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华电产业园分布式能源站脱硝分析

2018年09月25日 热度:99 ℃

一、项目概况

华电丰台产业园分布式能源站项目位于北京市丰台区花乡四合庄中关村科技园东区三期1516-19号,园区内主要有商业办公楼、四星级商务酒店、精品商务设施、人防地下室及附属建筑等,产业园地上建筑面积约17万平方米,地下建筑面积约8万平方米,园区规划见图1。该园区具有良好的热、电、冷负荷,适合采用分布式冷热电联产的分布式能源站作为能源供应方式。

根据能源站为园区提供冷、热、电和生活热水的负荷情况,能源站主机装机按照“欠匹配”、“以冷热定电”的原则进行确定;最终能源站配置23349千瓦燃气内燃发电机组+22907千瓦烟气热水溴化锂机组+23489千瓦溴化锂直燃机组+21784千瓦螺杆式水冷机组+11500千瓦冷塔供冷系统+35立方米生活热水蓄热系统。最大供冷能力为16360千瓦,供热能力为11704千瓦,生活热水供应能力为3500千瓦。

自从2014年机组投运以来,机组NOx排放浓度约500~700毫克/立方米(标态,干基,5%O

2
),随着环保要求的进一步提高,此排放指标已经不能满足北京市《固定式内燃机大气污染物排放标准》规定的排放限值要求,为了进一步响应国家及北京市节能减排的号召,中国华电科工集团有限公司积极执行更严格的排放标准,履行企业的社会责任属性。华电科工在传统脱硝技术基础上,开发出的新一代适用于分布式能源站项目的脱硝技术,对于工业企业适应国家日益严格的环保要求提供了全新的解决方案。该技术研究课题于2017626日经华电集团科技项目立项审查会审查后立项,7月份开展天然气分布式能源站烟气脱硝技术研究的实施工作,示范项目于20181月初实现投运。

二、SCR脱硝系统

本项目通过脱硝改造后,要求机组烟气中NOx浓度降至不大于30毫克/立方米(干基,5%O

2
),在无法对内燃机燃烧进行减排改造的情况下,为实现上述烟气脱硝要求,并保证运行安全,选择采用颗粒尿素为脱硝还原剂的选择性催化还原(SCR)脱硝技术,项目改造方案的初始投资大约是868万元,两台机组的脱销运行费用45万元/年(包含催化剂的消耗量折算值)。

(一)脱硝系统设备与工艺

本项目采用选择性催化还原法(SCR)脱硝技术,SCR脱硝系统主要包括尿素溶液储存与制备系统,尿素溶液输送系统、尿素溶液计量分配系统、尿素溶液喷射系统、压缩空气系统、催化剂、控制系统及其附属系统等。系统包含的主要设备有尿素溶解罐、尿素溶解输送泵、尿素溶液储罐、尿素高流量循环泵、尿素溶液计量分配装置、尿素溶液喷射装置、空压机、冲洗水系统、催化剂及控制装置等。

首先将储存于储存间的干尿素,用软化水溶解成约20%质量浓度的尿素溶液,通过尿素溶液给料泵将配制好的尿素溶液输送到尿素溶液储存罐。储存罐内的尿素溶液经由供液泵、计量与分配装置、雾化喷嘴等喷入高温烟道中,生成NH

3
H
2
O
CO
2
,分解产物NH
3
NOx在催化剂的作用下生成N
2
H
2
O
,完成脱硝过程,脱硝系统工艺流程如图23所示。

技术改造中能源站空间有限,最初设计中未预留脱硝空间,项目改造难度较大,考虑到脱硝装置需要足够的布置空间,最终决定脱硝装置放置在能源站二层建筑内,内燃气排放的烟气先进入脱硝装置进行脱硝处理后进入余热利用装置,脱硝过程烟气温降基本在16摄氏度左右;因为脱硝的烟气直接来自于内燃机系统,脱硝烟气温度较高,所以本系统对于催化剂选择和催化形式都有新颖的设计改造,在实际运行结果良好。具体烟气设计参数如表1所示。

1  SCR设计烟气参数

项目

单位

数值

备注

烟气量(单台炉)

m

3
/h

14827

标态,湿基,5%O

2

实际O

2

%

9.5

N

2

%

74.3

CO

2

%

5.2

H

2
O

%

10.1

SCR设计入口烟温

400-550

SCR设计入口NOx

mg/m

3

700

标态,干基,5%O

2

在项目方案论证中,首先借鉴了传统火电厂的烟气脱硝方案,采用商用钒钨钛蜂窝式/板式催化剂,但内燃机烟气温度远高于钒钨钛脱硝催化剂运行温度。因此需要在内燃机出口后设置了稀释冷却风,以降低烟温,满足后继催化剂运行温度要求,此方案对于后续烟气余热回收不利。经过进一步论证,提出了现有工艺方案:考虑能源站内内燃机烟气中SO

2
含量小于10ppm,并且无粉尘,可采用分子筛高温脱硝催化剂,该催化剂使用温度窗口宽,脱硝效率高,但缺点是不耐硫中毒(建议烟气中SO
2
含量低于10ppm),此方案适合能源站的脱销改造。两种催化剂的特性对比如表2所示。

