燃气轮机 DLN 燃烧室 NOx 减排改造

发表时间:2020/6/30   来源:《科学与技术》2020年5期   作者:王玲
[导读] 燃气轮机是以空气及燃气(天然气)为工质的旋转式热力发动机
        摘要:燃气轮机是以空气及燃气(天然气)为工质的旋转式热力发动机,其具有效率高、功率大、体积小、投资回报率高、运行成本低和寿命周期长等优点。天然气作为清洁能源被世界广泛公认,集众长于一身的燃气轮机组近年来发展迅猛,我国政府也积极鼓励发展燃气轮机。NOx是燃气轮机发电机组排放的主要污染物之一,不断降低排放量的相应改造也应运而生。
        关键词:燃气轮机;DLN燃烧室;NOX减排;标定
        本文研究的燃气轮机为紧凑式箱装6B燃气轮机,控制采用GE的MarkⅥ控制系统、自动化程度高;燃机与一台双压无补燃余热锅炉组成单循环联合机组,余热锅炉产高压、低低压蒸汽进入全厂蒸汽管网。燃机-余热锅炉长周期运行,为确保机组稳定、高效运行,满足国家现行规范中要求的燃机烟气中NOX含量不超过50mg/m3最新标准。本文下面就该燃气轮机DLN燃烧室NOX减排改造进行论述。
1改造过程及标定分析
1.1燃机DLN燃烧室NOx减排改造
        国家现行相关规范中要求燃机烟气中NOX含量不超过50mg/m3,而该燃机为标准燃烧室,尾气中NOX含量在345mg/m3左右,与国标GB13223-2011要求的50mg/m3有很大差距。经过调研、技术交流,采用GE干式低氮燃烧室DryLowNOX(简称DLN)可以抑制NOX在尾气中的含量。DLN燃烧室采用预混火焰,即空气和天然气在燃烧区上游完全掺混,同时降低天然气与空气的比值,即提供过量空气,从而降低火焰温度,无需稀释即可降低NOX的含量。主要施工内容包括:改造后部分废弃的旧系统设备部件拆除,新增系统设备及管路安装,控制系统改造接线及热控原件拆、装,配合GE控制人员对燃机DLN改造后的调试。
1.2改造主要内容
        增加DLN燃烧系统,包括:两级燃料喷嘴、DLN燃烧室、天然气管道及环管、DLN天然气三通阀、火焰检测系统(包括配备的冷却水系统)、低氮点火系统、危险气体检测系统。
        其中,DLN燃烧室(见图1),因采用干式低NOX燃烧(DryLowNOX)技术而得名。DLN燃烧室是一个两级预混合燃烧室,设计成单烧天然气燃料。这种燃烧系统包含四大部件:燃料喷注系统(二级喷嘴、中心体环状预混器)、火焰筒、文丘里和盖帽/中心体组件。

        早在没有被要求限制氮氧化物(NOX)排放之前,GE公司早期设计的燃烧室属于扩散型燃烧室。采用扩散型燃烧方式,燃机燃烧室内的火焰温度肯定会高于氮氧化物(NOX)生成的起始温度(1650℃),所以扩散型燃烧方式氮氧化物(NOX)的排放较为严重。而改造后的DLN燃烧室主要是通过对燃气轮机燃烧室的改进,使燃料、空气充分预混,并优化燃料分配和运行方式来实现对燃料、空气掺混的合理控制(控制燃料空气比),使燃料在火焰筒中处于“贫燃料”燃烧,降低火焰中心温度,减少氮氧化物的生成。同时降低燃烧噪声和保证部分负荷时燃烧的稳定性,确保足够的燃气停留时间(控制燃烧时间),让CO燃烧完全。干式低NOX燃烧(DLN)技术中使燃料在火焰筒中处于“贫燃料”燃烧,这种燃烧方式称为均相贫预混的湍流火焰传播燃烧方式。扩散燃烧和DLN预混燃烧的对比,见图2。

        具有DLN型燃烧室的燃机在启机过程中会经过以下4种基本模式:一级燃烧模式、贫-贫模式、过渡模式(包括二级切换状态和预混切换状态)以及预混模式,在各个模式下的CO和NOX的排放特性,见图3。

2标定说明
1)改造前燃机排烟尾气污染物含量
        DLN改造前,燃机主要运行参数及排烟尾气污染物含量如下表1所示。
2)改造后燃机排烟尾气污染物含量
        DLN改造后,燃机主要运行参数及排烟尾气污染物含量如下表2所示。


   
3)分析说明
        DLN改造前后燃机排烟尾气中污染物含量的变化分析如下:
        ①余锅尾部烟气中的NOX含量减少325.5mg/m3,下降
94.3%。
        ②余锅尾部烟气中的SO2含量减少29.2mg/m3,下降
68.5%。
        燃机尾气中NOX的来源主要有两个方面:一是空气中的氮气在高温下氧化,生成NOX;二是燃料中氮元素产生化学反应生成NOX。由于此燃机燃料为天然气,第二种情况可忽略,只考虑第一种情况。
原6B燃机采用扩散型燃烧室,燃烧室的火焰温度高于NOX生成的起始温度(1650℃),扩散型燃烧方式的NOX排放较为严重。
        而干式低氮燃烧室采用预混火焰,即空气和天然气在燃烧区上游完全掺混,同时降低天然气与空气的比值,即提供过量空气。从而降低火焰温度,无需稀释即可得到低NOX的排放,但同时CO含量将会上升,燃机效率略微下降,即NOX与CO在贫燃料条件下排量随温度变化成反比。
3标定结论
        对6B燃机进行干式低氮燃烧器(DLN)改造后,燃机尾部排放烟气中的NOX含量在19.5mg/m3,满足现行规范中要求(≤50mg/m3),也满足本企业《6B燃气轮机低氮燃烧器(DLN1)改造技术协议》中NOX含量在30mg/m3以下的要求。
        标准燃烧室改为DLN燃烧室后,保证排放指标见下表3。
 
4结语
        DLN燃烧技术具有NOX和CO排放量低的优点,所以DLN燃烧室有利于环境保护,尤其是国家收紧企业大气污染物排放指标,进行DLN改造是当前大势所趋;DLN燃烧室的分级燃烧方式使得燃烧稳定,不易出现强烈的火焰脉动和熄火现象。经过DLN燃烧室NOX减排改造的燃机,运行的安全性和稳定性得到保证,尾部排放烟气中的NOX含量满足国标最新要求。
参考文献
[1]丁勇能,田勇,王波,等.某重型燃气轮机DLN燃烧室数值模拟冷态分析[J].燃气轮机技术,2019,032(001):16-20.
[2]甄家麟.9FA燃气轮机DLN2.6+燃烧系统环保经济效益分析[J].低碳世界,2018,No.180(06):381-382.
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