燃氣輪機脫硝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

大氣網(wǎng)訊:摘要：隨著燃氣輪機的快速發(fā)展及其裝機總量的不斷提升,燃氣輪機NOx排放控制技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注。匯總分析了國內(nèi)外NOx排放標(biāo)準(zhǔn)以及主要的NOx控制技術(shù)。選擇性催化還原(SCR)技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的尾部煙氣脫硝技術(shù),但因燃氣輪機的煙氣NOx含量低且氧含量高,余熱鍋爐空間結(jié)構(gòu)狹窄等特點,傳統(tǒng)SCR催化劑難以直接應(yīng)用。詳細介紹了燃氣機組SCR脫硝催化劑應(yīng)用現(xiàn)狀和國內(nèi)外相關(guān)研究進展,研究發(fā)現(xiàn)低溫活性和抗水性是燃機脫硝催化劑的重要研究方向。

1 國內(nèi)外燃氣輪機脫硝現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代，燃氣輪機技術(shù)在世界上迅速發(fā)展，由于其高效率、低污染、大功率等特點，該技術(shù)在眾多發(fā)達國家中廣泛應(yīng)用。美國電力協(xié)會年度報告顯示，近期新增裝機中，天然氣發(fā)電占總裝機容量的43%?！短烊粴獍l(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確了2020年天然氣發(fā)電裝機規(guī)模達到1. 1 億kW 以上，占發(fā)電總裝機比例超過5%。大量燃氣聯(lián)合循環(huán)機組的新增，以及NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，必然會對燃機脫硝技術(shù)提出更高的要求。

燃氣輪機的主要污染物為燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物( NOx) 。2011年發(fā)布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求燃氣機組的NOx排放濃度<50mg /m3。在排放要求更為嚴(yán)格的區(qū)域，如北京，NOx排放則要求在30mg /m3以下。美國新能源性能標(biāo)準(zhǔn)( NSPS)要求重型燃機NOx排放濃度<30 mg /m3。由于不同型號燃機的燃燒方式不同，NOx的排放濃度也不同。對于9FA/B 型燃機，均采用DLN技術(shù)，NOx排放濃度可滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。而9E、6B 型燃機的燃燒方式為擴散燃燒，其NOx排放濃度可達160～220mg /m3，遠超環(huán)保規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。目前國外的大型燃機機組，通常采用DLN 燃燒器加SCR 脫硝系統(tǒng)，NOx排放濃度<5 μL/L。

2 燃機系統(tǒng)主要脫硝技術(shù)及特點

燃機脫硝方式可以分為兩類: 一類是燃燒過程中降低NOx生成，如燃燒時注水或蒸汽法、端部貧燃料燃燒( lean head end，LHE) 、干式低NOx燃燒技術(shù)( DLN) 等; 另一類是尾部煙氣脫硝技術(shù)，主要有SCR和SNCR，其中SCR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于火電廠。

2.1 燃燒過程中降低NOx的方法

2.1.1 燃燒時注水或蒸汽

該技術(shù)原理為向燃燒器的高溫燃燒區(qū)內(nèi)注入水或蒸汽，通過水和蒸汽對熱量的吸收作用降低該區(qū)域的溫度，從而減少熱力型NOx的產(chǎn)生。水燃料比是最重要的參數(shù)之一，其過低時達不到NOx減排效果，過高時不完全燃燒產(chǎn)物CO和未燃盡的碳氫化合物( UHC) 的增多，則會嚴(yán)重影響燃機效率。Wei等采用直接在缸內(nèi)注水的方法，在水燃料比為0.15 的條件下，NOx排放減少5%。另一種方法是缸前加水，這種方法被用在不同種類的內(nèi)燃機，如柴油機。

2.1.2 干式低NOx燃燒技術(shù)

DLN技術(shù)通過設(shè)計改進燃燒器以及控制空氣/燃料比和其他過程變量，以實現(xiàn)控制燃燒反應(yīng)的峰值溫度，從而減少NOx的生成。但隨著燃燒溫度的降低，燃燒火焰的穩(wěn)定性降低，CO及UHC排放隨之增加，燃機效率下降。周國興等通過對現(xiàn)有300 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組進行改造，改用DLN1.0燃燒系統(tǒng)后，實測NOx排放體積分?jǐn)?shù)<1.0×10-5，完全滿足燃氣機組NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 尾部煙氣脫硝

