楼宇型燃气分布式能源系统SCR脱硝应用研究

王学勤 ， 朱文 堃 ，徐静静，江婷，胡永锋

（1.中国华电集团有限公司上海公司，上海市 浦东新区 200126；2.华电分布式能源工程技术有限公司，北京市 丰台区 100070）

0 引言

随着能源需求以及能源与环境的矛盾不断深化，燃气分布式能源(natural gas distributed energy，NGDE)系统先在美国推广并逐渐被其他国家所接受，并率先在发达国家得到快速发展。随着能源市场机制的完善以及可持续发展战略的实施，NGDE系统迅猛的发展，目前美国、欧洲、日本及韩国等国家技术较为先进。

在我国，20世纪90年代末开始积极推动分布式能源的发展，在2003年国内陆续开始建设分布式能源站，先后建成北京燃气大厦调度中心、上海浦东机场、上海黄浦区中心医院等NGDE项目。2011年《关于发展天然气分布式能源的指导意见》的发布以及发展NGDE被写入“十二五”能源发展规划，标志着发展NGDE被正式纳入国家能源发展战略。2014年国家发展改革委、住房和城乡建设部、国家能源局等三部委联合发布《燃气分布式能源示范项目实施细则》，标志着行业已规范发展；2015年中共中央、国务院出台《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》，开启了行业发展新篇；2017年国家发改委印发《加快推进天然气利用的意见》，NGDE发展正式进入快速发展时期。

1 燃气分布式能源(NGDE)

NGDE系统是相对于传统的集中式能源生产与供应模式而言的，是就近直接向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统，便于实现能源综合梯级利用，在具有更高能源利用率的同时还具有更高供能安全性以及更好的环保性能[1-3]。NGDE适用于具有稳定基础电力负荷、冷暖负荷且年运行时间较长的工业园区、商业综合体、医院、宾馆、写字楼、机场、数据中心等。本文研究的楼宇式 NGDE系统是以内燃机或微燃机为动力设备，通过配套相关的余热利用机组产生冷热水，向楼宇建筑内供应空调冷热水、生活热水及电力供应的能源供应系统[4-7]。

随着《打赢蓝天保卫战三年行动计划》和《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》的不断推进，燃气分布式能源站的脱硝改造工作要求日趋严格。NOx一直被认为是造成环境污染的主要物质之一，NOx排放控制是环境污染治理的重点和难点，其危害主要有酸雨作用、诱发光化学烟雾、温室效应和光化学反应等。目前国内内燃机排放标准执行的是汽车发动机的排放标准，NOx排放指标为500 mg/m3，虽然设备厂家提供的内燃机设备 NOx排放质量浓度为250 mg/m3，但随着环保要求的不断提高，以内燃机为原动机的楼宇型NGDE项目的脱硝改造势在必行。

图1 SCR 烟气脱硝反应原理Fig. 1 SCR flue gas denitrification reaction principle

2 选择性催化还原法(SCR)脱硝工艺

能源项目脱硝改造中，国际上普遍采用烟气脱硝，因为烟气脱硝具有较高的脱硝效率，脱硝后的烟气完全符合NOx的国家排放标准。一般在我国常用的烟气脱硝是选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)脱硝技术，SCR烟气脱硝技术的脱硝效率达到90%以上，在国内外应用较多，技术程度高，氨逃逸率较低[8-9]，因此SCR烟气脱硝技术是燃煤机组、燃气机组烟气脱硝的主要应用技术之一。

2.1 SCR 烟气脱硝工艺原理

SCR烟气脱硝技术主要指利用 NH3等还原剂，在特定的温度环境中，利用催化剂，将烟气的 NOx催化还原为 N2和 H2O，再排放到大气中的技术。SCR脱硝原理如图1所示。脱硝系统中的还原剂为碳氢化合物(如 CH4、C3H6等)、NH3、尿素(CH4N2O)等，在大规模工业应用的还原剂主要是NH3(氨)，其次是CH4N2O(尿素)。SCR脱硝技术的主要反应方程式[10-11]为：

燃烧反应产生的烟气NOx主要以NO的形式存在(95%以上)，其中式(1)的反应在较窄的温度范围内(980 ℃左右)进行，但是加入催化剂，反应温度则可扩展到很大的范围内，例如钒钨钛脱硝催化剂的温度范围为270～420 ℃，分子筛脱硝催化剂的温度范围为390～600 ℃。在进行催化还原的过程中，还可能发生如下的副反应[11]：

NH3的分解反应发生在350℃以上，在300 ℃以下时会发生NH3氧化成N2的副反应，在230 ℃以下容易引起 NH3与 SO3反应生成 NH4HSO4或(NH4)2SO4，反应温度的控制较为关键；但是一般在天然气分布式能源项目中，尾部烟气不存在SOx，反应(6)和(7)不会发生。

2.2 SCR 烟气脱硝效率的主要影响因素

在 SCR脱硝工艺中，影响脱硝效率(即脱硝系统进、出口的NOx质量浓度差与脱硝系统进口NOx质量浓度的比值)的因素主要有：反应温度、反应时间、NH3/NOx摩尔比、催化剂等[12-15]。

1）反应温度。

存在一个最佳反应温度使脱硝效率达到最大，因为当温度过高导致催化剂变形，减少有效接触面积，降低脱硝效率，而当温度过低，NH3和NO2反应生成NH4NO3，该产物会堵塞催化剂，降低脱硝效率。

