M701F4联合循环机组脱硝系统改造及实践

王晗 杜建太 董云龙 沈应强 潘刚

摘 要：【目的】随着新能源发电技术的发展，燃气蒸汽联合循环机组已成为主要调峰电站机组之一，安全环保运行越来越重要，要对SCR脱硝技术还原剂液氨的安全问题进行研究。【方法】以江苏华电扬州发电有限公司M701F4联合循环机组为研究对象，开展脱硝还原剂液氨改尿素水解制氨改造工程。【结果】阐述燃机NOx产生过程、影响因素和控制策略，并阐明SCR脱硝系统、尿素水解制氨系统和工程设计及运行中的注意事项。【结论】在机组完成脱硝还原剂系统改造后，从机组启机过程和实际运行过程的数据得出，尿素制氨技术稳定可靠，能在燃机烟气治理中广泛运用，且脱硝还原剂氨量和脱硝效率有所保障。

关键词：M701F4；SCR脱硝；还原剂；尿素水解制氨

中图分类号：X773       文献标志码：A        文章编号：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

調峰电站可提升区域智慧电网的灵活调节能力，可平衡并提高电网安全的可靠性［1］。因此，在“双碳”目标下，确保调峰电站的安全可靠环保运行尤为重要。作为调峰电站的江苏华电扬州发电有限公司现运行有两台套燃气—蒸汽联合循环发电机组，燃机型号为M701F4、发电机型号为QFR-480-2-21.5、汽轮机型号为LN156-12.3/566/566，余热锅炉为无补燃、三压、一次再热的卧式自然循环余热锅炉，余热锅炉内设有SCR脱硝单元。与现有超低排放燃煤电厂相比，燃机机组投产后每年可减排二氧化硫221 t、减排氮氧化物102 t、减排三氧化硫82 t、减排烟尘860 kg、减排汞22 kg［2］。近年来，随着生态文明建设和企业安全生产需求，该机组在启动和运行过程中，持续运行SCR脱硝单元，且对SCR脱硝用还原剂的安全性提出更高要求。

1 脱硝系统分析

1.1 NOx产生分析

燃烧过程中产生的NOx按其产生原理可分为燃料型、热力型和快速型［3］。由于燃气轮机燃烧燃气，通常认为燃机产生的NOx以热力型为主导，其次是快速型，燃料型最少［4］。热力型燃机中的NOx是空气中氮气在火焰下游的高温区被氧化产生的，主要影响因素是氧浓度、燃烧温度及在高温区停留时间；快速型燃机中的NOx是由碳氢化合物在燃料过剩时燃烧产生的，主要影响因素为空气过量条件和燃烧温度；燃料型燃机中的NOx是由燃料氮元素转化而成的，其产生量与燃料特性息息相关。

影响燃机NOx排放浓度的因素有很多，燃烧器结构与燃烧方式、机组负荷、燃烧运行控制水平及燃料特性是最主要的影响因素。M701F4型燃气轮机的燃烧室采用环管逆流布置方式，燃烧室内设有20个干式低NOx环管型燃烧器，从进气端的十二点位置起顺时针布置，各个燃烧室之间设有联焰管。每个燃烧器由8个主燃料喷嘴、16个顶环燃料喷嘴和1个值班燃料喷嘴组成。M701F4型燃气轮机值班燃料调门开度与NOx的生成量正相关，在机组启动初期燃料流量较小时或机组暖机结束升负荷过程中，值班燃料调门开度增大，此时锅炉排烟NOx的含量明显提高［5］。

M701F型燃机可采取对燃烧控制系统的调节来降低NOx排放量，通过主燃料喷嘴和顶环燃料喷嘴的空气与燃气预混合后在燃烧器内形成均匀的低温火焰，能明显减少NOx的生成量。燃机余热锅炉配套SCR系统的投入条件为SCR入口烟温大于280 ℃，SCR系统投入后，可有效降低NOx的排放量。

