CN209476010U - 一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，尿素脱硝系统包括尿素直喷系统，尿素直喷系统的喷枪设于燃气轮机至余热锅炉的过渡段处，余热锅炉内设有SCR反应模块；SCR反应模块上设有催化剂；尿素直喷系统通过喷枪将尿素喷至过渡段处进行热解，热解完成后在SCR反应模块上与NOx发生还原反应进行脱硝。本实用新型提供的基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统及方法，可提高尿素脱硝的运行可靠性，降低检修维护成本；缩短启动时间，提高经济效益；节省能耗，降低运行成本。

Description

一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统

技术领域

本实用新型涉及尿素脱硝技术领域，尤其涉及一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统。

背景技术

燃气-蒸汽联合循环是以燃气为高温工质、蒸汽为低温工质，由燃气轮机的排气作为蒸汽轮机装置循环的加热源的联合循环。燃气-蒸汽联合循环由于能较大幅度提高火力发电厂的热效率，并使污染问题获得解决，因而成为最有发展前途的发电技术。

目前，电厂烟气脱硝广泛应用的是NH₃-SCR工艺，采用尿素作为脱硝还原剂的工艺中，有两种比较成熟的技术：热解和水解。尿素热解是使用电加热器或燃烧产生高温烟气，送入热解炉内使尿素溶液热解得到氨气；而尿素水解技术是利用一定温度和压力的蒸汽在水解反应器内，使尿素溶液发生水解得到氨气。这两种尿素制氨技术都需要单独的热解或水解系统，不但系统复杂而且需消耗大量热源，能耗及运行成本较高，在一定程度上制约了在工程上的应用。

燃气轮机作为调峰机组具有高效、灵活的特点，然而现阶段采用热解炉系统的燃气轮机组，投运脱硝系统时耗时很长，无法快速喷入尿素，机组只能在低负荷工况下长时间等待，间接的削弱了燃机特有的快速启动的优势。同时现有热解炉系统中设置的喷氨格栅，很容易由于尿素热解不充分导致支管堵塞并且喷氨不均匀，增加尿素成本、氨逃逸量增大及检修维护成本高昂。而且目前大多数燃气轮机的性能保证工况是介于50％-100％负荷之间，因而环保部门对于NO_X排放超标的考核范围一般也是在此区间，于是电厂运行时为避免考核，在NO_X排放合格之前最高负荷只能升至50％额定，然而燃气轮机在这种低负荷工况下排烟温度较低，这种通过少量低温烟气加热整个热解炉系统的方式耗时很长，无法快速喷入尿素，就造成了燃气轮机升负荷与投脱硝热解系统之间互相制约的问题。

除此之外，传统热解炉系统中脱硝稀释风机输送的介质均为400-650℃的高温烟气，而脱硝稀释风机的轴承容易受热严重导致振动大停运，从而使得热解系统温度下降，喷入的尿素无法完全热解，形成结晶堵塞喷氨格栅支管，导致整个脱硝系统无法投运，造成NO_X排放超标的事故，在国内日益严峻的环保态势下很容易引起严重的社会影响，同时也会增加环保排污费用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中所述的缺陷，从而提供一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，该尿素脱硝系统可提高尿素脱硝的运行可靠性，降低检修维护成本；缩短启动时间，提高经济效益；节省能耗，降低运行成本。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，包括尿素直喷系统，所述尿素直喷系统的喷枪设于燃气轮机至余热锅炉的过渡段处，所述余热锅炉内设有SCR反应模块，所述SCR反应模块上设有催化剂；所述尿素直喷系统通过所述喷枪将尿素喷至所述过渡段处进行热解，热解完成后在所述 SCR反应模块上与NOx发生还原反应进行脱硝。

优选地：所述过渡段的通道内径向设有多个喷枪，每个喷枪的喷头均指向所述燃气轮机的排气方向，各个所述喷头的正投影均匀地布满整个所述过渡段的横截面。

优选地：所述喷枪内具有由内到外同轴设置的尿素溶液注入管道和雾化空气管道，所述尿素溶液注入管道的出口朝向所述燃气轮机的排气方向，所述雾化空气管道的出口环向所述尿素溶液注入管道的出口设置，所述雾化空气管道的出口处设有用以将尿素溶液雾化为液滴的旋流器。

