低熱值燃料燃?xì)廨啓C燃燒特性及技術(shù)優(yōu)化

范洪武

摘要：低熱值燃?xì)廨啓C具有燃料成本低、能源轉(zhuǎn)化效率高等特點。但由于其燃料特性復(fù)雜，在實際運行中存在諸多問題。本文通過介紹低熱值燃料燃?xì)廨啓C發(fā)電技術(shù)，探索其燃燒特性，并提出了有針對性的技術(shù)優(yōu)化措施以滿足低熱值燃料燃機穩(wěn)定運行的要求。

關(guān)鍵詞：低熱值燃料;燃燒特性;燃?xì)廨啓C;聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

中圖分類號：TK16 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1001-828X（2019）015-0370-02

引言

低熱值燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)最早起源于美國，早在上世紀(jì)70年代，美國就已經(jīng)建造了多座運用鋼廠高爐煤氣為原料的燃?xì)廨啓CCCPP項目。在國內(nèi)，低熱值燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)最早在寶鋼145MW燃?xì)獍l(fā)電項目中實施落地，選用的為三菱公司的重型燃?xì)廨啓C。之后的十多年，相繼有十幾家國內(nèi)鋼鐵企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)實際需要，落地了多個低熱值燃?xì)廨啓CCCPP項目。

在技術(shù)方案上，低熱值燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)具有極好的燃料適應(yīng)性，因此對燃?xì)廨啓C的技術(shù)要求也更高。不僅需要能適應(yīng)普通高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、合成氣及天然氣，同時對于燃燒調(diào)整、熱通道部件的檢修也提出了極高的要求。本文以燃用低熱值蘭炭合成尾氣的上海電力哈密燃?xì)獍l(fā)電項目為例，通過一系列設(shè)備改造、系統(tǒng)調(diào)試及運行經(jīng)驗的積累，探索低熱值燃料燃?xì)廨啓C燃燒特性及其技術(shù)優(yōu)化。

一、低熱值燃料燃?xì)廨啓C發(fā)電技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C主要以天然氣和輕餾油為燃料。作為非標(biāo)型燃?xì)廨啓C則主要以中低熱值可燃?xì)怏w為燃料。中低熱值燃料是指煤化工/生物質(zhì)化氣體、石化尾氣、高爐氣/轉(zhuǎn)爐氣、焦?fàn)t氣/煤熱解氣等，以CO和H2為主要可燃成分，其熱值通常在3-17MJ/Nm³之間。哈密燃機項目選用的機型為美國通用公司的PG9171E型燃?xì)廨啓C低熱值版，項目以煤化工蘭炭伴生尾氣為主要燃料，燃料熱值為6.3-7.6 MJ/Nm³，分子量約為26，屬于典型的低熱值可燃?xì)?。（見?）

蘭炭尾氣主要燃燒成分為CO與H2，在制備上屬于工藝副產(chǎn)物，生產(chǎn)過程中會殘留大量的雜質(zhì)，如焦油、灰塵、水分、苯、萘、氨、硫等成分，其潔凈度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足燃?xì)廨啓C燃燒的規(guī)范要求。因此在工藝上游，配置了整套尾氣凈化裝置。

9E燃機要求進(jìn)口燃?xì)鈮毫Ρ仨殱M足2.35Mpa，尾氣供應(yīng)母管壓力僅為5Kpa，為了滿足進(jìn)口壓力的要求，哈密低熱值蘭炭尾氣CCPP項目主機采用燃?xì)廨啓C加煤壓機的運行方式。布置方式為燃?xì)廨啓C、發(fā)電機及兩級三段煤壓機同軸布置。

在主要工藝流程上，燃?xì)廨啓C啟動初期以輕油為主燃料進(jìn)行啟動，通過變速齒輪箱帶動煤壓機在燃機3000rpm運行時，能達(dá)到5316rpm。在此過程中，煤氣通過前置預(yù)處理及凈化單元調(diào)整后進(jìn)入煤壓機，通過三段增壓，加壓到2.46MPa、150℃，此時增壓煤氣壓力達(dá)到燃機燃燒的要求。燃機以輕油為主燃料升負(fù)荷，進(jìn)行輕油至煤氣的燃料切換，煤氣經(jīng)煤氣調(diào)壓控制閥組進(jìn)入燃燒室。在燃燒室中，煤氣以較大的過?？諝庀禂?shù)進(jìn)行燃燒。煤氣在燃燒室中燃燒后產(chǎn)生溫度為1125℃的高溫高壓煙氣送至燃?xì)廨啓C驅(qū)動透平作功。燃?xì)馔钙阶鞴Ξa(chǎn)生的功率除驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電外，還驅(qū)動煤氣壓縮機及空氣壓縮機做功，扣除所消耗的功率及其它損失后，發(fā)電機的額定輸出功率為101.25Mw。燃機透平出口排煙溫度538℃，正常情況下，煙氣直接進(jìn)入余熱鍋爐，特殊情況下，可通過旁路煙囪直接排人大氣。煙氣進(jìn)入余熱鍋爐后，與鍋爐中的汽水介質(zhì)進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生兩種參數(shù)的蒸汽，其中，高壓蒸汽額定發(fā)生量198t/h、8.163MPa（絕壓）、512℃，低壓蒸汽額定發(fā)生量53t/h、0.411MPa（絕壓）、181℃。兩種蒸汽直接送入汽輪機作功，發(fā)電機端額定輸出功率68.2MW。

