝工艺的选择与优化
烟囱 9
烟气
8
1
10
57
4 6
2
3
1—压缩空气储罐；2—尿素溶液储罐；3—尿素溶液输送泵； 4—调节计量单元；5—喷枪；6—尿素热解炉；7—稀释风机；
8—余热锅炉；9—喷氨格栅；10—催化剂单元 图 1 燃气发电余热锅炉脱硝常规工艺流程图（改进前）
尿素溶液通过厂区管道输送到 SCR 反应区，尿 素溶液由尿素热解系统计量分配模块分配至热解炉 喷枪，同雾化空气一并吹入热解炉中被加热分解，产 生 N2、H20 和 C02 被热空气稀释到 5%体积分数安全 浓度以下，经喷氨栅格进入 SCR 反应器入口烟道中[5]。
目前，主流的燃气 - 蒸汽联合循环机组相对于 普通燃煤锅炉高 SO2、高粉尘和高 NOx 的烟气条件， 燃气机组余热锅炉烟气具有超低硫、低尘、低 NOx 的 特点[1]，这就为选择性催化还原（SCR）烟气脱硝创造 了良好的条件。下面将从还原剂的选择、制氨工艺的 选择、工艺系统优化三方面展开论述。 1 还原剂的选择
文章编号：2095-0748（2019）03-0128-02
引言 大型燃气 - 蒸汽联合发电机组均采用低氮燃烧
等技术，在满足目前国家关于大气污染物控制环保 排放标准 籽（NOx）≤50 mg/m3 的要求的同时，也解决 了城市用电的需求。但是在城市周边及大气污染物 控制要求更为严格的地区，在原有排放标准的基础 上提出了 籽（NOx）≤30 mg/m3 的要求，这就要求现有 燃气机组仍需进一步降低 NOx 的排放。
杨文生：燃气发电余热锅炉脱硝工艺的选择与优化
窑129窑
ห้องสมุดไป่ตู้
尿素热解较尿素水解响应时间快，负荷适应性 更强。
综上所述，燃气轮机 SCR 脱硝采用尿素热解更 具优势。 3 工艺系统的优化
本设计说明适用于某燃机热电 2×F 级燃气 蒸汽联合循环供热机组工程 SCR 脱硝装置，推荐采 用尿素作为还原剂，采用尿素水解制氨工艺。常规工 艺流程图如图 1 所示：
杨文生
（山西驰捷电力科技有限公司， 山西 太原 030032）
摘 要：针对燃气余热锅炉脱硝改造中还原剂的选取、制氨工艺的选择及常规尿素热解制氨工艺优化三个方面
进行阐述，最终提出技术上可行、经济上合理的燃气余热锅炉脱硝技术路线。
关键词：燃气发电；SCR；尿素热解
中图分类号：X773；TM621.2
文献标识码：A
水解反应时，尿素溶液并不能完全分解，会有部 分残留液，尿素溶液预热器、水解反应器、水解产物 输送管道等均需采用 316L 不锈钢制造。
热解法是将尿素直接喷入热解炉，在 400~650 ℃ 的高温条件下，尿素直接分解成氨气和二氧化碳。由 于尿素溶液直接热解，热解炉采用 304 不锈钢即可 满足要求，但是考虑到整个热解过程温度较高，需要 从耐温性上考虑热解炉前后管道的材质选取。而且， 常规的热解炉稀释风机要求耐温性上较高，无形中 增加了工程投资造价[2]。
尿素制氨的方法主要有尿素水解、尿素催化水 解以及尿素热解法。
尿素水解制氨的原理，先用辅助蒸汽系统对尿
收稿日期：2019-02-06 作者简介：杨文生（1977—），男，毕业于长沙电力学院，工程师， 从事电力环保工程相关工作。
素溶液进行预热，再将尿素溶液送入水解反应器，在 辅汽的加热下，尿素溶液水解后的产物为 NH3、CO2 和 H2O 的混合蒸汽，由于水解产物中含有水蒸汽，为 避免 NH3 与 CO2 在低温下发生逆反应，水解产物输 送管道需要全程伴热，维持在 175 ℃以上。
目前 SCR 脱硝还原剂较多采用尿素、氨水和液 氨。从投资及运营成本上分析，尿素较氨水和液氨 高。从反应析出的角度分析，尿素除产生氨气外，还 会产生水、二氧化碳等副产物，氨水次之，而液氨则 不会产生副产物。从还原剂的输送及储存的角度考 虑，液氨泄露出的氨气要比尿素水溶液或氨水危险 性大得多。由于燃气发电机组大多布置在城市周边、 人口密集区域，因此，从安全的角度建议燃气发电机 组采用尿素作为脱硝的还原剂。 2 尿素制氨工艺的选择
在初期投资分析，尿素水解制氨工艺由于水解 反应设备及水解产物输送管道均采用不锈钢，投资 较大，尿素热解操作属高温常压，尿素水解操作属高 温高压，相比之下，尿素水解对系统严密性要求更 高，反应器、管道、阀门等制造成本也更高。
尿素热解较尿素水解具有反应完全、不易产生 中间聚合物的优点。
2019 年第 3 期
从能耗角度分析，采用高温烟气作为热源进行 尿素热解对于燃煤电厂由于烟气含尘量大，容易造 成喷氨格栅堵塞，同时需要增设电加热装置，才能保 证热解能够充分分解，而对于燃气轮机组，由于烟气 含尘量极低，不存在喷氨格栅堵塞的问题，且燃气机 组余热锅炉烟气温度正好适合尿素热解，较燃煤机 组能极大地降低能耗。尿素水解反应器需要辅汽加 热，同时尿素水解产物输送管道、阀门均需蒸汽伴 热，增大了系统能耗[3-4]。
稀释空气引自机组余热炉入口的热烟气，热烟 气压力 3.6 kPa，最大负荷温度约 580 ℃（锅炉设计 负荷范围内烟气温度为 450~620 ℃）。热烟气由管道 系统引入稀释风机增压后进入热解炉入口。在稀释 风机出口至热解炉之间的管道上设有稀释空气流量 测点，及修正流量用的温度、压力测点。每台机组设 两台稀释风机，风机一用一备。尿素在热解炉中需要 的反应温度由锅炉烟气提供，热烟气维持热解炉内 温度 300~650 ℃，每台热解炉出口设有温度测点，用 于监测热解炉内尿素分解情况。
根据机组 SCR 入口 NOx 测量值及烟气流量、温 度等信息，计算当前运行工况条件下脱除 NOx 的需 求喷氨量，控制尿素流量调节阀以控制尿素的供给 量，同时控制系统通过 SCR 出口 NOx 分析仪测量值 进一步计算喷氨量，并将计算结果反馈给尿素流量 调节阀进行精细调节。