进一步地：所述喷枪内还设有冷却空气管道，所述冷却空气管道套设于所述雾化空气管道的外侧，所述冷却空气管道的出口朝向所述所述燃气轮机的排气方向，用以隔离所述燃机排气的高温热量。

优选地：所述尿素溶液注入管道的进液口分别与并联设置的尿素母管和稀释水母管相连通，所述尿素母管与尿素供料部连接，所述稀释水母管与脱硝除盐水箱连接，所述稀释水母管上设有脱硝除盐水泵和减压阀，所述脱硝除盐水箱通过所述脱硝除盐水泵向所述稀释水母管泵送稀释水，并通过所述减压阀调节所述稀释水的压力。

进一步地：所述尿素母管上设有计量模块，以定量输送尿素；所述尿素注入管道的进液口处设有混合器，以将所述稀释水与所述尿素进行混合形成稳定液体混合物。

进一步地，所述尿素母管上还设有冲洗水支管，所述冲洗水支管的一端设于所述脱硝除盐水泵和减压阀之间，另一端与所述尿素母管的进液口连通。

一种采用上述尿素脱硝系统进行脱硝的方法，包括以下步骤：

(1)将尿素直喷系统的喷枪设于燃气轮机至余热锅炉的过渡段处，并监测所述余热锅炉内SCR反应模块的温度；

(2)当所述SCR反应模块的温度达到280℃及以上时，通过所述喷枪向所述过渡段处喷射尿素混合溶液；

(3)所述尿素混合溶液在所述过渡段处通过所述燃气轮机的高温尾气加热进行分解，分解后进入所述余热锅炉，经所述SCR反应模块与烟气中的NOx 发生还原反应，进行脱硝。

优选地：步骤(2)中所述喷枪在喷射尿素混合溶液之前先通入脱硝除盐水进行清洗，所述尿素混合溶液为尿素与脱硝除盐水的混合溶液，所述尿素混合溶液在冷却空气的环绕下以雾化的液滴形式喷入所述过渡段处。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

首先，本实用新型采用尿素直喷系统，无需配置脱硝稀释风机，每年可节省大量的风机运行成本，且其不受任何辅助设备的运行状况影响，尿素直接通过喷枪喷入过渡段热解，运行可靠性大大提升，由于取消了喷氨格栅的设置，避免了结晶堵塞的风险，减少了检修维护工作量，同时降低了因风机故障或喷氨格栅堵塞产生的检修维护成本；

其次，本申请相对于传统基于燃煤锅炉或内燃机进行脱硝的结构不同，本申请主要针对的是燃气轮机及余热锅炉的联合循环机组，且将尿素喷枪安装在燃机排气过渡段处，区别于传统设备将尿素向燃煤锅炉的炉内进行直喷，充分利用了过渡段为燃气轮机组的必需设备，便于安装尿素喷枪，无需额外增加余热锅炉尺寸，同时还可以省去传统余热锅炉中设置的喷氨格栅，降低工程造价，而且本申请将尿素喷枪安装在燃机排气过渡段处，过渡段处烟温最高，是尿素热解反应的最佳区域，该位置离SCR催化剂模块处有足够距离，便于尿素到达反应区前的完全热解。且还能利用燃机自身排气的旋流将尿素与热烟气充分混合，保证产生的NH₃能均匀分布于余热锅炉内。