1.2 SCR脱硝技术系统

选择性催化还原法（SCR）脱硝技术是向燃机排气中喷入氨基还原剂，在催化剂的催化作用下将NOx转化为氮气和水，其脱硝效率可达90%左右。SCR具有脱硝效率高、设备紧凑、运行稳定等优点，但也存在投资运行费用高、催化剂易中毒、催化剂气流通道易堵塞、催化剂后处理难等缺点。因此，SCR脱硝技术主要用于烟气初始NOx浓度低、烟气含尘含硫低的工程，燃机烟气处理是最适宜的适用场景之一，余热锅炉烟道最佳反应温度区间为300～400 ℃，SCR脱硝运行效率高且氨逃逸率低［6］。

氨气是SCR脱硝反应的最佳氨基还原剂，我国燃煤机组和燃机机组SCR脱硝用氨气主要来自液氨加热汽化，因工艺运行操作简单、初始投资及运行费用低，一直是国内制氨气的主流工艺。但液氨属有毒化学品， 液氨存储量超过10 t时，属于重大危险源，其设计要满足《建筑设计防火规范》等相关规范要求［7］。

随着国家对安全生产工作的日益重视，出台了一系列相关强制性法律法规，工业用液氨使用受到更多限制和制约。可通过热解或水解尿素来制取氨气，其安全性高，储运无风险，因此其被视为最主要的SCR烟气脱硝还原剂。

2 改造方案

江苏华电扬州发电有限公司现运行的两台套燃气—蒸汽联合循环发电机组脱硝均采用SCR技术，在投运初期脱硝还原剂为液氨，且液氨储存量超过10 t，一直被视为电厂重大危险源。为落实《国家能源局综合司关于切实加强电力行业危险化学品安全综合治理工作的紧急通知》的具体要求，实施全厂脱硝还原剂升级改造工作。江苏华电扬州发电有限公司SCR脱硝还原剂改造工程采用尿素催化水解法制备脱硝还原剂，新建尿素原液制备系统，对原有脱硝单元进行改造［8］。在保證电厂安全稳定运行的同时，提升厂区安全生产水平。

2.1 尿素水解系统

近年来，随着脱硝设备不断推进全自主和国产化，尿素水解制氨工艺所装置已全面实现国产化，尿素水解制氨工艺在国内各型燃煤燃机组上得到广泛的应用。

尿素水解制氨工艺是将尿素溶解为一定质量浓度的水溶液，再通过供给泵输送到尿素水解罐内，尿素溶液被蒸汽加热后，在水解罐内水解生成氨气、二氧化碳和水［9］，其化学反应见式（1）。

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

从该反应方程可以看出，尿素制氨是生产尿素的逆反应，其反应速率与温度、溶液浓度相关，催化剂也可加快氨气生成速率。催化水解制氨可将尿素制氨速度提升9倍以上［10］。因此，尿素催化水解制氨工艺可以实现工业应用。

江苏华电扬州发电有限公司新建尿素水解制氨系统主要设备包含尿素卸料及储存仓、气力输送风机、尿素溶解罐、尿素溶液输送泵、尿素溶液储罐、尿素溶液供给泵、尿素水解制氨罐、废水箱、废水泵及计量模块等，尿素水解制氨系统流程如图1所示。

外购固态颗粒状尿素通过料装置放置于尿素储存仓内，尿素储存仓能满足电厂机组7 d所需的还原剂量。储存仓内的尿素通过气力输送风机添加到尿素溶解罐内，用除盐水将其溶解成质量分数约为50%的尿素溶液。配置好的溶液通过尿素溶液溶解泵输送到储罐中。储罐内的尿素溶液经尿素溶液供给泵、流量计与分配装置流入到尿素水解制氨罐内，尿素溶液在罐内经蒸汽加热后水解产生NH3、H2O和CO2，水解罐内的气液两相平衡压力约为0.6 MPa、温度约为150 ℃。水解罐内的含氨气先流进入计量模块，然后在混合器内被热风稀释后进入烟道SCR脱硝模块。

2.2 设计及运行注意事项

尿素水解反应较缓慢，响应不灵敏。为优化水解制氨的适应性和调节功能，在水解罐内添加催化剂，通过减小反应活化能提升水解制氨反应速度，同时也能有效降低副产物氨基甲酸铵物质的生成量。

