降低扩散燃烧天然气量达到减少N〇x污染物排放的技术研究和应用

2018-05-23梁建瑞姜丰

中国设备工程 2018年9期

梁建瑞，姜丰

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 100000）

过去几年来，我国采取捆绑招标方式引进了大量Siemens公司 E、F级大型单轴燃气轮机机组，其中我公司引进的E级燃气轮机型号为为SGT5-2000E，该型燃气轮机透平两侧安装两个环型燃烧筒，每个燃烧筒安装8个干式低氮混合型燃烧器，每个燃烧器组件由扩散、预混、值班燃烧器组成，并根据不同的燃烧要求或燃烧工况进行切换。

1 Siemens SGT5-2000E型燃气轮机设计下的干式低氮混合型燃烧器（图1）

图1

该型燃烧器的特点是：第一，为确保在任何负荷条件下机组不发生火焰熄灭故障，需要在燃烧器根部中心位置建立一个值班扩散火焰，要求的天然气供给量不随负荷的变化而变化，基本是恒定的，这个值班火焰的功能就是提供一个稳定的点火源；第二，在高负荷下，大部分气体燃料供入外围的角向旋流器，与该旋流器进入的空气均匀混合，形成均相预混的可燃气体，随后在火焰中心的燃烧空间中以湍流火焰传播方式进行燃烧。由于这种火焰的温度比较低，故能控制“热力型NOX”的生成，该火焰的燃烧稳定性则是依靠位于中心部位的两层火焰来保证的。

图2

图2说明Siemens 公司的该型燃烧器在按照扩散火焰方式或预混火焰方式运行时，燃烧室内不同余气系数（也就是反应温度）的波及范围。α=1．0时的理论燃烧温度为2100℃，α=2．1时的平均温度为1390℃。从图中可以明显的看到，当改为预混火焰的燃烧方式后，α＜1．0和 1．0＜α＜1．6的范围将大大缩小，大部分地区为α＞1．6的低温燃烧区，这必将大大降低“热力型NOX”的生成。

图3中为混合型燃烧器的燃气轮机排气中，NOX、CO含量随机组负荷变化的关系曲线。

机组启动0～50%负荷工况运行时，燃气轮机压气机的进口导叶处于关闭状态。这时，燃烧器是按照扩散火焰的方式运行，从图3中可以看到，在0～50%负荷运行时，随着燃气透平的初温t3提高，机组负荷逐渐提高，燃烧室的平均温度也将升高，因而燃烧室的排气中，NOX将随之增大而CO将迅速下降。当机组的负荷超过50%后，压气机的进口导叶和前几级可调导叶逐渐打开，它将使t3基本上维持恒定不变，而燃烧器则转为均相预混方式运行。因而，NOX的排放量迅速下降，基本达到25ppm的水平，由于燃烧火焰的温度已经超过1100℃，致使CO排放继续维持在非常低的水平。

图3

2 开展降低扩散燃烧天然气量达到减少N〇X排放的技术研究和应用

如前文所述燃烧天然气的燃气轮机在燃烧器的中心部位建立了一个值班扩散火焰，这样就在根部形成一个稳定的点火源，以此确保在任何负荷下不会发生火焰熄灭的故障，而且供给值班火焰的燃料量是恒定的，不随机组工况的改变而变化。可是机组在50%负荷前NOX排放量维持比较高，我们通过调整天然气值班阀开度，但必须保证在任何工况负荷下不能发生火焰熄灭的故障，达到大幅度降低了NOX排放量，这样的方案是可行的，以下是北京京能未来燃气热电有限公司联合Siemens公司技术人员2017年4月份进行的燃气轮机燃烧调整实验。

天然气值班阀调整前如表1所示。

图4为天然气值班阀调整前燃机负荷、燃机调节阀开度、值班阀开度、燃机排放NOX量、脱硝后锅炉NOX排放量、脱硝系统氨水用量运行关系曲线。

天然气值班阀调整后如表2所示。

图5为天然气值班阀调整后燃机负荷、燃机调节阀开度、值班阀开度、燃机排放NOX量、脱硝后锅炉NOX排放量、脱硝系统氨水用量运行关系曲线。

图4

图5

经过本次调整实验，在不丧失机组安全性的前提下，在同等负荷下减少了值班气流量，值班气流量的减少能降低火焰中心温度，因此达到了降低NOX的目的。通过调整值班阀的开度，机组低负荷状态下燃机氮氧化物排放从40mg/Nm3降低到30mg/m3左右，降幅达30%，经过脱硝系统后氮氧化物排放从15mg/Nm3降低到10mg/m3以下，降幅达30%，脱硝系统喷氨量也由63．9kg/h左右降低到约 40．7kg/h，初步估算节约 25%约5．4吨；机组高负荷状态下燃机氮氧化物排放从47．2mg/Nm3降低到 28．6mg/m3左右，降幅达39%，经过脱硝系统后氮氧化物排放从15mg/Nm3降低到10mg/m3以下，降幅达30%，脱硝系统喷氨量也从106kg/h左右降低到约60kg/h，降幅达52%。初步估算每年机组运行节约25%分析纯氨水19．2吨，每年折合节约氨水费用约25万元，减少缴纳排污费17万元左右。