低熱值燃料燃氣輪機燃燒特性及技術優化

范洪武

摘要：低熱值燃氣輪機具有燃料成本低、能源轉化效率高等特點。但由于其燃料特性復雜，在實際運行中存在諸多問題。本文通過介紹低熱值燃料燃氣輪機發電技術，探索其燃燒特性，并提出了有針對性的技術優化措施以滿足低熱值燃料燃機穩定運行的要求。

關鍵詞：低熱值燃料;燃燒特性;燃氣輪機;聯合循環發電

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

引言

低熱值燃氣發電技術最早起源于美國，早在上世紀70年代，美國就已經建造了多座運用鋼廠高爐煤氣為原料的燃氣輪機CCPP項目。在國內，低熱值燃氣發電技術最早在寶鋼145MW燃氣發電項目中實施落地，選用的為三菱公司的重型燃氣輪機。之后的十多年，相繼有十幾家國內鋼鐵企業根據生產實際需要，落地了多個低熱值燃氣輪機CCPP項目。

在技術方案上，低熱值燃氣發電技術具有極好的燃料適應性，因此對燃氣輪機的技術要求也更高。不僅需要能適應普通高爐煤氣、焦爐煤氣、合成氣及天然氣，同時對于燃燒調整、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氣發電項目為例，通過一系列設備改造、系統調試及運行經驗的積累，探索低熱值燃料燃氣輪機燃燒特性及其技術優化。

一、低熱值燃料燃氣輪機發電技術

標準燃氣輪機主要以天然氣和輕餾油為燃料。作為非標型燃氣輪機則主要以中低熱值可燃氣體為燃料。中低熱值燃料是指煤化工/生物質化氣體、石化尾氣、高爐氣/轉爐氣、焦爐氣/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型燃氣輪機低熱值版，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氣。（見表1）

蘭炭尾氣主要燃燒成分為CO與H2，在制備上屬于工藝副產物，生產過程中會殘留大量的雜質，如焦油、灰塵、水分、苯、萘、氨、硫等成分，其潔凈度遠遠不能滿足燃氣輪機燃燒的規范要求。因此在工藝上游，配置了整套尾氣凈化裝置。

9E燃機要求進口燃氣壓力必須滿足2.35Mpa，尾氣供應母管壓力僅為5Kpa，為了滿足進口壓力的要求，哈密低熱值蘭炭尾氣CCPP項目主機采用燃氣輪機加煤壓機的運行方式。布置方式為燃氣輪機、發電機及兩級三段煤壓機同軸布置。

在主要工藝流程上，燃氣輪機啟動初期以輕油為主燃料進行啟動，通過變速齒輪箱帶動煤壓機在燃機3000rpm運行時，能達到5316rpm。在此過程中，煤氣通過前置預處理及凈化單元調整后進入煤壓機，通過三段增壓，加壓到2.46MPa、150℃，此時增壓煤氣壓力達到燃機燃燒的要求。燃機以輕油為主燃料升負荷，進行輕油至煤氣的燃料切換，煤氣經煤氣調壓控制閥組進入燃燒室。在燃燒室中，煤氣以較大的過?？諝庀禂颠M行燃燒。煤氣在燃燒室中燃燒后產生溫度為1125℃的高溫高壓煙氣送至燃氣輪機驅動透平作功。燃氣透平作功產生的功率除驅動發電機發電外，還驅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。煙氣進入余熱鍋爐后，與鍋爐中的汽水介質進行熱交換，產生兩種參數的蒸汽，其中，高壓蒸汽額定發生量198t/h、8.163MPa（絕壓）、512℃，低壓蒸汽額定發生量53t/h、0.411MPa（絕壓）、181℃。兩種蒸汽直接送入汽輪機作功，發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，低熱值燃氣在燃燒過程中，具有難以點燃和控制，燃燒時容易出現回火和熄火現象，穩燃難度更大。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，在低負荷狀態下，更容易出現回火及燃燒振蕩等現象。正是由于低熱值燃氣的這一燃燒特性，如果采用燃料一空氣預混方式的干式低NOX（DLN）燃燒技術，很容易出現噴嘴內自燃及回火的現象。鑒于低熱值DLN燃燒器技術尚不成熟，為了實現低熱值燃氣的穩定燃燒，一般均選用擴散燃燒器。在擴散燃燒方式下，由于燃氣可燃成分燃燒時絕熱火焰分度較高，局部燃燒溫度高，極易導致燃燒產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）主要對燃燒器內部進行改造，增設燃燒器內稀釋劑噴注管道。通過在低熱值尾氣中摻混N2等惰性氣體，或者進行回注飽和蒸汽、及燃燒器內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，第二種方式不僅設備投資高，后期維護成本及使用成本也極高，因此哈密燃機項目現場采用燃燒室內蒸汽回注的方式。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，以達到優異的煙氣排放指標。