目前，SCR技術(shù)為最廣泛使用的尾部煙氣脫硝技術(shù)。在催化劑作用下，SCR系統(tǒng)選擇性地使氨( NH3)和氧( O2) 與燃機廢氣中的NOx反應(yīng)，形成分子氮( N2) 和水( H2O) ，從而降低氮氧化物排放。具體反應(yīng)如下:

4NO + 4NH3 + O2 →4N2 + 6H2O ( 1)

NO + NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O ( 2)

3NO2 + 4NH3 →7N2 + 6H2O ( 3)

反應(yīng)式( 1) 為主導(dǎo)反應(yīng)，稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。當(dāng)煙氣中含有NO2時，會發(fā)生反應(yīng)式( 2) 和反應(yīng)式(3) ，其中式( 3) 的反應(yīng)速率遠小于式( 1) 和式( 2) ，反應(yīng)式( 2) 被稱為快速SCR反應(yīng)。石曉燕等研究指出，當(dāng)煙氣中NOx中NO2的比例逐漸增大時，催化劑的NOx轉(zhuǎn)化率隨之增大，低溫段下的增加趨勢更加明顯，但隨著NO2比例增大，N2O的生成量明顯增加，研究結(jié)果顯示，在NO2 /NOx = 0.5、反應(yīng)溫度為250 ℃條件下N2O產(chǎn)生量最多。Long等也表明，NH3同NO2+NO的反應(yīng)速率遠高于NH3同NO的反應(yīng)速率，在低溫條件下NO向NO2的轉(zhuǎn)化可以提高SCR脫硝效果。

3 燃機SCR脫硝催化劑性能研究進展

催化劑是SCR 系統(tǒng)中的核心技術(shù)，目前絕大部分工業(yè)脫硝催化劑采用釩鈦基催化劑( V2O5 /TiO2、V2O5-WO3 /TiO2、V2O5-MO3/TiO2等) 。由于V2O5具有較大毒性，且后續(xù)處理困難，因此研究新的適合燃機的催化劑具有重要意義。與燃煤機組不同，燃機排氣中NO2含量很高。實際運行情況表明，根據(jù)燃機工況及燃燒方式的不同，NO2可能會占到煙氣總體積NOx含量的50%以上。高的NO2含量可以促進快速SCR反應(yīng)，進而增加NOx的轉(zhuǎn)化率。此外，燃氣輪機尾氣中的煙塵和SO2含量極低，幾乎可以忽略不計，因此不需要考慮催化劑阻塞和中毒的問題。但同時，燃機排氣中NOx濃度遠低于燃煤機組，燃氣機組啟停速度快，溫度及煙氣NOx濃度變化梯度大，這對催化劑性能提出了更高的要求。除此之外，燃機余熱鍋爐通?？臻g狹窄，對噴氨系統(tǒng)要求較高，故考慮將SCR 系統(tǒng)布置于尾部低溫段。需要注意的是，系統(tǒng)燃機排氣中水分含量較高，因此選用的催化劑需要有較好的抗水性。

3.1 國內(nèi)催化劑應(yīng)用進展

目前國內(nèi)燃機催化劑大多仍為進口，如丹麥托普索生產(chǎn)的V/W/TiO2波紋板式催化劑，在300 ～ 350 ℃具有90%以上的效率，在國內(nèi)脫硝催化劑供應(yīng)市場占有率較高。日本三菱日立生產(chǎn)的SCR脫硝催化劑( 板式和蜂窩式) ，對于燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組，最大脫硝效率可達95%，具有很好的穩(wěn)定性和抗中毒性。

近幾年，眾多國內(nèi)環(huán)保企業(yè)也加快燃機脫硝催化劑的研發(fā)進程。如江蘇龍源生產(chǎn)的60 孔V/W/Ti-Ox燃機脫硝催化劑，在300 ～ 350 ℃可以達到90%以上的脫硝效率，完全滿足國內(nèi)燃機脫硝的要求。青島華拓生產(chǎn)的蜂窩式脫硝催化劑在320 ～ 380 ℃脫硝效率達到81. 8% ～ 91. 4%，同樣達到了國際先進技術(shù)水平。

3.2 燃機催化劑研究進展

考慮到燃氣機組及其余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點和運行方式，燃機催化劑必須具有較高的低溫活性和較強的抗水性，且比表面積大，機械強度高。相關(guān)研究主要有以下幾個方面:

3.2.1 錳基脫硝催化劑

黃妍通過浸漬法制備了Mn-Fe-Ce /TiO2催化劑，結(jié)果表明，120℃ 時在空速5000h-1下可實現(xiàn)97.8%的效率。在110%水汽條件下效率基本不變，表明該催化劑有較好的抗水性。該催化劑有望應(yīng)用于基本不含SO2的燃氣鍋爐煙氣的脫硝。

