２０１５年２月 电 力科技与 环保 第３１卷第１期 燃气电厂氮氧化物排放控制技术对比分析 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ＮＯ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ 赵伟，孙少华，刘路遥，张文凯，甘泉 （石油勘察设计研究院，克拉玛依８３４０００） 摘要：目前全球各国都在提倡节能减排，而氮氧化物是造成环境污染的主要物质之一。随着国家新的《火电厂大气 污染物排放标准》（ＧＢ１３２２３—２０１１）的实施，对火电厂烟气氮氧化物单位时间排放量提出了明确要求。以克 拉玛依电厂燃烧系统改造工程为例，分析国内外氮氧化物排放控制技术的优缺点，并提出最优方案。 关键词：氮氧化物；控制技术；对比分析 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ａｒｅ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｗａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ＮＯ ａｒｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｏｒ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｓｔａｔｅ ｉｓｓｕｅｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ＧＢ ｌ３２２３—２０ｌ】，ｍａｄｅ ａ ｃｌｅａｒ ｒｅｑｕｅｓｔ ｆｏｒ ＮＯｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｐｅｒ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｉｍｅ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｒ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｎｏｖａ— ．ｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ＸｉｎＪｉａｎｇ Ｋａｒａｍａｙ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ，ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄＶａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＮＯ、ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｔｈｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎ ０、；ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ 中图分类号：Ｘ７０１．７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７４—８０６９（２０１５）０１—０２５—０３ １概述 计ＮＯ 中ＮＯ约占９５％，ＮＯ２仅占５％左右，Ｎ２Ｏ等 其他ＮＯ 含量很少，ＮＯ性能不稳定，在光作用下会 ２０１ １年由国家质量监督检验检疫总局和环境 生成ＮＯ 。因此根据ＮＯ 在燃烧过程中的生成方式 保护部联合发布了《火电厂大气污染物排放标准》 可将ＮＯ 分为三种类型： （ＧＢ １３２２３—２０１１），并于２０１２—０１—０１实施。标准 （１）热力型。由空气中的氮气在高温下氧化而 中规定了，到２０１４年７月，火电厂天然气燃气轮机 成的ＮＯ ，热力型ＮＯ 形成的主要控制因素是温 排放的氮氧化物不得大于５０ ｍｇ／Ｉｎ 。２０１２—０８— 度，温度对其生成速率的影响是呈指数函数关系，实 ０６，发布的《节能减排“十二五”规划》中明确 际上，在１６２３ Ｋ时生成呈量是很少的，但随着温度 指出到２０１５年，全国氮氧化物排放总量应控制在 的升高，氮氧化物生成呈迅速增加，当温度在到 ２０４６．