三、低熱值燃料燃氣輪機燃燒技術優化

1.優化燃料切換工況點

由于低熱值燃氣的燃料特性獨特，在燃機帶負荷后的燃料切換（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，需進行多次試驗及數據比對。（見表2）

燃機排煙分散度是反映燃燒室內火焰穩定及燃燒均衡與否的重要指標。通過對不同切換工況點的數據比對，綜合分析得出：

（1）在低負荷段進行燃料切換，由于主燃料閥在燃機燃料基準沖程（FsR）的影響下，開度較小。因此導致燃燒室內形成弱旋轉射流，導致擴散火焰強度較低，燃燒穩定性較差。

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

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

由此可以得出，在30MW負荷下，燃氣在燃燒室內形成強旋轉射流，壓氣機排氣壓力與流量處于最佳燃燒配比，燃氣著火溫度高，燃燒處于最穩定的狀態。也因此是最為理想的燃料切換點。

2.優化燃燒系統

低熱值燃氣熱值遠低于普通天然氣，為了向燃燒室提供相同當量的化學能來驅動燃機透平，需要供應更多的燃料。普通燃機在燃用天然氣時燃料占進入燃燒室的空氣總量約為2.3%，燃用低熱值燃氣的燃機其燃料占比則高達12.7%。因此為了能加大燃料供應量，對燃機擴散噴嘴進行了優化。擴大了燃料管管徑，同時根據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氣和空氣的混合，使得燃氣中的CO能在燃燒器內完全氧化，加速火焰的擴散。能在短時間內形成高強度、高穩定性和均衡燃燒的擴散火焰。

在燃用低熱值燃氣時，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的燒毀現象，低熱值燃機透平一級靜葉及動葉較標準機型更大，葉片內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.優化蒸汽回注控制方式

根據GE公司重型燃機維護指導書的內容，燃燒室內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，將導致燃燒噴嘴燒蝕、透平動靜葉涂層產生裂紋剝落等現象。任何熱通道部件的損傷都將嚴重影響燃燒的穩定性。因此為了能保證低熱值燃氣始終處于穩定燃燒的狀態、保障燃機長時間穩定運行，需要選擇蒸汽回注的方式。

低熱值燃機蒸汽回注系統分為干式控制與濕式控制兩種形式。在基本負荷狀態下，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荷能力的方式，稱之為濕式控制。在干式控制狀態下，燃機煙氣NOX排放指標有效降低，熱通道部件壽命影響較小。而在濕式控制狀態下，燃機NOX排放指標無明顯降低，除了帶負荷能力提升外，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。經過大量運行數據驗證，當回注蒸汽壓力為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、結語

我國煤炭能源稟賦優越，煤化工產業發達，每年都產生大量的低熱值煤氣。由于低熱值燃氣其燃料特性復雜，因此大多未被有效的進行利用，造成能源的巨大浪費。而低熱值燃料燃機，在原有燃機發電技術的基礎上，根據各低熱值燃氣燃料特性的不同，通過燃燒方式的調整優化、燃燒系統的改造及控制方式的優化，從而有效的解決了其著火難、燃燒不穩定、排放高等問題，實現了低熱值燃料燃氣輪機的穩定運行。作為工藝成熟、理念先進的技術路線，在我國日益提倡能源高效利用的大背景下，必將擁有廣泛的應用前景。