Qiao等通過單步燃燒制備的Mn2Co1Ox催化劑，在150～ 300℃范圍內(nèi)實現(xiàn)100%NOx轉(zhuǎn)化率，在200℃、10%H2O的條件下，NOx轉(zhuǎn)化率維持在100%，具有較高的低溫活性以及抗水性。催化劑的多孔結(jié)構(gòu)、大比表面積以及豐富的Mn4+、Co3+和表面吸附氧均有利于脫硝活性。

3.2.2 銅基脫硝催化劑

Min 等[12]通過共沉淀法制備了Cu-Mn催化劑試驗顯示: n( Mn) /n( Cu) >25時，催化劑在50～200℃時NOx轉(zhuǎn)化率接近100%，且有較好的抗H2O性。BET和XRD表征結(jié)果顯示: Cu-Mn催化劑的催化活性主要取決于比表面積和結(jié)晶特性。

Jiang等通過溶劑熱法合成Cu-MOF-74-iso-80( 共溶劑為異丙醇，制備溫度80℃) ，在230℃下具有97.8%的NO轉(zhuǎn)化率和100%的N2選擇性。表征結(jié)果顯示，Cu-MOF-74 具有較大的比表面積和較強的NH3吸附能力。通入5%H2O時催化劑活性有一定程度的降低，但隨著H2O的移除，NOx轉(zhuǎn)化率迅速恢復(fù)。

3.2.3 鐵基脫硝催化劑

馬萬軍等以FeSO4為活性材料，摻雜一定量的WO3的銳鈦礦型TiO2，制備了燃機用鐵基硫酸鹽催化劑。應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示: 硫酸鐵鹽催化劑脫硝效率最高僅為60. 77%，可能與所處溫度較低以及實際煙氣NOx濃度低有關(guān)。

Qi 等通過傳統(tǒng)離子交換法制備了Fe-ZSM-5催化劑，并研究了摻雜Pt、Rh和Pd對催化劑活性的影響。研究表明: Pt /Fe-ZSM-5 催化劑效果最好，在250℃、11000h-1空速的條件下NOx轉(zhuǎn)化率達到90%以上，且通入2.5%H2O和285mg /m3SO2，催化劑活性變化不大，但N2選擇性略有下降。

3.2.4 釩基脫硝催化劑

Du 等通過浸澤法制備了V2O5 /TiO2催化劑，研究了Sb和Nb摻雜對催化劑性能的影響。結(jié)果表明，S 和Nb都可以增加催化劑對H2O和K2O的抗性，二者同時負載時效率更高。實驗結(jié)果顯示，溫度在350℃ 時，通入15% H2O的條件下，NOx轉(zhuǎn)化率>85%，溫度在350℃以下時效率不佳。

王志民等研發(fā)的低溫脫硝催化劑，以TiO2摻雜Al2O3、SiO2或ZrO2中的一種或多種為載體，以玻璃纖維為骨架，以釩復(fù)合鎢、鉬、鈰、錳、鈮或磷中的一種或多種為活性組分，在150～300℃溫度范圍內(nèi)保持85%以上的NOx轉(zhuǎn)化率，且具有較強的抗水性，在低溫下可長期使用。

亞太環(huán)保開發(fā)的蜂窩催化劑，TiO2載體摻雜V2O5與WO3，在200 ℃脫硝效率穩(wěn)定在85%以上，SO2轉(zhuǎn)化率<1%，氨逃逸率<2.3mg /m3，且抗中毒性能高。

4 結(jié)論與建議

SCR 技術(shù)是最廣泛應(yīng)用于煙氣后脫硝技術(shù)，而目前對適用于燃氣輪機的SCR 催化劑的研究仍較少。相比燃煤機組，燃氣輪機的煙氣具有其顯著特征，研究出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適合燃氣機組的脫硝催化劑十分重要，本文提出以下幾點建議:

1) 燃氣輪機煙氣的NOx濃度遠低于燃煤機組，

在低濃度下具有較高脫硝效率的催化劑需進一步研究。

2) 燃氣輪機煙氣最低溫度遠低于燃煤機組，進一步提升SCR 催化劑的低溫活性是一個重要研究方面。

3) 相比燃煤機組，燃氣機組煙氣中SO2可忽略不計，但煙氣中H2O含量較高，因此所研究的催化劑需有較好的抗水性。