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        煉油廠IGCC電站NOx排放控制技術比較與工程實踐

        2020-10-23 10:44:24何北奇
        化工環(huán)保 2020年5期
        關鍵詞:燃氣輪機氮氣余熱

        何北奇

        (福建聯(lián)合石油化工有限公司,福建 泉州 362800)

        NOx是危害大且較難處理的大氣污染物,它不僅刺激人的呼吸系統(tǒng)、損害動植物、破壞臭氧層,而且也是引起溫室效應、酸雨和光化學反應的主要物質(zhì)之一。根據(jù)國家環(huán)保部門統(tǒng)計和有關研究估算,2000年我國NOx的排放量約為1 500萬噸,2004年的排放量約為1 600萬噸,到2010年我國NOx排放達到2 194萬噸。由此可見,我國NOx排放量十分巨大,如果不加以控制,NOx將對我國大氣環(huán)境造成嚴重的污染?;鹆Πl(fā)電、工業(yè)和交通運輸行業(yè)是我國NOx排放的主要來源,三者之和占NOx排放總量的90%左右。其中火力發(fā)電已成為我國NOx排放的最大來源,占全國排放總量的35%以上[1]。為了保護環(huán)境,保障人體健康,國家對環(huán)境保護提出了嚴格的要求。2014年7月1日起執(zhí)行的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)[2],要求現(xiàn)有燃氣輪機煙氣的NOx排放值小于120 mg/m3。

        本工作根據(jù)美國GE公司9E型燃氣輪機/余熱鍋爐(余熱蒸汽發(fā)生器,HRSG )的特點,對某煉油化工一體化項目整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)電站煙氣分別采用燃氣輪機注氮脫硝和余熱鍋爐選擇性催化還原(SCR)脫硝技術進行處理,使排氣的NOx排放值符合國家標準,考察了影響脫硝設備運行成本的主要因素,并為優(yōu)先運行余熱鍋爐SCR脫硝設備提供了依據(jù)。

        1 IGCC電站NOx排放控制技術原理

        IGCC電站是將氣化技術和蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術相結(jié)合的先進動力系統(tǒng),它由兩大部分組成,第一部分的主要設備有氣化裝置、空分裝置、合成氣凈化裝置,第二部分的主要設備有燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機等[3]。

        目前,IGCC電站NOx排放控制技術主要有燃燒工藝改進和后燃燒處理兩種方式[4]。

        通過改進燃燒工藝控制NOx是采用低NOx燃燒器以及通過優(yōu)化調(diào)整燃燒條件,有效控制NOx的產(chǎn)生,從源頭上減少NOx生成量。具體有兩種方法:第一種方法是燃氣輪機注氮脫硝[5],通過往燃氣輪機燃燒室注入一定量的氮氣,以降低燃燒溫度,減少NOx的產(chǎn)生;第二種方法是采用干式低NOx燃燒器[6],通過將過量的空氣與燃料在燃燒前預混,然后進入燃燒區(qū)域燃燒,使燃燒溫度降低,從而大大降低NOx的生成量。

        利用后燃燒處理工藝控制NOx是在余熱鍋爐中采用SCR脫硝技術[7]。SCR脫硝技術是將煙氣中的NO在有催化劑的情況下,轉(zhuǎn)變成N2和H2O的過程,還原劑為NH3。最主要的化學反應如下:

        在特定的運行條件下,某些相關的反應可能會發(fā)生:

        NOx的去除取決于NH3添加量(可用n(NH3)∶n(NOx)表示)。n(NH3)∶n(NOx)值越高,NOx去除率也越高,但同時NH3逃逸率也會增加。

        2 IGCC電站NOx排放概況

        某煉油化工一體化項目的IGCC電站以脫油瀝青為原料生產(chǎn)合成氣,提供煉油廠所需要的大部分氫氣和超高壓、高壓蒸汽以及大部分電力[8]。該IGCC電站設有兩臺9E合成氣燃氣輪機,每臺燃氣輪機的排氣送到相應的余熱鍋爐,用來回收溫度為503 ℃的煙氣余熱,加熱105 ℃的高壓鍋爐給水,產(chǎn)生3.8 MPa、420 ℃的高壓蒸汽。燃氣輪機/余熱鍋爐設計工況的煙氣指標如表1所示。

