某F型燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放濃度的影響因素分析*

楊愛勇 舒喜 劉志坦 申智勇 王凱 李玉剛

(國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司 南京 210031)

0 引言

近年來燃煤機(jī)組加速推進(jìn)超低排放改造工作，排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)與《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)中燃?xì)鈾C(jī)組要求相同。燃?xì)鈾C(jī)組的NOx排放濃度若折算到相同含氧量，則是燃煤機(jī)組的2.5倍；若折算到單位發(fā)電量污染物排放量，則是燃煤機(jī)組的約1.5倍。因此，降低燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)成為大勢所趨?！豆潭ㄊ饺?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/847—2011)、《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/810—2018)等地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放質(zhì)量濃度限值為30 mg/m3(本文中所有質(zhì)量濃度的狀態(tài)均為標(biāo)態(tài)、干基、6%O2)。2018年4月深圳出臺了《2018年“深圳藍(lán)”可持續(xù)行動計劃》，要求燃?xì)怆姀S2018年11月前全部完成改造。《深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量提升補(bǔ)貼辦法(2018—2020年)》(深人環(huán)[2018]581號)提出，NOx排放質(zhì)量濃度不高于15 mg/m3[1]。

為達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，燃?xì)鈾C(jī)組需要采取低氮燃燒器、SCR等改造方式降低NOx排放。摸清現(xiàn)有燃?xì)鈾C(jī)組NOx排放濃度的影響因素及規(guī)律，對于確定燃?xì)鈾C(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)、選擇最優(yōu)的減排技術(shù)措施并實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放都具有重要意義。

本文以某電廠典型的西門子SGT5-4000F(4+)機(jī)組為例，通過對在線歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，分析影響該類型機(jī)組NOx排放的相關(guān)因素及規(guī)律。該機(jī)型燃機(jī)簡單循環(huán)額定出力為293.02 MW，聯(lián)合循環(huán)額定出力為432 MW(純凝工況下)。燃燒室類型為逆時針布置的環(huán)型燃燒室，燃燒器數(shù)量為24個，配備干式低NOx混合型燃燒器。天然氣來源為西氣東輸，N2體積分?jǐn)?shù)為0.967%。

1 影響NOx排放的因素

燃燒過程中生成的 NOx主要有燃料型、熱力型及快速型等3 種。對于燃?xì)廨啓C(jī)，一般認(rèn)為NOx排放中熱力型占絕大部分，其次是快速型，燃料型占比最低[2-3]。熱力型NOx一般不會在火焰面上生成，而是在火焰下游的高溫區(qū)生成，與氧氣濃度、火焰溫度及在高溫區(qū)的停留時間成正比。影響燃?xì)鈾C(jī)組NOx排放濃度的因素很多，大體可歸結(jié)為以下4個方面影響：

(1)內(nèi)在因素

①燃燒器結(jié)構(gòu)與燃燒方式：不同燃機(jī)廠家的燃燒器結(jié)構(gòu)不同，NOx排放有極大差異；同一廠家機(jī)型的不同型號燃燒器之間也有一定差異，特別是安裝干式低氮燃燒器等降氮裝置前后[4]。目前GE、西門子、三菱重工均采用干式低氮燃燒技術(shù)(簡稱DLN)，控制燃燒火焰溫度以抑制NOx生成。

②制造安裝質(zhì)量：同一電廠相同的燃機(jī)由于安裝和調(diào)試水平受人為影響，因此也存在一定差異，且存在高者恒高、低者恒低的總體趨勢。

(2)外部因素

主要是燃料與空氣的狀態(tài)，如空氣溫度與濕度、燃料溫度與成分、壓力等因素[2,5-7]，也會對燃機(jī)NOx排放有較大影響。

(3)運(yùn)行因素

①機(jī)組負(fù)荷：在不同負(fù)荷階段，燃燒方式及狀態(tài)都不同，對NOx排放影響較大，特別是在啟停機(jī)階段。

②設(shè)備老化：隨著設(shè)備老化，燃?xì)廨啓C(jī)的各種通流間隙、密封間隙效果變差，導(dǎo)致發(fā)生各種泄漏，改變空燃比，進(jìn)而影響NOx的生成量，因此設(shè)備標(biāo)定周期、檢修狀況也有一定影響。

