降低擴散燃燒天然氣量達到減少N〇x污染物排放的技術研究和應用

梁建瑞，姜豐

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 100000）

過去幾年來，我國采取捆綁招標方式引進了大量Siemens公司 E、F級大型單軸燃氣輪機機組，其中我公司引進的E級燃氣輪機型號為為SGT5-2000E，該型燃氣輪機透平兩側安裝兩個環(huán)型燃燒筒，每個燃燒筒安裝8個干式低氮混合型燃燒器，每個燃燒器組件由擴散、預混、值班燃燒器組成，并根據不同的燃燒要求或燃燒工況進行切換。

1 Siemens SGT5-2000E型燃氣輪機設計下的干式低氮混合型燃燒器（圖1）

圖1

該型燃燒器的特點是：第一，為確保在任何負荷條件下機組不發(fā)生火焰熄滅故障，需要在燃燒器根部中心位置建立一個值班擴散火焰，要求的天然氣供給量不隨負荷的變化而變化，基本是恒定的，這個值班火焰的功能就是提供一個穩(wěn)定的點火源；第二，在高負荷下，大部分氣體燃料供入外圍的角向旋流器，與該旋流器進入的空氣均勻混合，形成均相預混的可燃氣體，隨后在火焰中心的燃燒空間中以湍流火焰?zhèn)鞑シ绞竭M行燃燒。由于這種火焰的溫度比較低，故能控制“熱力型NOX”的生成，該火焰的燃燒穩(wěn)定性則是依靠位于中心部位的兩層火焰來保證的。

圖2

圖2說明Siemens 公司的該型燃燒器在按照擴散火焰方式或預混火焰方式運行時，燃燒室內不同余氣系數（也就是反應溫度）的波及范圍。α=1．0時的理論燃燒溫度為2100℃，α=2．1時的平均溫度為1390℃。從圖中可以明顯的看到，當改為預混火焰的燃燒方式后，α＜1．0和 1．0＜α＜1．6的范圍將大大縮小，大部分地區(qū)為α＞1．6的低溫燃燒區(qū)，這必將大大降低“熱力型NOX”的生成。

圖3中為混合型燃燒器的燃氣輪機排氣中，NOX、CO含量隨機組負荷變化的關系曲線。

機組啟動0～50%負荷工況運行時，燃氣輪機壓氣機的進口導葉處于關閉狀態(tài)。這時，燃燒器是按照擴散火焰的方式運行，從圖3中可以看到，在0～50%負荷運行時，隨著燃氣透平的初溫t3提高，機組負荷逐漸提高，燃燒室的平均溫度也將升高，因而燃燒室的排氣中，NOX將隨之增大而CO將迅速下降。當機組的負荷超過50%后，壓氣機的進口導葉和前幾級可調導葉逐漸打開，它將使t3基本上維持恒定不變，而燃燒器則轉為均相預混方式運行。因而，NOX的排放量迅速下降，基本達到25ppm的水平，由于燃燒火焰的溫度已經超過1100℃，致使CO排放繼續(xù)維持在非常低的水平。

圖3

2 開展降低擴散燃燒天然氣量達到減少N〇X排放的技術研究和應用

如前文所述燃燒天然氣的燃氣輪機在燃燒器的中心部位建立了一個值班擴散火焰，這樣就在根部形成一個穩(wěn)定的點火源，以此確保在任何負荷下不會發(fā)生火焰熄滅的故障，而且供給值班火焰的燃料量是恒定的，不隨機組工況的改變而變化。可是機組在50%負荷前NOX排放量維持比較高，我們通過調整天然氣值班閥開度，但必須保證在任何工況負荷下不能發(fā)生火焰熄滅的故障，達到大幅度降低了NOX排放量，這樣的方案是可行的，以下是北京京能未來燃氣熱電有限公司聯(lián)合Siemens公司技術人員2017年4月份進行的燃氣輪機燃燒調整實驗。

天然氣值班閥調整前如表1所示。

圖4為天然氣值班閥調整前燃機負荷、燃機調節(jié)閥開度、值班閥開度、燃機排放NOX量、脫硝后鍋爐NOX排放量、脫硝系統(tǒng)氨水用量運行關系曲線。

天然氣值班閥調整后如表2所示。

圖5為天然氣值班閥調整后燃機負荷、燃機調節(jié)閥開度、值班閥開度、燃機排放NOX量、脫硝后鍋爐NOX排放量、脫硝系統(tǒng)氨水用量運行關系曲線。

圖4

圖5

經過本次調整實驗，在不喪失機組安全性的前提下，在同等負荷下減少了值班氣流量，值班氣流量的減少能降低火焰中心溫度，因此達到了降低NOX的目的。通過調整值班閥的開度，機組低負荷狀態(tài)下燃機氮氧化物排放從40mg/Nm3降低到30mg/m3左右，降幅達30%，經過脫硝系統(tǒng)后氮氧化物排放從15mg/Nm3降低到10mg/m3以下，降幅達30%，脫硝系統(tǒng)噴氨量也由63．9kg/h左右降低到約 40．7kg/h，初步估算節(jié)約 25%約5．4噸；機組高負荷狀態(tài)下燃機氮氧化物排放從47．2mg/Nm3降低到 28．6mg/m3左右，降幅達39%，經過脫硝系統(tǒng)后氮氧化物排放從15mg/Nm3降低到10mg/m3以下，降幅達30%，脫硝系統(tǒng)噴氨量也從106kg/h左右降低到約60kg/h，降幅達52%。初步估算每年機組運行節(jié)約25%分析純氨水19．2噸，每年折合節(jié)約氨水費用約25萬元，減少繳納排污費17萬元左右。

表1

表2

3 結語

在不喪失機組安全性的前提下，燃機燃料調節(jié)閥開度基本不變，在同等負荷下通過調整天然氣值班閥開度，減少值班氣流量則降低了火焰中心溫度，達到了大幅度降低NOx的目的。同時大量減少了脫銷系統(tǒng)氨水的使用量及污染物排污費。

因此在不喪失機組安全性的前提下，通過優(yōu)化燃機燃燒值班閥開度，是可以作為降低燃機污染物排放的一種有效手段。

參考文獻：

[1]清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所、深圳南山熱電股份有限公司編著．燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M]．

[2]《SGT5-2000E 燃氣輪機運行維護手冊》SGT5-2000E Gas Turbine．