２×１０ ｔ，比２０１０年的２２７３．６×１０ ｔ减少 １８７３Ｋ时，氮氧化物的生成量可占炉内氮氧化物生 １Ｏ％，新增削减能力７９４ Ｘ １０ ｔ。克拉玛依电厂 成量的２５％一３０％。影响热力型氮氧化物生成的 目前的３台６Ｂ系列燃气轮机氮氧化物排放量在 另一个主要原因是反应环境中氧浓度，氮氧公物生 ３１０ ｍｅ，／ｍ 左右，远远超过新标准要求。 成速率与氧浓度的平方根成正比。热力型氮氧化物 本文以克拉玛依电厂改造工程为例，分析 中既包括ＮＯ，也包括ＮＯ，。 目前国内外氮氧化物排放控制技术的优缺点，通过 （２）快速型。是由空气中的氮气与燃料中的碳 对比分析提出最优改造方案。 氢离子团（ＣＨ等）反应产生的ＮＯ ，它是燃料燃烧 ２ ＮＯ 生成机理分析 时产生的烃离子团撞击燃烧空气中的氮气生成 ＨＣＮ、ＣＮ，再与火焰中产生的大量０、ＯＨ反应生成 ＮＯ 的生成一般离不开三个因素，即温度、含氮 ＮＣＯ，ＮＣＯ又被进一步氧化成一氧化氮。一般来 介质及反应介质。目前，克拉玛依电厂三台６Ｂ系 说，快速型ＮＯ 与燃料型及热力型ＮＯ 相比，其生 列燃气轮机在燃烧过程中的温度在ｌ ９２０ Ｋ左右，燃 成量要少得多，一般占ＮＯ 总量的５％以下。 料气中含有１．５５％的氮气，高压空气中含有７８％的 （３）燃料型。由燃料中的氮化物热分解后氧化 氮气，因此在燃烧过程中会生成各种ＮＯ 。根据统 产生的ＮＯ ，燃料型ＮＯ 的产生量与燃料的含氮量 ２５ ２０１５年２月 电 力科技与 环保 第３１卷第１期 有直接关系。发电厂在使用煤、柴油和汽油作为备 用燃料时，燃料型ＮＯ 生成机理更为复杂，因为这 些燃料中含有更复杂的氮化物，其中Ｃ—Ｎ键能相 比Ｎ＝Ｎ键能小很多，因此，更加容易分解生成一氧 化氮。 ＮＯ 排放量的主要措施包括注水或蒸汽法、催化燃 烧法和干式低氮燃烧技术法，对其分别简单阐述。 ３．１燃烧室注水／注蒸汽技术 针对ＮＯ 的生成机理，采取向燃烧室中注入少 量蒸汽或水是降低燃烧区温度的一种有效措施。这 样可以控制并降低ＮＯ 的生成，但同时在一定程度 上也降低了燃气轮机效率。 燃机燃烧中注水或蒸汽是由美国通用电气公司 目前，克拉玛依电厂以天然气为主燃料，柴油为 备用燃料。克拉玛依电厂建有配气站，天然气来自 准噶尔盆地西北边缘地区天然气输配管网，燃料气 品质满足标准要求。天然气组份分析见表１。从表 从２０世纪７０年代开始应用的，以控制燃机中ＮＯ 中可看出，燃料气中不含硫化物，但氮气含量较高。 表１天然气成份分析 据调查，克拉玛依电厂自改造为以天然气为主 要燃料以来，供料系统一直平稳运行，从未使用过柴 油。６Ｂ系列燃机在运行过程中所生成的ＮＯ 主要 来自于天然气中所含氮气在高温环境下与氧气产生 的化学反应，其反应机理为热力型。 ３燃气轮机ＮＯ 控制技术 对克拉玛依电厂３台６Ｂ燃气轮机所排出的 ＮＯ 生成机理进行分析，结果发现降低尾气中ＮＯ 含量的主要途径包括两项：一是控制燃烧系统内燃 料与压缩空气混合百分比，即过量空气系数；二是控 制燃烧过程中的反应温度。这两者都对ＮＯ 的生 成量起着决定性的作用。因此，为了降低这些ＮＯ 的生成量，必须精心组织燃烧过程，仔细控制过量空 气系数和温度的分布，力求在控制污染排放的同时 不降低燃烧室的其他性能。目前，控制燃烧过程中 ２６ 的排放量，也是国内外最常用的、比较成熟的方法。 早期采用的扩散燃烧式燃烧器几乎都采用这项技 术。其主要原理及简单流程是：在扩散式燃烧器内， 随着燃料喷入后的湍流扩散，形成局部富燃料区域， 同时产生高温燃烧火焰。除盐水经过注水泵将水增 压，同时由电磁阀Ａ根据控制系统信号控制水量， 经过过滤网后由电磁阀Ｂ分两路进入燃机。当流 量小时，由小流量喷嘴进入燃烧室，当流量较大时， 由大流量喷嘴和小流量喷嘴进入燃烧室。注入的水 吸收热量降低燃烧火焰的温度，从而减少热力型 ＮＯ 的形成。 对于注水／注蒸汽技术，要控制氮氧化物排放量 的最主要参数就是７Ｊｃ，＇燃料比，一般是通过透平入口 温度和环境温度值来进行控制。随着注入的水或蒸 汽的增加，不完全燃烧产物一氧化碳和未燃尽的碳 氢化合物也会逐渐增多，因此注水会降低燃机效率。 同时注入的水必须为除盐水，并且无法循环再利用， 不仅要增加一套水处理设备，同时还会增加电厂的 水消耗量。 ‘ ３．２催化燃烧技术 催化燃烧技术是在燃烧室内设置催化燃烧组件 并注入催化剂，可燃混合物通过时与催化剂有很大 的接触面积，进而使其与氮化物和碳化物进行化学 反应，从而达到降低ＮＯ 及ＣＯ排放量的目的。