③燃燒運(yùn)行控制水平：在燃燒調(diào)整和運(yùn)行水平方面，需要優(yōu)先保證燃燒穩(wěn)定，調(diào)控各級燃料和空氣分配，因此不同水平的運(yùn)行人員和燃燒器廠家技術(shù)支持人員對于NOx排放也有一定影響。

(4)其他因素

需要注意的是，CEMS中氧量、NOx等參數(shù)測量的精確性以及取樣方式對NOx排放濃度的顯示值有較大影響。

由于燃燒器結(jié)構(gòu)、制造安裝質(zhì)量、燃燒運(yùn)行水平、設(shè)備老化等影響因素需要大量機(jī)組長時間對比分析且難以量化，在一定時間內(nèi)假定以上設(shè)備因素的影響可以忽略，本文分析某電廠西門子SGT5-4000F(4+)機(jī)型時僅針對負(fù)荷、環(huán)境溫度、濕度與NOx排放濃度之間的規(guī)律。

2 數(shù)據(jù)選取原則

從CEMS和DCS系統(tǒng)中導(dǎo)出近一年的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間隔為1 h，如圖1和圖2所示。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、分析的合理性以及量化表征的需要，對數(shù)據(jù)作如下處理：

(1)溫度、含濕量、負(fù)荷率均根據(jù)情況分組，溫度以1 ℃為一組(如16 ℃對應(yīng)15.5～16.5 ℃的數(shù)據(jù))，負(fù)荷率以2%為一組(如80%對應(yīng)79%～81%的數(shù)據(jù))，含濕量以0.1%為一組。

(2)去除缺失數(shù)據(jù)、啟動與停機(jī)階段數(shù)據(jù)。

(3)去除NOx數(shù)據(jù)明顯不合理的數(shù)據(jù)區(qū)間：以圖1為例，2#機(jī)組NOx質(zhì)量濃度基本在20～45 mg/m3之間，1#機(jī)組7月以后的NOx質(zhì)量濃度長時間低于20 mg/m3甚至接近零值，這與2#機(jī)組、1#機(jī)組7月前數(shù)據(jù)及常規(guī)認(rèn)知明顯不符，因此可以認(rèn)為1#機(jī)組7月以后數(shù)據(jù)存在偏差，本次以2#機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)作為分析樣板。

(a)1#機(jī)組

(4)去除O2體積分?jǐn)?shù)明顯不合理的數(shù)據(jù)：以圖2為例，6—8月的O2體積分?jǐn)?shù)波動明顯異常，對NOx折算質(zhì)量濃度有較大影響，為提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，剔除6—8月的數(shù)據(jù)。

(a)隨時間變化

(5)剔除少于5個數(shù)據(jù)點(diǎn)的分組，減少個別不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的影響，提高分析的可靠性。

(6)由于在線數(shù)據(jù)中缺少NO2的數(shù)據(jù)，本文中的NOx數(shù)據(jù)中NO2的數(shù)據(jù)按恒定比例考慮。

3 燃機(jī)負(fù)荷對NOx排放的影響

煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨燃機(jī)負(fù)荷率等級的分布如圖3所示，圖中圓點(diǎn)為區(qū)間平均值，短線為標(biāo)準(zhǔn)差。可以看出，燃機(jī)負(fù)荷率與NOx質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，這與之前研究相符[8]。當(dāng)負(fù)荷率從74%增大到100%時，NOx質(zhì)量濃度從(25.2±2.8)mg/m3增加到(32.4±2.9)mg/m3，增幅約30%。一般認(rèn)為是由于負(fù)荷率越高，燃燒區(qū)溫度更高，因此熱力型NOx質(zhì)量濃度會有一定程度增加。當(dāng)負(fù)荷率大于90%時，NOx質(zhì)量濃度不再明顯變化。