催化剂特点对比分析

钒钨钛蜂窝式/板式催化

分子筛高温脱硝催化

脱销效率

单孔烟气流通通道大,导致反应物和催化剂的有效接触面积、时间大大降低,无法保证很高的脱硝效率。

采用涂覆式催化剂成型工艺,单孔烟气通道大大降低,可有效降低催化剂体积,从而控制反应器体积,适应改造空间限制。

适用温度

270-420

390-550

烟气冷却

本方案需要增加冷却风,增加了烟气处理量,降低了烟气温度品质,冷却风使尿素喷射进烟道后的分解情况变得复杂。

本方案不需要无冷却风,尿素喷射进高温烟气中,可完全分解,不需另行设置尿素热解罐。

是否有毒

催化剂本身含有危险成分(V

2
O
5
),必须在获得许可资质的危险废弃物填埋处理厂进行处理。

该分子筛催化剂不含有毒化学物质,寿命期后可直接按一般废弃品处理。

(二)运行效果

改造前烟气排放中NOx浓度实际为500~700毫克/立方米(标态,干基,5%O

2
),改造后在保证内燃机在50%100%的最大负荷工况下,脱硝系统NOx浓度小于30毫克/立方米(标态,干基,5%O
2
),NH
3
逃逸量≤2.5毫克/立方米(标态、干基、5%O
2
),SCR脱硝装置可用率更是达到了98%以上。保证连续安全稳定的运行情况下,SCR脱硝系统的脱硝效率达到95%以上,NOx的排放值为25.4毫克/立方米,脱硝过程中系统压降小于1000帕,催化剂化学寿命超过24000小时,单台机组尿素耗量小于6.0千克/小时,该项目也达到了国家和北京地区的内燃机排放标准,实现基于内燃机式天然气分布式能源系统的清洁低碳排放,SCR脱硝系统排放指标如表2所示。

三、技术特点

本项目SCR脱硝工程是在已建的系统上进行改造,不会增加机组的维护和检修时间,而且脱硝装置能快速启动投入,在负荷调整变化时有良好的适应性,能可靠和稳定地连续运行,技术性能优良。项目技术特点总结如下:

1烟道直喷尿素射热解制氨(NH

3
)技术

利用内燃机出口高温烟气,通过压缩空气雾化,将尿素溶液喷入烟道,在烟道中热解制氨。通过研究不同喷枪结构、喷枪布置形式、烟气温度、烟气流速等与热解之间的关系,测试出合适的尿素溶液烟道热解的运行参数,优化压缩空气耗量及氨耗量的配比,达到最优热解程度。

2高效烟气混合器技术

通过对不同烟气量、烟气流速与尿素溶液混合的CFD流场模拟,获得不同结构的混合器与烟温、不同烟气流速、喷入尿素溶液量、不同雾化压力与混合均匀性的对应关系;通过CFD流场模拟,得到最佳的混合效果以及混合形式。

3高温催化剂技术

结合CFD流场模拟,研究不同烟气空速、烟气温度、氨氮比对催化剂脱硝效率、氨逃逸率、化学寿命等的影响,获得烟气空速、烟气温度、氨氮比与脱硝效率、氨逃逸率的对应关系;通过催化剂老化实验,分析烟气温度对催化剂的影响,从而进一步掌握高温催化剂技术。

4安全系数高

本项目工程主要装置采用了先进的、安全可靠的工艺流程。为了减轻工人的劳动强度和确保工人的人身安全,对于需经常操作的阀门均采用电动或气动执行机构。脱硝系统采用密闭性能良好的设备、管件及其他设施,最大限度的减少工艺介质泄漏的可能性,大幅度地改善劳动环境,提高安全程度。

5节能环保

本项目工程正常运转时无三废(废水、废气、固废)排放,环保性能良好,也不会影响项目的正常运转。而且在事故、检修时的少量尿素溶液均可排入废水箱,废水箱中的废液全部回流至尿素溶液溶解罐中去,整体系统不会产生污染物的排放,正在做到清洁低碳。

6布置紧凑

能源站在设计初始时未考虑预留脱硝空间,所以脱硝装置在现有并不富裕的空间内开展脱硝改造工程,各个设备布置紧凑合理,占地面积少,真正做到高效集约化,体现出分布式能源的小型化本地化的特色。

四、结语

华电产业园分布式能源站投入商业运行以来,系统运行稳定,投产后电力及空调冷热、生活热水供应良好。项目采用内燃机发电机组+溴化锂机组的联合供能方式,符合国家鼓励发展的分布式能源政策,能源利用效率高,电力全部就地消纳,具备孤网运行能力,满足园区的全部电力需求,极大的降低了系统网损,提高了地区供电的可靠性。能源站脱硝改造后,排放指标低于标准要求值,节能环保效益显著,高标准完成华电集团对我们的要求,为脱硝技术发展提供了一个新的可能。

将基于内燃机的天然气分布式能源烟气脱硝技术应用成功后,为绿色北京增添一份力。内燃机的天然气分布式能源烟气脱硝技术具有烟道直喷尿素射热解制氨(NH

3
)、烟气混合高效、高温催化剂应用等特点,作为新一代适用于分布式能源站项目的脱硝技术,为我国天然气分布式能源站烟气污染治理提供了一种全新解决路径。华电产业园分布式能源站脱硝改造项目时国内首例MW级楼宇型天然气分布式能源脱硝项目,取得了良好的脱硝效果,同时该技术为其它工业领域燃气机组烟气治理提供了有益借鉴,也为治霾提供了有力的技术支撑。

本文刊载于中国城市燃气协会分布式能源专业委员会主办的《分布式能源》2018年第2期/总第22期上

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