不同負(fù)荷條件下燃?xì)鈾C(jī)組煙氣排放特性研究

唐小亮，茆亞平，何 川，呂 薇

(江蘇國(guó)信高郵熱電有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225600)

隨著特高壓和新能源的建設(shè)和發(fā)展，各電網(wǎng)均存在不同程度的調(diào)峰缺口。燃?xì)鈾C(jī)組具有效率高、安全可靠、啟停迅速、調(diào)峰響應(yīng)快、調(diào)峰成本低等優(yōu)點(diǎn)，將逐步成為電網(wǎng)調(diào)峰的主力。當(dāng)特高壓發(fā)生閉鎖或電網(wǎng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，利用燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰特性，可以迅速響應(yīng)一次調(diào)頻和AGC負(fù)荷，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。深度調(diào)峰是指機(jī)組在50%及以下額定負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。雖然燃?xì)廨啓C(jī)都采用低氮燃燒器來(lái)降低氮氧化物排放，但在機(jī)組啟動(dòng)初期和機(jī)組負(fù)荷率較低時(shí)仍然可以在余熱鍋爐煙囪上看到冒黃煙[1]。因此，開(kāi)展不同負(fù)荷條件下燃?xì)鈾C(jī)組煙氣排放特性研究，確定煙氣排放濃度符合標(biāo)準(zhǔn)要求的最低負(fù)荷點(diǎn)和環(huán)境效益最高負(fù)荷點(diǎn)，挖掘燃?xì)鈾C(jī)組的深度調(diào)峰潛力十分重要[2]。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)機(jī)組

試驗(yàn)機(jī)組為6F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，單套最大連續(xù)出力122.5 MW，最高聯(lián)合循環(huán)效率54.52%，每套“1+1+1”分軸布置，配置固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要設(shè)備概況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)機(jī)組主要設(shè)備概況

GE 6F.03型燃?xì)廨啓C(jī)配置DLN2.6干式低氮燃燒器，位于壓氣機(jī)擴(kuò)壓器外側(cè)，是一個(gè)包含6個(gè)火焰筒的逆流環(huán)管式結(jié)構(gòu)。端蓋上21個(gè)噴嘴沿火焰筒周向布置，所有噴嘴均為預(yù)混火焰。采用徑向燃料分級(jí)燃燒技術(shù)，具有6種燃燒模式。通過(guò)將火焰筒分成若干個(gè)燃燒區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)供給，每個(gè)燃燒區(qū)均具有足夠的空間來(lái)進(jìn)行燃料與空氣預(yù)混，從而獲得具有接近完美混合均勻度的可燃混合氣，消除各燃燒區(qū)內(nèi)高溫?zé)霟狳c(diǎn)和時(shí)間上的瞬時(shí)高溫脈動(dòng)[3]。

1.2 試驗(yàn)天然氣成分

燃用中石油西氣東輸冀寧線(xiàn)管道天然氣，試驗(yàn)期間天然氣主要成分見(jiàn)表2,低位發(fā)熱量為34.424 MJ/m3。

表2 天然氣主要成分 %

1.3 試驗(yàn)原理

燃?xì)鈾C(jī)組在未安裝任何脫硫除塵環(huán)保設(shè)施的情況下，其SO2和煙塵實(shí)際排放水平均遠(yuǎn)低于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”)中特別排放限值要求，需要關(guān)注的主要污染物為NOx[5]。