圖3 煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨燃機(jī)負(fù)荷率等級的分布

需要注意的是，由于缺少70%以下負(fù)荷運(yùn)行的數(shù)據(jù)，對于該區(qū)間NOx質(zhì)量濃度需要更多進(jìn)一步分析。

4 環(huán)境溫度對NOx排放的影響

煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨溫度等級的分布如圖4所示，圖中圓點(diǎn)為區(qū)間平均值，短線為標(biāo)準(zhǔn)差。由圖可以看出，隨著環(huán)境溫度升高，NOx質(zhì)量濃度呈降低趨勢，在26 ℃左右時達(dá)到最低值；之后隨著環(huán)境溫度升高，NOx質(zhì)量濃度增加趨勢明顯。

圖4 煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨溫度等級的分布

一般認(rèn)為大氣溫度增加后，燃機(jī)燃燒溫度會有小幅增加，隨著燃燒溫度的上升，燃機(jī)熱力性NOx生成量增加，NOx排放應(yīng)呈增加趨勢。也有研究認(rèn)為環(huán)境溫度升高，NOx呈降低趨勢[8]，該趨勢與環(huán)境相對濕度和蒸氣量相對密度有一定關(guān)系[9]。

考慮到燃機(jī)功率與環(huán)境溫度相關(guān)，排除燃機(jī)功率對NOx排放增加的影響，分負(fù)荷率區(qū)間分析溫度的影響。3個典型負(fù)荷率區(qū)間下NOx質(zhì)量濃度與環(huán)境溫度之間的變化關(guān)系如圖5所示，圖中數(shù)據(jù)為區(qū)間平均值。

由于環(huán)境溫度與燃機(jī)的最大負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，以及電力需求等因素，圖5中高負(fù)荷率區(qū)間缺少高環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)，低負(fù)荷率區(qū)間缺少低環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)。

圖5 在80%，86%，92%負(fù)荷率等級區(qū)間下煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨溫度等級變化的分布

從圖5中可看出，在不同的負(fù)荷率區(qū)間，NOx質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出隨環(huán)境溫度的升高先降低后升高的現(xiàn)象。初步分析低溫環(huán)境下NOx質(zhì)量濃度更高的原因主要有兩方面：首先是空氣中含水量低，導(dǎo)致NOx質(zhì)量濃度升高；其次是環(huán)境溫度低時會導(dǎo)致壓氣機(jī)出口壓力升高(根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，可從約1.6 MPa升高到2.0 MPa)，壓氣機(jī)出口壓力升高會提高NOx排放濃度[2]。高溫環(huán)境下NOx質(zhì)量濃度更高則應(yīng)是燃燒區(qū)溫度更高，導(dǎo)致熱力型NOx質(zhì)量濃度升高所致。

同時從圖5中也可以看出，不同負(fù)荷率區(qū)間最適宜的環(huán)境溫度有一定差異，隨著負(fù)荷率增加，最適宜的溫度區(qū)間向低溫區(qū)域移動。負(fù)荷率越高，在環(huán)境溫度較高時更容易導(dǎo)致NOx大幅增加。

因此，通過控制環(huán)境空氣溫度是可以降低燃機(jī)NOx排放濃度的，但是最優(yōu)的溫度范圍與負(fù)荷有一定關(guān)系。通過對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高冬季的空氣溫度，不僅可以提高燃機(jī)機(jī)組效率和設(shè)備穩(wěn)定性，也可以一定程度降低NOx排放；在夏季降低空氣溫度可以在提高燃機(jī)負(fù)荷的同時降低NOx排放。

5 環(huán)境濕度對NOx排放的影響

早期燃?xì)廨啓C(jī)通常采用向燃燒室注水或蒸氣的方式來降低擴(kuò)散火焰的溫度，減少熱力型NOx生成，同時火焰中水蒸氣的存在降低了CH5+的濃度，抑制快速型NOx生成，以達(dá)到降低NOx排放[10-11]，但該方式會對燃燒的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

隨著預(yù)混燃燒和旋流穩(wěn)定燃燒器技術(shù)的發(fā)展，燃燒穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高，可接受的蒸氣與空氣質(zhì)量比也在不斷增大，未來采用注入蒸氣等增濕技術(shù)降低NOx排放以及使用高氫含量燃?xì)獬蔀橐环N可能[2，12-14]。