再者，本实用新型将尿素喷枪安装在燃机排气过渡段处，相对于传统热解系统投运中热解炉出口温度需达到350℃以上才能避免尿素热解不充分在喷氨格栅支管道中结晶造成堵塞的必要条件来说，只需待余热锅炉内的SCR 反应模块前区域温度达到280℃以上即可快速喷入尿素，有效利用了燃机特有的快速启动的优势，机组无需在低负荷工况下长时间等待，大大缩短了原料投放时长，避免了燃机升负荷与投脱硝热解系统互相制约的问题；另外由于尿素直喷系统投运的条件是余热锅炉内SCR反应模块前区域温度达到280℃以上即可，本申请将尿素喷枪安装在燃机排气过渡段处，有效利用了燃机点火后所有的烟气全部排入余热锅炉内，整个炉内温度可以快速的上升的条件，相比传统热解系统，尿素直喷系统可以提前1小时让燃机负荷升至目标。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型一个实施例的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中过渡段处喷枪的分布截面图；

图3为本发明一个实施例所中喷枪的横截面。

附图标记说明：

1、尿素直喷系统；2、余热锅炉；3、过渡段；4、SCR反应模块；5、喷枪；51、尿素溶液注入管道；52、雾化空气管道；521、旋流器；53、冷却空气管道；6、尿素溶液注入管道；61、计量模块；7、稀释水管道；71、脱硝除盐水泵；72、减压阀；73、冲洗水支管；8、尿素供料部连接；9、脱硝除盐水箱；10、混合器。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本实用新型提供了一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，包括尿素直喷系统1，尿素直喷系统1的喷枪5设于燃气轮机至余热锅炉2的过渡段处3，余热锅炉2内设有SCR反应模块4，SCR反应模块4上设有催化剂；尿素直喷系统1通过喷枪将尿素喷至过渡段3处进行热解，热解完成后在SCR反应模块4上与NOx发生还原反应进行脱硝。

本实用新型采用尿素直喷系统1，无需配置脱硝稀释风机，每年可节省大量的风机运行成本，且其不受任何辅助设备的运行状况影响，尿素直接通过喷枪5喷入过渡段热解，运行可靠性大大提升，由于取消了喷氨格栅的设置，避免了结晶堵塞的风险，减少了检修维护工作量，同时降低了因风机故障或喷氨格栅堵塞产生的检修维护成本；其次，本实用新型将尿素喷枪5安装在燃机排气过渡段3处，相对于传统热解系统投运中热解炉出口温度需达到 350℃以上才能避免尿素热解不充分在喷氨格栅支管道中结晶造成堵塞的必要条件来说，只需待余热锅炉2内的SCR反应模块4前区域温度达到280℃以上即可快速喷入尿素，有效利用了燃机特有的快速启动的优势，机组无需在低负荷工况下长时间等待，大大缩短了原料投放时长，避免了燃机升负荷与投脱硝热解系统互相制约的问题；另外由于尿素直喷系统1投运的条件是余热锅炉2内SCR反应模块4前区域温度达到280℃以上即可，本申请将尿素喷枪5安装在燃机排气过渡段3处，有效利用了燃机点火后所有的烟气全部排入余热锅炉2内，整个炉内温度可以快速的上升的条件，相比传统热解系统，尿素直喷系统1可以提前1小时让燃机负荷升至目标。

其中，如图2所示，本申请的尿素直喷系统1的喷枪5设于燃气轮机至余热锅炉2的过渡段3处，燃机排气到余热锅炉2入口的过渡段3为圆柱形通道，为保证分解产生的氨气分布均匀，本实施例优选在过渡段3的通道内径向设置多个喷枪5，每个喷枪5的喷头均指向燃气轮机的排气方向，各个喷头的正投影均匀地布满整个所述过渡段3的横截面。即喷头将圆形横截面平均分为若干区域，若将每个喷枪5的扩散范围看成是一个圆形区域，则各个喷枪5便可均匀的喷射尿素溶液，通常在过渡段3处设置12根常用喷枪5 即可将整个圆形通道充满，设置好后在通过后续的数值模拟进行优化便可达到最佳喷发条件。本申请利用过渡段3作为喷枪5设置位置，一方面是因为过渡段3为燃气轮机组的必需设备，且这部分空间也方便安装尿素喷枪5，另外过渡段3为圆柱形通道，空间形状十分规整，利于喷入尿素时浓度分布的均匀性，不会造成大量的氨逃逸。