DLN2.6干式低氮燃燒器通過(guò)將傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒改為預(yù)混燃燒來(lái)降低燃燒區(qū)域溫度，進(jìn)而降低NOx排放量。擴(kuò)散燃燒燃料完全被空氣包圍，空氣和燃料在彼此邊界相互擴(kuò)散，過(guò)量空氣系數(shù)α約為1，火焰溫度高，燃燒穩(wěn)定，但高溫會(huì)生成大量熱力型NOx[6]。預(yù)混燃燒通過(guò)在燃燒區(qū)上游將天然氣和空氣完全混合成均相的、稀釋的可燃混合物，然后進(jìn)入燃燒區(qū)在過(guò)量空氣系數(shù)α約為2的條件下均勻燃燒，火焰溫度明顯下降，大大減少了NOx排放量。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主要工藝流程為天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒，在燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)燃燒室過(guò)渡段進(jìn)入透平做功后排入余熱鍋爐，經(jīng)余熱鍋爐煙囪排入大氣。余熱鍋爐產(chǎn)生雙壓蒸汽(高、低壓)，進(jìn)入汽輪機(jī)中做功，汽輪機(jī)的抽汽用于供熱。因此，燃?xì)鈾C(jī)組煙氣排放主要與燃?xì)廨啓C(jī)有關(guān)，燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷變化直接影響著燃燒模式，從而對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)、氧濃度、燃燒溫度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響NOx排放量。

2 結(jié)果與分析

不同負(fù)荷條件下試驗(yàn)機(jī)組NO、NO2的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干基質(zhì)量排放濃度變化情況見(jiàn)圖1，O2含量、NOx折算排放濃度、純凝工況下單位發(fā)電量平均排放的NOx質(zhì)量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“排放績(jī)效”)、單位發(fā)電量的平均天然氣消耗量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“發(fā)電氣耗”)情況見(jiàn)表3。

表3 NOx排放濃度及排放績(jī)效隨負(fù)荷變化情況

機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)NO2排放濃度較高，當(dāng)負(fù)荷率升至27.4%后逐漸降低。因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)為穩(wěn)定燃燒，防止火焰熄滅，采用擴(kuò)散燃燒模式及先導(dǎo)預(yù)混燃燒模式，擴(kuò)散燃料通道一直投用，生成大量熱力型NOx，其中80%以上是NO2。由于NO2氣體呈紅棕色，稀釋后呈黃褐色，所以在機(jī)組啟動(dòng)初期和低負(fù)荷時(shí)，能觀測(cè)到煙囪上冒黃煙。隨著負(fù)荷上升，燃燒方式轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)混燃燒，燃燒產(chǎn)物中的NO2濃度逐漸降低，排出的煙氣顏色也越來(lái)越淡，通過(guò)眼睛就看不出煙氣的顏色了。

NO排放濃度隨負(fù)荷升高呈現(xiàn)先增加后降低再緩慢增加的趨勢(shì)，在負(fù)荷率12.6%時(shí)到達(dá)最高點(diǎn)，24.7%時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)。

O2含量隨負(fù)荷升高逐漸降低，NOx折算排放濃度在負(fù)荷率0%～25%的范圍內(nèi)嚴(yán)重超標(biāo)，負(fù)荷率10%時(shí)達(dá)到最高；負(fù)荷率高于25%后逐漸降低，至31%時(shí)基本達(dá)標(biāo)；負(fù)荷率50%～60%時(shí)最低。因此，6F.03型燃?xì)鈾C(jī)組要使煙氣污染物NOx排放完全滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)避免在31%以下負(fù)荷運(yùn)行。

機(jī)組在負(fù)荷率50%以上運(yùn)行時(shí)，NOx排放績(jī)效穩(wěn)定在較低范圍，環(huán)境效益最高；在負(fù)荷率100%時(shí)單位發(fā)電氣耗最低，經(jīng)濟(jì)性最好。從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性綜合考慮，燃?xì)鈾C(jī)組在負(fù)荷率50%及以上運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性最佳。

3 結(jié)論

a.6F.03型燃?xì)鈾C(jī)組的SO2和煙塵排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，NOx排放濃度在負(fù)荷率31%時(shí)基本達(dá)標(biāo)，為確保煙氣達(dá)標(biāo)排放，燃?xì)鈾C(jī)組應(yīng)在額定負(fù)荷的31%以上穩(wěn)定運(yùn)行。

b.機(jī)組在負(fù)荷率50%以上運(yùn)行時(shí)環(huán)境效益最高，在負(fù)荷率100%時(shí)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最好。從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性綜合考慮，燃?xì)鈾C(jī)組在負(fù)荷率50%及以上運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)效益雙贏。