文中采用水蒸氣體積比(或含水率、含濕量等)來量化空氣中的水蒸氣，即水蒸氣分壓與大氣壓的百分比，其中水蒸氣分壓由環(huán)境溫度、相對濕度計算得出。

煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨空氣水蒸氣體積比等級的分布如圖6所示，圖中圓點(diǎn)為區(qū)間平均值，短線為標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯?，隨著空氣中水蒸氣體積比升高，NOx質(zhì)量濃度整體呈降低趨勢，這與先前研究基本相符[5]。在空氣中水蒸氣體積比為2.6%時，NOx質(zhì)量濃度達(dá)到最低值(22.3±1.8)mg，降幅約35%。

圖6 煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨空氣中水蒸氣體積比等級的分布

3個典型負(fù)荷率區(qū)間下NOx質(zhì)量濃度與水蒸氣體積比之間的變化關(guān)系如圖7所示，圖中數(shù)據(jù)為區(qū)間平均值。由于水蒸氣體積比的上限與環(huán)境溫度呈正相關(guān)，而負(fù)荷率與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)，因此圖7中高負(fù)荷率區(qū)間缺少高水蒸氣體積比(即高溫環(huán)境)的數(shù)據(jù)，低負(fù)荷率區(qū)間缺少低水蒸氣體積比(即低溫環(huán)境)的數(shù)據(jù)。

圖7 在80%，86%，92%負(fù)荷率區(qū)間下煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨空氣中水蒸氣體積比等級變化的分布

從圖7可以看出，在各負(fù)荷率區(qū)間，隨著水蒸氣體積比增大，NOx質(zhì)量濃度整體均呈降低趨勢，由于環(huán)境溫度等因素的影響，部分區(qū)域存在波動。

因此，適當(dāng)提高空氣中的水蒸氣體積比是一種輔助降低NOx的技術(shù)手段。目前燃燒器一般配備預(yù)混燃燒器，可通過增大燃?xì)饣蚩諝庵械乃拷档蚇Ox。根據(jù)研究成果，兩種方式對氮氧化物的降低幅度無明顯差異，但是前者CO排放更低[15]，且不同增濕方式也會有一定影響[16]。未來采用該方式應(yīng)該根據(jù)具體機(jī)型開展優(yōu)化實驗研究，以確定最優(yōu)方式。

6 結(jié)語

本研究僅分析了一臺西門子SGT5-4000F(4+)機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)的規(guī)律不一定適用于其他機(jī)型或其他地區(qū)相同機(jī)型的燃機(jī)。

需要注意的是，空氣中水蒸氣體積比極值和機(jī)組最大運(yùn)行負(fù)荷受空氣溫度的限制，3個因素之間存在相互影響，增加了分析各因素與NOx質(zhì)量濃度變化關(guān)系的難度。

CEMS歷史數(shù)據(jù)(如NOx質(zhì)量濃度、環(huán)境溫度與相對濕度等)受監(jiān)測儀表準(zhǔn)確性影響大，對數(shù)據(jù)的量化分析不可避免存在影響。分析中也沒有剔除燃?xì)獬煞肿兓馃嶂岛瓦^量空氣系數(shù)的變化對NOx質(zhì)量濃度以及機(jī)組運(yùn)行和老化的影響。由于現(xiàn)有CEMS系統(tǒng)不監(jiān)測NO2數(shù)據(jù)，因此實際排放值有一定差異。

本臺燃機(jī)歷史數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

(1)環(huán)境空氣溫度、空氣中水蒸氣體積比(或環(huán)境相對濕度)、負(fù)荷等因素對NOx排放均有明顯影響；

(2)負(fù)荷率在70%以上時，負(fù)荷與NOx排放濃度呈正相關(guān)，在90%負(fù)荷率時基本不再明顯增加；

(3)空氣中水蒸氣體積比與NOx排放濃度呈負(fù)相關(guān)，降低幅度約35%。

(4)環(huán)境溫度與NOx排放濃度關(guān)系比較復(fù)雜，隨著環(huán)境溫度升高，NOx質(zhì)量濃度出現(xiàn)先升高再降低再升高的現(xiàn)象；最適宜的環(huán)境溫度區(qū)域與負(fù)荷率相關(guān)，綜合考慮機(jī)組最大運(yùn)行負(fù)荷、燃機(jī)效率、NOx排放濃度，采用進(jìn)氣系統(tǒng)改造是一種經(jīng)濟(jì)可行的方式。