当然，如图3所示，为了进一步保证尿素分解产生的氨气分布均匀，本申请还在喷枪5内设置尿素溶液注入管道51，并在尿素溶液注入管道51外同轴套设雾化空气管道52，尿素溶液注入管51道的出口朝向燃气轮机的排气方向，雾化空气管道52的出口环向尿素溶液注入管道51的出口设置，雾化空气管道52的出口处设有用以将尿素溶液雾化为液滴的旋流器521。雾化空气管道52可以喷出雾化空气，雾化空气能冲击尿素溶液形成微小液滴，便于快速受热分解，且经雾化后喷出的尿素溶液呈圆锥形状扩散，经后期数值模拟进行优化便可达到最佳喷发条件。为了保证在较短的时间、距离内能够热解生成NH₃和HNCO气体，并与烟气中的氮氧化物混合均匀，可以在雾化空气管道52上设置手动调节阀(未在图中示出)，通过手动调节阀调节雾化空气的力度，以得到合适的雾化粒径。

虽然过渡段3的温度较高，可以使得喷枪5喷发的尿素直接分解掉，但是喷枪5的结构形式决定了尿素的热解效果，若直接喷发，则会存在尿素喷发不均匀，分解不完全的情况，而过高的温度也会使得喷枪5管道内气液两相介质模糊，降低雾化效果，因此本申请在喷枪5内还设有冷却空气管道53，冷却空气管道53套设于雾化空气管道52的外侧，冷却空气管道53的出口朝向燃气轮机的排气方向，用以隔离燃机排气的高温热量，保证尿素被喷出时有良好的雾化效果。

其中，尿素溶液注入管道51的进液口处分别连通有并联设置的尿素母管6和稀释水母管7，尿素母管6与尿素供料部8连接，稀释水母管7与脱硝除盐水箱9连接，稀释水母管7上设有脱硝除盐水泵71和减压阀72，脱硝除盐水箱9通过脱硝除盐水泵71向稀释水母管7泵送稀释水，并通过减压阀72调节稀释水的压力，减压阀72与手动调节阀相互配合，以得到合适粒径的雾化颗粒，保证在较短的时间、距离内能够热解生成NH₃和HNCO 气体，并与烟气中的氮氧化物混合均匀。

尿素母管6上设有计量模块61，以定量输送尿素；尿素注入管道5的进液口处设有混合器10，以将稀释水与尿素进行混合形成稳定液体混合物，保证在各种工况下，管道内始终有稳定的液体流过，防止尿素结晶堵塞管道。

由于使用后不清洗或者其他原因，尿素会在喷枪5上结晶堵塞枪口，因此本申请还可以在尿素母管6上还设有冲洗水支管73，该冲洗水支管73为设于脱硝除盐水泵71和减压阀72之间的稀释水母管7的支管，该冲洗水支管73的另一端设置在尿素母管6的进液口处。

在尿素喷枪5的结构、数量及布置方式初步设定后，开始进行数值模拟计算，分别计算烟道内压力场、速度场、烟道内温度场、氨浓度场，分析烟道内阻力、温升及氨浓度分布情况。针对项目烟气流速分布、温度分布、 NO_X/NH₃分布进行模拟，进一步优化尿素喷枪安装位置及雾化空气、稀释水压力。

本申请还提供了一种采用上述尿素脱硝系统进行脱硝的方法，包括以下步骤：

(1)将尿素直喷系统1的喷枪5设于燃气轮机至余热锅炉2的过渡段3 处，并监测余热锅炉3内SCR反应模块4的温度；

(2)当SCR反应模块4的温度达到280℃及以上时，通过喷枪5向过渡段处3喷射尿素混合溶液；

(3)尿素混合溶液在过渡段3处通过燃气轮机的高温尾气加热进行分解，分解后进入余热锅炉2，经SCR反应模块4与烟气中的NOx发生还原反应，进行脱硝。

其中步骤(2)中喷枪5在喷射尿素混合溶液之前先通入脱硝除盐水进行清洗，尿素混合溶液为尿素与脱硝除盐水的混合溶液，尿素混合溶液在冷却空气的环绕下以雾化的液滴形式喷入过渡段处。