        由表1可知,燃氣輪機設計工況時煙氣的ρ(NOx)為400 mg/m3,無法滿足《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)[2]的要求,必須采取控制措施,確保IGCC電站NOx排放達標。

        表1 燃氣輪機/余熱鍋爐設計工況的煙氣指標

        3 IGCC電站NOx排放控制技術實施效果比較

        3.1 燃氣輪機注氮脫硝

        3.1.1 注氮脫硝的實施

        該公司在建設IGCC電站時考慮了國家環(huán)保政策逐步嚴格的趨勢,在采購GE公司9E合成氣燃氣輪機時要求NOx排放值要滿足將來國家環(huán)保政策逐步嚴格的要求。該燃氣輪機的燃料噴嘴帶有輔助通道,通過安裝在燃燒室頭部的渦流發(fā)生器將氮氣注入燃燒室內(nèi)。氮氣與燃燒室內(nèi)的空氣相混合,降低火焰和燃氣的溫度,可以降低約70%的NOx的生成[9]。

        IGCC電站配套的空分裝置為獨立空分,提供氣化反應所需要的高純度氧氣和煉油廠所需的氮氣,制氧能力為2×40 000 m3/h,另有148 000 m3/h的粗氮氣可以供給燃氣輪機注氮,所以,燃氣輪機具備注氮脫硝的外部條件。該公司從2014年3月開始對燃氣輪機注氮系統(tǒng)進行了檢修和維護,并進行了3次注氮測試,測試結(jié)果見表2。

        表2 燃氣輪機注氮脫硝的測試結(jié)果

        由表2可見,燃氣輪機注氮后,煙氣的NOx排放值均小于90 mg/m3,滿足《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)[2]小于120 mg/m3的要求,燃氣輪機注氮脫硝取得了成功。從2014年7月1日開始,通過注氮脫硝保證燃氣輪機的正常運行。

        3.1.2 開機期間NOx的控制

        燃氣輪機在運行中通過注氮可以降低NOx的生成,滿足NOx達標排放的要求,但是在開機期間會發(fā)生NOx超標的問題。燃氣輪機開機1 h內(nèi)NOx的檢測數(shù)據(jù)見表3。由表3可見:如果不控制燃氣輪機的開機時間,1 h內(nèi)NOx排放平均值將超過120 mg/m3,發(fā)生環(huán)保事件。

        表3 燃氣輪機開機1 h內(nèi)NOx的檢測數(shù)據(jù)

        地方環(huán)保部門對企業(yè)環(huán)保排放指標的考核是以1 h為單位,如果在1 h內(nèi)NOx排放平均值不超過120 mg/m3,視同達標排放。為了避免1 h內(nèi)NOx排放平均值超標,該公司在GE工程師的指導下,在開機期間采取了如下措施:

        (1)在開機前做好開機及注氮的準備工作,從點火至發(fā)電負荷20 MW的時間控制在15 min內(nèi)。

        (2)在15 min內(nèi)把燃氣輪機發(fā)電負荷從20 MW升至50 MW,在發(fā)電負荷50 MW時開始注氮,將ρ(NOx)超標的時間控制在15 min內(nèi)。