二、低熱值燃料的燃燒特性

1.燃燒方式的選擇

與天然氣和輕油為燃料不同，低熱值燃?xì)庠谌紵^程中，具有難以點燃和控制，燃燒時容易出現(xiàn)回火和熄火現(xiàn)象，穩(wěn)燃難度更大。以項目中選用的低熱值蘭炭尾氣為例，其CO的含量較高，因此在燃用過程中著火下限較高，點火更為困難。同時因為含有一定比例的H2，在低負(fù)荷狀態(tài)下，更容易出現(xiàn)回火及燃燒振蕩等現(xiàn)象。正是由于低熱值燃?xì)獾倪@一燃燒特性，如果采用燃料一空氣預(yù)混方式的干式低NOX（DLN）燃燒技術(shù)，很容易出現(xiàn)噴嘴內(nèi)自燃及回火的現(xiàn)象。鑒于低熱值DLN燃燒器技術(shù)尚不成熟，為了實現(xiàn)低熱值燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒，一般均選用擴散燃燒器。在擴散燃燒方式下，由于燃?xì)饪扇汲煞秩紵龝r絕熱火焰分度較高，局部燃燒溫度高，極易導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中的氮氧化物含量排放偏高。

2.排放問題的解決

解決在擴散燃燒方式中大量生成NOX的問題，一般主要按照其生成機理的不同有兩大類方法可供選擇：

（1）主要對燃燒器內(nèi)部進(jìn)行改造，增設(shè)燃燒器內(nèi)稀釋劑噴注管道。通過在低熱值尾氣中摻混N2等惰性氣體，或者進(jìn)行回注飽和蒸汽、及燃燒器內(nèi)噴水等噴注稀釋劑降低燃燒溫度的方式，降低絕熱火焰的溫度，控制燃燒過程中熱力型NOX的生成量。

（2）在燃機排煙側(cè)加裝煙氣催化還原凈化裝置，在催化劑的作用下，使煙氣中的NOX被還原成N2。

在這兩種方式中，第二種方式不僅設(shè)備投資高，后期維護(hù)成本及使用成本也極高，因此哈密燃機項目現(xiàn)場采用燃燒室內(nèi)蒸汽回注的方式。實踐表明，通過回注降低燃燒溫度，可以有效控制在燃燒過程中NOX的生成量，以達(dá)到優(yōu)異的煙氣排放指標(biāo)。

三、低熱值燃料燃?xì)廨啓C燃燒技術(shù)優(yōu)化

1.優(yōu)化燃料切換工況點

由于低熱值燃?xì)獾娜剂咸匦元毺?，在燃機帶負(fù)荷后的燃料切換（由輕油為主燃料在線切換至低熱值尾氣為主燃料）工況點的選擇上，需進(jìn)行多次試驗及數(shù)據(jù)比對。（見表2）

燃機排煙分散度是反映燃燒室內(nèi)火焰穩(wěn)定及燃燒均衡與否的重要指標(biāo)。通過對不同切換工況點的數(shù)據(jù)比對，綜合分析得出：

（1）在低負(fù)荷段進(jìn)行燃料切換，由于主燃料閥在燃機燃料基準(zhǔn)沖程（FsR）的影響下，開度較小。因此導(dǎo)致燃燒室內(nèi)形成弱旋轉(zhuǎn)射流，導(dǎo)致擴散火焰強度較低，燃燒穩(wěn)定性較差。

（2）提升切換工況點后，隨著主燃料閥開度變大，燃燒室內(nèi)形成強旋轉(zhuǎn)射流，能有效提升擴散火焰強度，燃燒穩(wěn)定性也隨之提升。

（3）燃料切換工況點的選取存在負(fù)荷拐點。在高負(fù)荷段進(jìn)行燃燒切換時，雖然由于主燃料閥處于大開度，燃燒室內(nèi)強旋轉(zhuǎn)射流與助燃空氣混合度強，燃燒強度更強。但由于燃機進(jìn)口導(dǎo)葉處于大開度，燃機壓氣機出口壓比及空氣流量增大，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)產(chǎn)生劇烈的燃燒脈動。燃燒處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。