下面给出本申请的实验效果：

(1)以北京某厂单台额定370MW负荷燃机为例，相比传统热解系统，本申请可以提前1个小时让燃机负荷升至额定，以单台370MW额定负荷燃机为例，配有本申请所述尿素脱硝系统的燃气轮机每次启动可多发电量 92.5MWh；另一方面机组联合循环效率在75％负荷下相比50％负荷要高，平均供电气耗降低约0.02Nm³/KWh，则每次启动可节省天然气耗量0.185万Nm³，具体计算方法如下：

Q＝Δq*n＝(277.5MW-185MW)*1h＝92.5MWh；

L＝0.02Nm³/KWh*92.5MWh＝0.185万Nm³；

以现阶段发电用天然气价格以2.62元/Nm³，发电利润拟以0.1元/KWh 计算，则每次启动可增加利润共1.41万元：

π＝Q*0.15+L*2.41＝92.5MWh*0.1元/KWh+0.185万 Nm³*2.62元 /Nm3＝1.41万元；

若以年启动次数40次计算，则设置本身去的尿素脱硝系统时，单台燃机每年可增加利润56.4万元：

π＝40*1.41万元＝56.4万元；

(2)传统尿素热解系统在机组运行期间，高温风机需保持持续运行，一台高温风机功率为75KW，以年运行6000h计算，高温风机耗电量可达 450000KWh。而尿素直喷系统不需配置高温风机，以电费0.5元/KWh计算，即每年可节省共22.5万元运行成本：

π＝450000KWh*0.5元/KWh＝22.5万元；

由此可以看出，采用本申请基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统及方法，可提高尿素脱硝的运行可靠性，降低检修维护成本；缩短启动时间，提高经济效益；节省能耗，降低运行成本。

以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，包括尿素直喷系统，所述尿素直喷系统的喷枪设于燃气轮机至余热锅炉的过渡段处，所述余热锅炉内设有SCR反应模块，所述SCR反应模块上设有催化剂；所述尿素直喷系统通过所述喷枪将尿素喷至所述过渡段处进行热解，热解完成后在所述SCR反应模块上与NOx发生还原反应进行脱硝。

2.根据权利要求1所述基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，所述过渡段的通道内径向设有多个喷枪，每个喷枪的喷头均指向所述燃气轮机的排气方向，各个所述喷头的正投影均匀地布满整个所述过渡段的横截面。

3.根据权利要求1所述基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，所述喷枪内具有由内到外同轴设置的尿素溶液注入管道和雾化空气管道，所述尿素溶液注入管道的出口朝向所述燃气轮机的排气方向，所述雾化空气管道的出口环向所述尿素溶液注入管道的出口设置，所述雾化空气管道的出口处设有用以将尿素溶液雾化为液滴的旋流器。

4.根据权利要求3所述基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，所述喷枪内还设有冷却空气管道，所述冷却空气管道套设于所述雾化空气管道的外侧，所述冷却空气管道的出口朝向所述燃气轮机的排气方向，用以隔离所述燃气轮机排气的高温热量。

5.根据权利要求3所述基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，所述尿素溶液注入管道的进液口分别与并联设置的尿素母管和稀释水母管相连通，所述尿素母管与尿素供料部连接，所述稀释水母管与脱硝除盐水箱连接，所述稀释水母管上设有脱硝除盐水泵和减压阀，所述脱硝除盐水箱通过所述脱硝除盐水泵向所述稀释水母管泵送稀释水，并通过所述减压阀调节所述稀释水的压力。

6.根据权利要求5所述基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，所述尿素母管上设有计量模块，以定量输送尿素；所述尿素注入管道的进液口处设有混合器，以将所述稀释水与所述尿素进行混合形成稳定液体混合物。

7.根据权利要求5所述基于燃气蒸汽联合循环机组的尿素脱硝系统，其特征在于，所述尿素母管上还设有冲洗水支管，所述冲洗水支管的一端设于所述脱硝除盐水泵和减压阀之间，另一端与所述尿素母管的进液口连通。