        (3)注氮后ρ(NOx)快速下降,將發(fā)電負荷穩(wěn)定在50 MW,1 h內(nèi)注氮時間30 min。

        通過采取上述措施,可以保證燃氣輪機在開機期間1 h內(nèi)NOx排放平均值合格,避免發(fā)生環(huán)保事件。

        開機1 h后,根據(jù)需要提高發(fā)電負荷,并同步增加注氮量,可以始終保證ρ(NOx)不超過120 mg/m3。

        3.1.3 注氮脫硝的運行成本

        IGCC電站配套的空分裝置為獨立空分,可提供148 000 m3/h粗氮氣,如果燃氣輪機不注氮,則這部分粗氮氣將放空。注氮需要通過氮氣壓縮機把氮氣壓力提升到2.4 MPa才能注入燃氣輪機燃燒室,氮氣壓縮機每小時電耗為9 800 kW·h,但這部分氮氣在燃氣輪機中參與做功,在同樣合成氣量的情況下使燃氣輪機的發(fā)電功率增大[10]。燃氣輪機注氮后,燃氣輪機的發(fā)電功率增加5.82%,余熱鍋爐的產(chǎn)汽量減少3.25%。以燃氣輪機發(fā)電功率為93 MW、余熱鍋爐產(chǎn)汽量為146 t/h為例,燃氣輪機發(fā)電功率增加5 412.6 kW,余熱鍋爐產(chǎn)汽量減少4.8 t/h。燃氣輪機注氮脫硝的運行成本見表4。由表4可見,燃氣輪機注氮脫硝每年的運行成本為2 250萬元,運行成本較高。

        表4 注氮脫硝的運行成本

        3.1.4 技術特點

        (1)燃氣輪機出廠時已經(jīng)安裝了注氮脫硝設備,設備投用后無需人工干預,正常運行時可以滿足IGCC電站NOx達標排放的要求;但是燃氣輪機開機時對操作的要求較高,一旦開機時間延長,容易導致1 h內(nèi)NOx排放平均值超標。

        (2)空分裝置是為IGCC氣化裝置配套的設備,由第三方運營,主要為氣化裝置提供純氧氣,如果燃氣輪機不注氮,148 000 m3/h的粗氮氣將放空,故粗氮氣的成本為零。但注氮壓縮機每小時9 800 kW·h的電耗需要公司承擔,故運行成本較高。

        3.2 余熱鍋爐SCR脫硝

        3.2.1 SCR脫硝性能要求

        根據(jù)IGCC電站NOx排放控制技術原理,IGCC電站也可以采用后燃燒處理進行脫硝,即在余熱鍋爐中安裝SCR脫硝設備,性能要求為:

        (1)考慮到國家環(huán)保標準越來越嚴格的趨勢,要求SCR脫硝設備出口煙氣NOx排放值小于等于50 mg/m3。

        (2)為了降低運行成本,氨的逃逸量要盡量低(小于等于2.5 mg/m3)。

        (3)由于燃氣輪機在發(fā)電負荷100 MW時排氣壓力達到2 500 Pa,已很接近報警值(3 982 Pa)。如果燃氣輪機發(fā)電負荷繼續(xù)升高,壓降增大,容易引起燃氣輪機跳機。同時壓降增大也導致燃氣輪機的效率降低。在環(huán)境溫度34 ℃時,燃氣輪機排氣壓力每增加1 000 Pa,發(fā)電功率下降0.7%[11]。故要求SCR脫硝系統(tǒng)總壓降不能大于1 000 Pa。

        3.2.2 SCR脫硝催化劑的選擇

        為了滿足上述3項脫硝性能要求,該公司與美國Cormetech公司、丹麥Topose公司及中國石化撫順石油化工研究院(中石化撫研院)進行了深入的技術交流,從技術指標和應用業(yè)績兩方面選擇催化劑。

        (1)從技術指標方面比較。Topose公司的催化劑用量為52 m3,SCR脫硝設備出口煙氣ρ(NOx)大于50 mg/m3,SCR脫硝系統(tǒng)總壓降大于1 000 Pa,故Topose公司的催化劑不適合本項目;中石化撫研院的催化劑用量為107 m3, SCR脫硝設備出口煙氣ρ(NOx)小于50 mg/m3,但正常工況和高負荷工況時SCR脫硝系統(tǒng)總壓降大于1 000 Pa,故也不合適本項目;Cormetech公司的催化劑用量為37 m3,SCR脫硝設備出口煙氣ρ(NOx)小于50 mg/m3,SCR脫硝系統(tǒng)總壓降小于1 000 Pa,合適本項目。