但 是由于催化剂存在会腐蚀零部件影响其机械强度， 及在硫份较高时容易引起中毒等问题，所以目前该 技术没有得到广泛应用。图１为一种催化燃烧室结 构示意。 ３．３干式低氮燃烧技术 干式低氮燃烧技术的基本原理就是“燃料预 混”，即以适当的过量空气系数将空气与燃料预先 混合均匀后再进入燃烧室燃烧。预混燃烧的特点是 反应区内的燃料浓度和反应温度都是均匀的，也是 ２０１５年 赵伟等：燃气电厂氮氧化物排放控制技术对比分析 第１期 预先通过燃料和预混空气的配比加以严格控制的。 预混的可燃气体是按照大于０．５的过量空气系数构 成的，控制燃烧温度不高于１ ６５０ Ｋ，就可以使得产 生的氮氧化物低于５０ ｍｇ／ｍ 。 图１催化燃烧室结构示意 ＮＯ 体积分数的大小随着燃料的反应温度的 增加而快速增加，随着燃料的停留时间的减小而减 小¨ Ｊ。因此，可以通过采用控制燃料与空气混合 比例及燃烧反应峰值温度的方法来降低ＮＯ 的生 成量，即干式低氮燃烧技术。燃料在理论空气量条 件下燃烧，反应温度最高，控制燃烧温度的办法就是 使燃料在偏离理论空气量条件下燃烧。燃料在进入 燃烧区域前与过量空气预先混合，然后进入燃烧区 域燃烧，达到控制燃烧温度的目的。但是燃烧温度 降低，燃烧火焰稳定性也会随之降低，一氧化碳及碳 氢化合物等排放呈增加趋势 ３ Ｊ。目前，对于采用贫 燃料富氧燃烧技术的干式低氮燃烧系统已经成熟， 其已可以通过硬件设计和运行模式设置来保持燃烧 区域燃料／空气比足够低（控制火焰温度）和燃料停 留时间足够短，以获得较低的氮氧化物排放，但同时 又要保持低负荷工况下燃烧有足够的稳定性，以及 有充足的时间使一氧化碳燃尽。 控制ＮＯ 的排放与ＣＯ生成是相互矛盾的，当 温度较低时，ＮＯ 排放量虽然降低，但是ＣＯ排放量 却相应增加。所以燃烧区的火焰温度不宜太高也不 能过低，一般应控制在１６５０Ｋ左右，这需要对软件 控制系统进行改造将燃烧区的火焰温度稳定的控制 在这一区域内。 ４燃气轮机ＮＯ 控制技术比较 ４．１燃烧室注水／注蒸汽技术 燃烧室注水／注蒸汽技术优点：设备改造相比简 单，改造成本较低，改造周期较短；在新的环保标准 发布以前，本项技术广泛应用于各火力发电厂，其能 将６Ｂ燃气轮机的氮氧化物排放量控制在一定范围 内，一般为８５ ｍｇ／ｍ 。 燃烧室注水／注蒸汽技术缺点：注水技术能燃 气轮机的氮氧化物排放量控制在一定范围内，但仍 很难满足ＧＢ１３２２３—２０１１的要求；注水技术对水质 要求较高，耗水量大，需增加水处理设备，并增加后 期运行费用；注水可能会造成透平叶片腐蚀，缩短燃 烧室的检修周期和使用寿命；注水还容易导致燃烧 不稳定，甚至熄火。 ４．２干式低氮燃烧技术 干式低氮燃烧技术优点：对控制氮氧化物排放 量效果显著，完全能满足ＧＢ１３２２３—２０１１的要求； 干式低氮燃烧系统选用耐温专利材料，将设备使用 寿命提高到２Ｏ年以上，因此不仅不会缩短维护和检 修间隔，而且还可取消燃烧系统小修，降低运行成 本；干式低氮燃烧技术采用的分级燃烧方式使得燃 烧更加稳定，不会出现强烈的火焰脉动和熄火现象。 缺点：干式低氮燃烧系统改造一次投入成本较高。 ４．３改造后效果 通过上述比较分析可以发现，无论从技术的先 进性、运行成本还是实际运行情况来看，都应优先考 虑采用干式低氮燃烧技术来控制ＮＯ 的排放。因 为相比其他两种技术，干式低氮燃烧技术成熟，可靠 性高，运行成本低。 ２０１３年１１月完成了对克拉玛依电厂３号６Ｂ 燃气轮机燃烧系统的改造。改造试运行期内，当地 环保部门对ＮＯ 物排放量进行了检测，ＮＯ 排放浓 度为２Ｏ．５４ ｍｇ／ｍ ，达到了预期效果。 参考文献： ［１］岳建华，王凯，萨仁高娃．降低燃气电厂ＮＯ 排放量的方法比较 ［Ｊ］．内蒙古电力技术，２００５，２３（１）：５—８． ［２］吴碧君．燃烧过程中氮氧化物的生成机理［Ｊ］．电力环境保护， ２００３，１９（４）：９—１２． ［３］黄素华，苏保兴，华宇东，等．燃气轮机ＮＯ 排放控制技术［Ｊ］．中 国电力，２０１２，４５（６）：１００—１０３． 收稿日期：２０１４－０９－２０；修回日期：２０１４—１１．２３ 作者简介：赵伟（１９８５・），男，陕西人，工程师，从事机械类工程 设计工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｗ＿００７１＠１６３．ｃｏｒｎ ２７