尿素水解制氨反应中的副产物为强腐蚀性的氨基甲酸铵，其会损坏不锈钢氧化膜，增加管道或设备的腐蚀速度。尤其是水解罐内气液两相温度较高时，其腐蚀速度更快，从而造成安全隐患。腐蚀问题可从管道和设备选材、系统设计等方面入手，进行综合预防。如选择良好抗腐蚀的尿素级管材，制氨设备内加入空气，在管道和设备内表面持续形成氧化膜，尤其是在运行过程中，应严格控制制氨系统内防腐空气的含量。

氨基甲酸铵和尿素水解产物发生聚合反应，生成缩二脲等聚合物，聚合物会造成设备及管道的堵塞，会影响SCR脱硝系统的正常运行。因此，系统运行过程的尿素水溶液浓度不宜过高，且在机组间歇停运或小修期间，要对尿素溶解槽、尿素溶液储罐、尿素水解槽及管道等进行清洗，从而有效缓解堵塞问题。

为防止尿素水解产生的气体发生逆反应，日常运行中稀释热风温度要保持160 ℃以上，混合器内的混合气温度要保持在160 ℃以上。混合气温度升高导致混合气体流量增大，原液氨SCR脱硝系统的氨气和空气混合器出口管径、喷氨格栅管径及喷嘴无法满足流量要求，要拆除原有管道并更换。

根据蒸汽轮机高压缸入口金属温度（缸温）可将燃机的正常启动分为三种状态（冷态、温态、热态）。冷态及温态启动，暖机负荷低，暖机时间长，值班燃料投入多，NOx生成量大；热态启机因暖机负荷高，暖机时间短，其生成的NOx量比冷态、温态启动要少得多。

燃机SCR系统投入条件是SCR入口烟温大于280 ℃，热态启动在暖机不久即可达到280 ℃，冷态和温态启动也可在暖机过程中达到280 ℃。

由于尿素易在管道内壁结晶，整条供氨管道要全程投入蒸汽伴热，伴热蒸汽要维持在150 ℃以上。供氨投入前及停用后要进行蒸汽吹扫，清除管道残留尿素，提高管道温度。蒸汽吹扫流量控制在180 kg/h、温度控制在150 ℃以上，持续20～30 min。

3 改造后系统运行效果

通过脱硝液氨改尿素制氨技术改造，设备运行稳定，能完全满足脱硝装置所需氨量，机组在启动过程中的NOx排放量的小时累计值能稳定控制在50 mg/Nm3以下，满足环保要求，启机过程NOx排放量及脱硝效率如图2所示。

从图2可看出，在冷态启机过程中，当烟温大于280 ℃时，及时投入SCR脱硝系统，延迟5～10 min后，NOx浓度急速下降到10 mg/Nm3以下，脱硝效率可达85%以上。综上可知，通过脱硝还原剂液氨改尿素制氨技术改造，各设备运行稳定可靠，能满足SCR脱硝系统所需还原剂氨气用量。

当机组负荷运行稳定后，燃机主燃料喷嘴和顶环燃料喷嘴开度较大，值班燃料喷嘴开度较小，能有效地降低NOx的生成量，SCR入口处的NOx浓度低于20 mg/Nm3。选取某时段机组带80%负荷稳定运行时的NOx排放量及脱硝效率如图3所示。

从图3可以看出，机组80%负荷运行，机组稳定运行为低氮燃烧创造有利条件，NOx生成浓度较低，SCR放热脱硝效率也稳定在83%以上，NOx排放量能控制在4 mg/Nm3以下，达到环保要求和脱硝改造的预期目标。

4 结语

本研究对三菱M701F4联合循环机组NOx生成及脱硝系统由液氨改造为尿素水解制氨技术进行阐述，并对设计和运行中的注意事项进行简要说明。

研究结果表明尿素制氨技术能耗低、适应性强、稳定可靠，可广泛应用于燃机烟气治理中，且脫硝还原剂氨量和脱硝效率均有保障。

SCR脱硝技术是应用最广泛的燃机余热锅炉烟气脱硝技术，其灵活可靠性适用于调峰机组，能有效降低燃机启动过程中的NOx排放量。

随着尿素水解制氨和催化剂的不断优化和改进，尿素水解制氨技系统的初始投资、运行费用和日常维保费用将更低，研究成果可为今后燃机烟气治理方案提供借鉴和参考。

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