        (2)從應用業(yè)績方面比較。在燃氣輪機余熱鍋爐脫硝催化劑的應用裝置中,Cormetech公司的脫硝催化劑有751套,Topose公司有61套,中石化撫研院0套。

        因此,從技術指標和應用業(yè)績兩方面綜合選擇,該公司選用Cormetech公司脫硝催化劑作為余熱鍋爐SCR脫硝催化劑。

        3.2.3 SCR脫硝的運行驗證

        該公司于2019年1月完成了余熱鍋爐SCR脫硝設備爐內(nèi)構件的安裝,2019年4月15日SCR脫硝設備機械竣工,經(jīng)過1個月的調(diào)試,2019年5月15日SCR脫硝設備成功投用,2019年7月30日至8月2日對SCR脫銷設備進行了連續(xù)72 h的性能測試,測試數(shù)據(jù)見表5。由表5可見,余熱鍋爐SCR脫硝項目的性能測試數(shù)據(jù)符合設計要求,SCR出口ρ(NOx)小于50 mg/m3,余熱鍋爐SCR脫硝項目獲得了成功。從2019年8月3日開始,該IGCC電站采用余熱鍋爐SCR脫硝,停止了燃氣輪機注氮脫硝設備的運行。

        表5 余熱鍋爐脫硝項目性能測試數(shù)據(jù)

        3.2.4 SCR脫硝的運行成本

        根據(jù)性能測試,SCR脫硝系統(tǒng)總壓降為420 Pa,所以燃氣輪機排氣壓力相應提高了420 Pa。以燃氣輪機發(fā)電功率為93 MW為例,在同樣的合成氣流量情況下,發(fā)電功率減少273 kW。余熱鍋爐SCR脫硝的運行成本包括液氨的消耗成本、注氨風機的電耗、更換催化劑的成本、設備折舊費和因燃氣輪機發(fā)電功率下降而減少的發(fā)電量。SCR脫硝的運行成本見表6。由表6可見,余熱鍋爐SCR脫硝設備投用后,每年的運行成本為422萬元,運行成本較低。

        表6 SCR脫硝的運行成本

        3.2.5 技術特點

        (1)SCR脫硝的運行成本包括液氨的消耗成本、注氨風機的電耗、更換催化劑的成本和設備折舊費,雖然安裝SCR脫硝設備后燃氣輪機的排氣壓力升高,在相同合成氣流量的情況下燃氣輪機發(fā)電功率下降0.7%,但總的運行成本較低。

        (2)余熱鍋爐安裝SCR脫硝設備后,可以避免燃氣輪機開機期間1 h內(nèi)NOx排放平均值超標的問題。

        4 結(jié)論與建議

        a)安裝了注氮設備的燃氣輪機可以控制燃氣輪機排氣的ρ(NOx)小于90 mg/m3。但是,注氮用的氮氣壓縮機每小時電耗為9 800 kW·h,在同樣合成氣流量的情況下,雖然燃氣輪機發(fā)電量增加了5.82%,但每年的運行成本仍達2 250萬元。燃氣輪機注氮脫硝的運行成本較高。

        b)余熱鍋爐在設計時預留了安裝SCR脫硝設備的空間,可以在余熱鍋爐中安裝SCR脫硝設備降低煙氣的NOx排放量。經(jīng)過性能測試,SCR脫硝達到了設計要求,SCR出口ρ(NOx)小于50 mg/m3。與燃氣輪機注氮脫硝設備相比,余熱鍋爐SCR脫硝設備運行成本較低,每年的運行成本僅為422萬元。

        c)該公司IGCC電站擁有兩種脫硝設備,正常情況下投用余熱鍋爐SCR脫硝設備,運行成本較低,一旦SCR脫硝設備檢修或故障,也可以通過注氮降低燃氣輪機排氣的NOx排放量,使IGCC電站正常運行,保證了整個煉油廠的物料平衡。

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