降低擴(kuò)散燃燒天然氣量達(dá)到減少N〇x污染物排放的技術(shù)研究和應(yīng)用

梁建瑞，姜豐

（北京京能未來燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?100000）

過去幾年來，我國采取捆綁招標(biāo)方式引進(jìn)了大量Siemens公司 E、F級(jí)大型單軸燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，其中我公司引進(jìn)的E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)為為SGT5-2000E，該型燃?xì)廨啓C(jī)透平兩側(cè)安裝兩個(gè)環(huán)型燃燒筒，每個(gè)燃燒筒安裝8個(gè)干式低氮混合型燃燒器，每個(gè)燃燒器組件由擴(kuò)散、預(yù)混、值班燃燒器組成，并根據(jù)不同的燃燒要求或燃燒工況進(jìn)行切換。

1 Siemens SGT5-2000E型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)下的干式低氮混合型燃燒器（圖1）

圖1

該型燃燒器的特點(diǎn)是：第一，為確保在任何負(fù)荷條件下機(jī)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(gè)值班擴(kuò)散火焰，要求的天然氣供給量不隨負(fù)荷的變化而變化，基本是恒定的，這個(gè)值班火焰的功能就是提供一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源；第二，在高負(fù)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(jìn)入的空氣均勻混合，形成均相預(yù)混的可燃?xì)怏w，隨后在火焰中心的燃燒空間中以湍流火焰?zhèn)鞑シ绞竭M(jìn)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(kuò)散火焰方式或預(yù)混火焰方式運(yùn)行時(shí)，燃燒室內(nèi)不同余氣系數(shù)（也就是反應(yīng)溫度）的波及范圍。α=1．0時(shí)的理論燃燒溫度為2100℃，α=2．1時(shí)的平均溫度為1390℃。從圖中可以明顯的看到，當(dāng)改為預(yù)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?xì)廨啓C(jī)排氣中，NOX、CO含量隨機(jī)組負(fù)荷變化的關(guān)系曲線。

機(jī)組啟動(dòng)0～50%負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉處于關(guān)閉狀態(tài)。這時(shí)，燃燒器是按照擴(kuò)散火焰的方式運(yùn)行，從圖3中可以看到，在0～50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，隨著燃?xì)馔钙降某鯗豻3提高，機(jī)組負(fù)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(dāng)機(jī)組的負(fù)荷超過50%后，壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉和前幾級(jí)可調(diào)導(dǎo)葉逐漸打開，它將使t3基本上維持恒定不變，而燃燒器則轉(zhuǎn)為均相預(yù)混方式運(yùn)行。因而，NOX的排放量迅速下降，基本達(dá)到25ppm的水平，由于燃燒火焰的溫度已經(jīng)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(kuò)散燃燒天然氣量達(dá)到減少N〇X排放的技術(shù)研究和應(yīng)用

如前文所述燃燒天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)在燃燒器的中心部位建立了一個(gè)值班擴(kuò)散火焰，這樣就在根部形成一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源，以此確保在任何負(fù)荷下不會(huì)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(jī)組工況的改變而變化?？墒菣C(jī)組在50%負(fù)荷前NOX排放量維持比較高，我們通過調(diào)整天然氣值班閥開度，但必須保證在任何工況負(fù)荷下不能發(fā)生火焰熄滅的故障，達(dá)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?xì)鉄犭娪邢薰韭?lián)合Siemens公司技術(shù)人員2017年4月份進(jìn)行的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整實(shí)驗(yàn)。

天然氣值班閥調(diào)整前如表1所示。

圖4為天然氣值班閥調(diào)整前燃機(jī)負(fù)荷、燃機(jī)調(diào)節(jié)閥開度、值班閥開度、燃機(jī)排放NOX量、脫硝后鍋爐NOX排放量、脫硝系統(tǒng)氨水用量運(yùn)行關(guān)系曲線。

天然氣值班閥調(diào)整后如表2所示。

圖5為天然氣值班閥調(diào)整后燃機(jī)負(fù)荷、燃機(jī)調(diào)節(jié)閥開度、值班閥開度、燃機(jī)排放NOX量、脫硝后鍋爐NOX排放量、脫硝系統(tǒng)氨水用量運(yùn)行關(guān)系曲線。

圖4

圖5

經(jīng)過本次調(diào)整實(shí)驗(yàn)，在不喪失機(jī)組安全性的前提下，在同等負(fù)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(dá)到了降低NOX的目的。通過調(diào)整值班閥的開度，機(jī)組低負(fù)荷狀態(tài)下燃機(jī)氮氧化物排放從40mg/Nm3降低到30mg/m3左右，降幅達(dá)30%，經(jīng)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(dá)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(jī)組高負(fù)荷狀態(tài)下燃機(jī)氮氧化物排放從47．2mg/Nm3降低到 28．6mg/m3左右，降幅達(dá)39%，經(jīng)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(dá)30%，脫硝系統(tǒng)噴氨量也從106kg/h左右降低到約60kg/h，降幅達(dá)52%。初步估算每年機(jī)組運(yùn)行節(jié)約25%分析純氨水19．2噸，每年折合節(jié)約氨水費(fèi)用約25萬元，減少繳納排污費(fèi)17萬元左右。

表1

表2

3 結(jié)語

在不喪失機(jī)組安全性的前提下，燃機(jī)燃料調(diào)節(jié)閥開度基本不變，在同等負(fù)荷下通過調(diào)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(dá)到了大幅度降低NOx的目的。同時(shí)大量減少了脫銷系統(tǒng)氨水的使用量及污染物排污費(fèi)。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]清華大學(xué)熱能工程系動(dòng)力機(jī)械與工程研究所、深圳南山熱電股份有限公司編著．燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)裝置[M]．

[2]《SGT5-2000E 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》SGT5-2000E Gas Turbine．