燃氣輪機氮氧化物排放的豁免負荷研究

文_李玉剛 舒喜 楊愛勇 劉志坦 國電環境保護研究院有限公司

燃氣輪機由于存在擴散和預混兩種燃燒模式，擴散模式下氮氧化物排放濃度較高，NOx 排放難以覆蓋運行全過程。因此，低負荷階段燃氣輪機排放超標以及負荷豁免問題成了制定燃氣輪機全過程氮氧化物排放標準必須考慮的問題。

本文重點研究燃氣輪機技術與SCR 脫硝技術，并研究機組的啟動方式對豁免負荷及其持續時間的影響。最后基于以上研究內容，為豁免負荷的確定提出合理可行的意見和建議。

1 燃氣輪機技術對豁免負荷的影響

目前國內主流燃氣輪機有美國GE、日本三菱以及德國西門子。本文主要以GE 公司為例介紹燃機啟動階段排放規律。

GE 燃氣輪機DLN1.0+和DLN1.0，兩種燃燒器的燃燒運行模式相同，區別在于穩定負荷段DLN1.0+氮氧化物排放濃度更低。兩種燃燒器的運行模式是：從點火到50%負荷階段，燃料全部進行擴散燃燒；從50%～80%負荷為貧-貧模式，30%燃料進行部分預混燃燒，70%燃料進行擴散燃燒。因此，在80%負荷以下時NOx 排放濃度較高，難以達到排放要求。

GE 燃氣輪機DLN2.6 燃燒器，運行模式有別于DLN1.0+和DLN1.0，其采用全預混燃燒模式。在50%負荷左右，為達到基本負荷燃機切換燃燒模式，PM1 開度減小，而PM1 的當量比相對較高，起到穩焰作用，因此PM1 減小將使氮氧化物濃度降低，如圖1 所示。

圖1 GE 燃氣輪機DLN2.6 燃燒器NOx 排放隨負荷變化的關系圖

GE 燃氣輪機DLN2.6+燃燒器每個燃燒室配置了4 種燃料噴嘴。在30%負荷左右，機組進入亞預混燃燒模式，D5 擴散噴嘴全部關閉，因此氮氧化物濃度大為降低，達到環保排放要求。GE 公司典型機型的保證排放的最低負荷匯總如表1 所示，其它主流燃機的燃燒模式與氮氧化物排放也有密切聯系。

表1 GE公司燃機保證排放的最低負荷情況

2 SCR脫硝技術對豁免負荷的影響

目前，燃氣輪機發電機組余熱鍋爐SCR 脫硝技術是通過向余熱鍋爐煙道中噴入還原劑NH3，將煙氣中的NOX轉化為氮氣和水，NO 與NO2的反應比例不同，而還原單位摩爾的NO2需要的氨水更多。

本文通過對三菱M701F4 機組現場余熱鍋爐煙囪內污染物排放測試獲得3 次啟動階段相關排放數據，如圖2 所示。在啟動階段的30%和50%負荷左右，二氧化氮占總氮的比例最高可達75%。同時，其它主機廠家以及機型在啟動階段也具有類似排放規律。

圖2 三菱M701F4 燃氣-蒸汽聯合循環二氧化氮占總氮的比例

目前在設計常規燃煤機組脫硝系統時，一般將二氧化氮占比設定為5%。而燃氣輪機發電機組啟動階段二氧化氮占比波動較大，特別是30%～50%負荷階段。而現有燃氣輪機發電機組脫硝系統均參照燃煤機組設計，以致燃機脫硝系統難以針對一氧化氮與二氧化氮實際濃度比進行精準噴氨，因此在啟動階段難以滿足氮氧化物的達標排放要求。

3 啟動方式對豁免時段的影響

一般來說，聯合循環機組啟機分為冷啟、溫啟、熱啟。本文在對北京、天津等地固定式燃氣輪機一年內歷史數據進行調取并分析得出如下結論：

①一般燃氣發電機組投入AGC（自動發電控制系統）之前的最低負荷規定為50 %負荷及以上，如表2 所示。

②燃氣發電機組在冷態啟動時間遠高于熱態啟動時間，為降低燃氣機組啟動階段氮氧化物排放的總量，燃氣發電機組一般盡量采用熱態啟動方式。

表2 機組啟停時間

4 結語

由于影響燃氣輪機發電機組氮氧化物排放的豁免負荷因素較多，為了能夠科學合理地制定豁免負荷及豁免時段相關要求或標準，本文提出如下意見和建議：

①不同廠家和型號燃氣輪機保證環保排放的最低負荷率存在較大差異，因此制定相關要求需對機組區別對待，需重點分析技術適用性和經濟可行性，不應將豁免負荷定的過低。

②由于燃氣輪機發電機組啟動階段一氧化氮與二氧化氮濃度比波動劇烈，因此建議制定相關排放要求時應考慮啟動階段利用脫硝系統降氮的技術難度。

③燃氣發電機組啟動方式對啟動時間有較大影響，因此制定相關排放要求時應重點考慮啟動方式對豁免負荷與時段的影響。