由此可以得出，在30MW負(fù)荷下，燃?xì)庠谌紵覂?nèi)形成強旋轉(zhuǎn)射流，壓氣機排氣壓力與流量處于最佳燃燒配比，燃?xì)庵饻囟雀?，燃燒處于最穩(wěn)定的狀態(tài)。也因此是最為理想的燃料切換點。

2.優(yōu)化燃燒系統(tǒng)

低熱值燃?xì)鉄嶂颠h(yuǎn)低于普通天然氣，為了向燃燒室提供相同當(dāng)量的化學(xué)能來驅(qū)動燃機透平，需要供應(yīng)更多的燃料。普通燃機在燃用天然氣時燃料占進(jìn)入燃燒室的空氣總量約為2.3%，燃用低熱值燃?xì)獾娜紮C其燃料占比則高達(dá)12.7%。因此為了能加大燃料供應(yīng)量，對燃機擴散噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化。擴大了燃料管管徑，同時根據(jù)配比按比例擴大清吹管道管徑。燃燒器噴嘴采用旋流式，在燃燒過程中加強了燃?xì)夂涂諝獾幕旌?，使得燃?xì)庵械腃O能在燃燒器內(nèi)完全氧化，加速火焰的擴散。能在短時間內(nèi)形成高強度、高穩(wěn)定性和均衡燃燒的擴散火焰。

在燃用低熱值燃?xì)鈺r，由于擴散火焰強度大，燃燒室出口煙氣量增大，長期運行將導(dǎo)致透平一級靜葉使用壽命大大降低。為了防止葉片可能出現(xiàn)的燒毀現(xiàn)象，低熱值燃機透平一級靜葉及動葉較標(biāo)準(zhǔn)機型更大，葉片內(nèi)部空氣冷卻流道通流量更大。有效保證了透平高溫葉片的使用壽命。

3.優(yōu)化蒸汽回注控制方式

根據(jù)GE公司重型燃機維護(hù)指導(dǎo)書的內(nèi)容，燃燒室內(nèi)蒸汽回注雖然能有效降低燃燒室溫度，控制煙氣中NOX的排放量，但對熱通道部件也會帶來極大的損傷。如不控制蒸汽回注量，長時間運行后，將導(dǎo)致燃燒噴嘴燒蝕、透平動靜葉涂層產(chǎn)生裂紋剝落等現(xiàn)象。任何熱通道部件的損傷都將嚴(yán)重影響燃燒的穩(wěn)定性。因此為了能保證低熱值燃?xì)馐冀K處于穩(wěn)定燃燒的狀態(tài)、保障燃機長時間穩(wěn)定運行，需要選擇蒸汽回注的方式。

低熱值燃機蒸汽回注系統(tǒng)分為干式控制與濕式控制兩種形式。在基本負(fù)荷狀態(tài)下，通過蒸汽回注來有效降低燃燒室溫度的方式，稱之為干式控制。通過蒸汽回注，來控制燃燒室溫度恒定以提升燃機帶負(fù)荷能力的方式，稱之為濕式控制。在干式控制狀態(tài)下，燃機煙氣NOX排放指標(biāo)有效降低，熱通道部件壽命影響較小。而在濕式控制狀態(tài)下，燃機NOX排放指標(biāo)無明顯降低，除了帶負(fù)荷能力提升外，熱通道部件壽命顯著下降。

同時，蒸汽回注流量與燃料量之比也存在效率拐點。經(jīng)過大量運行數(shù)據(jù)驗證，當(dāng)回注蒸汽壓力為22.1 bar、溫度為260℃時，最佳蒸汽回注流量與燃料量之比為5.2%。蒸汽回注最佳運行方式為采用干式控制法。

四、結(jié)語

我國煤炭能源稟賦優(yōu)越，煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，每年都產(chǎn)生大量的低熱值煤氣。由于低熱值燃?xì)馄淙剂咸匦詮?fù)雜，因此大多未被有效的進(jìn)行利用，造成能源的巨大浪費。而低熱值燃料燃機，在原有燃機發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各低熱值燃?xì)馊剂咸匦缘牟煌ㄟ^燃燒方式的調(diào)整優(yōu)化、燃燒系統(tǒng)的改造及控制方式的優(yōu)化，從而有效的解決了其著火難、燃燒不穩(wěn)定、排放高等問題，實現(xiàn)了低熱值燃料燃?xì)廨啓C的穩(wěn)定運行。作為工藝成熟、理念先進(jìn)的技術(shù)路線，在我國日益提倡能源高效利用的大背景下，必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。