2）NH3/NOx摩尔比。

和反应温度一样，存在一个最佳的混合比使脱硝效率达到最大，当混合比由小逐渐增大(即NH3量不断增加)，提高了催化剂上 NH3的吸附量，推动反应平衡向反应正方向移动，提高脱硝效率；当混合比过大时，过量NH3的副反应速率加快，例如反应式(3)所示，本质上降低了脱硝效率，增加了氨逃逸，造成再次污染。因此根据进口NOx质量浓度值进行合理调整，通常NH3/NOx摩尔比选择为1.2以下。

3）催化剂。

脱硝催化剂的类型多样，需要根据具体应用环境确定使用何种催化剂，不同SCR脱硝催化剂对比见表 1。催化剂在反应中容易失去活性，失活直接影响到脱硝效率，造成催化剂失去活性既有运行工况的影响也有烟气有毒成分的影响，例如催化剂的烧结、砷、钙、磷、碱金属中毒及水的毒化；催化剂中毒是烟气脱硝过程中的关键问题，根据具体的运行环境，制定科学合理的方案，对延长催化剂寿命至关重要。SCR脱硝催化剂的结构形式对脱硝效率也有较大的影响，要根据具体条件选取特定结构的催化剂，达到预定的脱硝效率。

表1 不同SCR脱硝催化剂Tab. 1 Different SCR denitration catalysts

3 楼宇型分布式能源项目的脱硝应用

以北京某楼宇型分布式能源站为例介绍脱硝改造应用效果，能源站主要为某办公商业建筑群供能，该建筑群的地上建筑面积约17万m2，地下建筑面积约8万m2；项目装机按“以冷热定电、欠匹配”的原则进行确定，装机配置为 2台3 349 kW燃气内燃发电机组+2台2 907 kW烟气热水溴化锂机组+2台3 489 kW溴化锂直燃机组+2台1 784 kW螺杆式水冷机组+1套1 500 kW冷塔供冷系统+35m3生活热水蓄热系统。项目建成后，实现最大供冷能力为 16 360 kW，供热能力为11 704 kW，生活热水供应能力为3 500 kW，完全可以实现该建筑群的能源供应。

3.1 工艺流程

该项目的系统流程为：天然气先在内燃机发电机组内进行燃烧发电，内燃机产生的高温烟气及缸套水、高温中冷水进入烟气热水混合型溴化锂机组，根据用户的需求产生空调冷热水以及生活热水，完成冷、热、电及生活热水四联供。系统也配备相应的调峰机组，当用户的冷热负荷需求大于内燃机组所能提供的最大负荷时，启动调峰机组进行调峰，满足楼宇群的基本用能负荷。

该分布式能源项目自从投运以来，机组NOx排放质量浓度约 500～700 mg/m3(标态，干基，5%O2)，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，必须对系统进行脱硝改造。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。

3.2 SCR 脱硝系统

本项目要求机组烟气中 NOx质量浓度降至30 mg/m3(干基，5%O2)以内，在无法对内燃机燃烧结构进行减排改造的情况下，并保证运行安全，选择采用颗粒尿素为脱硝还原剂的 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。

具体工作流程：将储存于储存间的干尿素，用软化水溶解成约20%质量分数的尿素溶液，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NH3、H2O和CO2，分解产物NH3与烟气中的 NOx在催化剂的作用下生成 N2与 H2O，完成脱硝过程，脱硝系统工艺流程如图2所示。

图2 能源站脱硝工艺流程Fig. 2 Energy station denitration process flow

3.3 技术方案

在项目方案设计中，借鉴传统火电厂的烟气脱硝方案，采用商用钒钨钛蜂窝式催化剂，但内燃机烟气温度远高于钒钨钛脱硝催化剂运行温度。因此在内燃机出口后设置了稀释冷却风，以降低烟温，满足催化剂运行温度要求，但是降温后的烟气对于余热回收利用不利，经济效益不乐观，不采用此方案。经过进一步调研论证，提出了现有工艺方案：考虑到能源站内燃机烟气中SO2体积分数小于 10-5，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SO2体积分数低于10-5)，该方案适合能源站的脱硝改造，钒钨钛催化剂和分子筛催化剂的特性对比见表2。

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，简单易操作，保证流场稳定，脱硝高效。SCR脱硝后的烟气温降约为 16 ℃，脱硝后的烟气进入烟气溴化锂机组；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，脱硝烟气设计参数见表3。

表2 催化剂特点对比分析Tab. 2 Comparative analysis of catalyst characteristics

表3 脱硝烟气设计参数Tab. 3 Denitration flue gas design parameters

3.4 运行效果

本项目在改造前烟气排放 NOx质量浓度实际为500～700 mg/m3(标态，干基，5%O2)，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质量浓度小于30 mg/m3(标态，干基，5%O2)，NH3逃逸量≤2.5 mg/m3(标态、干基、5%O2)，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排放值为25.4 mg/m3，脱硝过程中系统压降小于1 000 Pa，催化剂化学寿命超过24 000 h，单台机组尿素耗量小于6.0 kg/h，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NGDE系统的清洁低碳排放，SCR脱硝系统排放指标见表4。

表4 SCR 脱硝前后烟气参数Tab. 4 Flue gas parameters before and after denitration by SCR

4 结论

基于内燃机式的 NGDE系统的烟气脱硝技术成功应用后，不仅取得了良好的脱硝效果，而且该技术为其他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。

本文分析了高温 SCR脱硝系统在楼宇型分布式能源系统应用的可能性。通过借鉴火电厂脱硝技术，在小型 MW级 NGDE系统得到成功应用后，脱硝效率达到95%以上，脱硝效果良好。该分布式能源站脱硝改造后，排放指标低于标准要求值，节能环保效益显著，为脱硝技术发展提供一个新的可能。作为新一代适用于分布式能源站项目的脱硝技术，为我国燃气分布式能源站烟气污染治理提供一种全新的解决路径。