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燃機(jī)氮氧化物排放研究及脫硝技術(shù)探討

文檔作者：徐灝胡達(dá)清周旭健劉海蛟文檔來(lái)源：浙江天地環(huán)保科技有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月25日
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燃機(jī)氮氧化物排放研究及脫硝技術(shù)探討
徐灝胡達(dá)清周旭健劉海蛟
(浙江天地環(huán)保科技有限公司浙江杭州311121)
摘要在天然氣燃機(jī)啟停及低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中。燃機(jī)排氣氮氧化物濃度較高，煙囪會(huì)出現(xiàn)冒“黃煙”現(xiàn)象。對(duì)某9F燃機(jī)的
排氣進(jìn)行測(cè)試。分析其中氮氧化物生成的規(guī)律。探討燃機(jī)氮氧化物生成機(jī)理和脫硝技術(shù)，提出燃機(jī)啟停及低負(fù)荷時(shí)消除“黃
煙”的解決方案。
關(guān)鍵詞燃機(jī)氮氧化物脫硝
中圖分類(lèi)號(hào)：X77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2017)05-029—03
0前言
天然氣燃機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)燃機(jī))在正常工作負(fù)荷范圍內(nèi)，其
排放的煙氣中NOx濃度較低。完全滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠(chǎng)大
氣污染排放標(biāo)準(zhǔn))(GBl3223—201 1)中的要求。但在燃機(jī)啟動(dòng)
或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)．排氣中氮氧化物已超出GBl3223中的排
放限值。煙囪出El往往冒出黃煙。在白天給人的視覺(jué)效果較
差。燃機(jī)電廠(chǎng)在啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)煙囪冒黃煙是普遍現(xiàn)象。對(duì)
于電廠(chǎng)燃機(jī)。當(dāng)采用熱態(tài)啟動(dòng)至高負(fù)荷時(shí)，一般冒黃煙現(xiàn)象
持續(xù)30min左右：冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，冒黃煙現(xiàn)象持續(xù)2h左右。目
前燃機(jī)電廠(chǎng)多位于城市中心區(qū)域．多處于“晝開(kāi)夜停”的運(yùn)行
模式，啟停頻繁。由于公眾對(duì)于燃機(jī)燃燒特性的不了解，煙囪
冒黃煙很容易引起周?chē)用竦年P(guān)注．甚至被認(rèn)為電廠(chǎng)在“偷
排”廢氣。針對(duì)燃機(jī)電廠(chǎng)的環(huán)保投訴多次發(fā)生。
本文通過(guò)對(duì)某燃機(jī)電廠(chǎng)9F等級(jí)燃機(jī)的排氣進(jìn)行測(cè)試．
分析其中氮氧化物生成的規(guī)律，探討燃機(jī)氮氧化物生成機(jī)理
和脫硝技術(shù)．提出燃機(jī)低負(fù)荷啟停時(shí)消除“黃煙”的解決方
案。
1燃機(jī)設(shè)備概況
針對(duì)某390MW等級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組煙囪
排氣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究其排氣中氮氧化物變化規(guī)律。燃汽
輪機(jī)組選用美國(guó)GE公司生產(chǎn)的STAG 109FA SS型機(jī)型。其
主要設(shè)備分燃機(jī)、汽機(jī)、余熱鍋爐、GIS 4個(gè)部分，機(jī)島設(shè)備
(燃機(jī)、汽機(jī)、發(fā)電機(jī))。通過(guò)設(shè)備為單軸排列形式，汽輪機(jī)和
發(fā)電機(jī)之間無(wú)耦合器，排列順序?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)，汽輪機(jī)，發(fā)電
機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)：型號(hào)：PG9351FA，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1燃?xì)廨啓C(jī)主要技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)
點(diǎn)火轉(zhuǎn)速
自持轉(zhuǎn)速
壓氣機(jī)
燃燒室及噴嘴
燃料
透平
ISO運(yùn)行工況透平排氣流量
ISO運(yùn)行工況透平排氣溫度
420r／rain
一2400r／mill
18級(jí)軸流式，壓比16．5，
空氣流量624kg／s
18個(gè)環(huán)型燃燒室和DLN2
+燃燒器，每個(gè)燃燒室5個(gè)噴嘴
天然氣
3級(jí)，設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度1326℃
2329900kg／h
605．9℃
余熱鍋爐由哈爾
濱鍋爐廠(chǎng)生產(chǎn)．系三
壓、再熱、無(wú)補(bǔ)燃、無(wú)
旁通煙筒、臥式布置、
自然循環(huán)余熱鍋爐．
與GE公司9F等級(jí)
燃機(jī)匹配。主煙囪高
度60m．主煙囪直徑
67m。燃機(jī)鍋爐和煙
囪布置見(jiàn)圖1。
2煙氣成分測(cè)試
分析
測(cè)點(diǎn)位于煙囪
搿點(diǎn)恤擻
甄{蠢
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～4P?j?霄1：8： ；
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圖1燃機(jī)鍋爐和煙囪布置圖
50m平臺(tái)處．采用德國(guó)德圖煙氣分析儀test0340來(lái)測(cè)量煙氣
中的NO，N02，0：。從燃機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)開(kāi)始至燃機(jī)負(fù)荷升至
350MW階段對(duì)排氣進(jìn)行測(cè)量．再?gòu)娜紮C(jī)350MW負(fù)荷至停機(jī)
階段的排氣進(jìn)行測(cè)量。主要測(cè)量排氣中NO，N02，0：和煙溫
隨負(fù)荷的變化情況。并觀(guān)察煙囪排氣顏色。燃機(jī)啟動(dòng)階段的
排氣各成分濃度變化情況見(jiàn)圖2．停機(jī)階段的排氣各成分濃
度變化情況見(jiàn)圖3。
從圖2可以看
出，在燃機(jī)啟動(dòng)階段。
隨著負(fù)荷上升．N0和
NO：濃度均先上升再
下降。在機(jī)組25MW
至80MW負(fù)荷之間．
NO：濃度快速上升，
NO的濃度緩慢上升．
N02濃度高于NO的
51j6 5+2l 5 26'31 5：36，’41 5：46 5：5j 5：56 6：01 5：06
時(shí)間(分：秒)
圖2燃機(jī)啟動(dòng)階段排氣成分變化
濃度，NO濃度最高為22ppm。N02濃度最高為67ppm，此時(shí)
觀(guān)察煙囪出口煙氣呈紅棕色。在機(jī)組80MW至125MW負(fù)荷
之間，NO濃度快速上升，NO：的濃度緩慢下降，NO濃度高于
N02的濃度。NO濃度最高為126ppm，N02濃度最高為
23ppm，此時(shí)觀(guān)察煙囪出El煙氣呈黃色。在機(jī)組125MW至
350MW負(fù)荷。NO和N02濃度逐漸下降。最終NO濃度穩(wěn)定
科技項(xiàng)目：浙江省能源集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目(ZN—KJ一17-039)
作者簡(jiǎn)介：徐灝(197踮)，男，碩士學(xué)歷。高級(jí)工程師，現(xiàn)在浙江天地環(huán)保秤技有限公司設(shè)計(jì)研究院工作，主要從事火電廠(chǎng)環(huán)保工藝設(shè)計(jì)與技術(shù)研發(fā)。
萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2017．N0．5．o
時(shí)硼(升：移，
圖3燃機(jī)停機(jī)階段排氣成分變化
在22ppm，N02濃度穩(wěn)
定在4ppm．此時(shí)觀(guān)察
煙囪出口煙氣呈淡黃
色，當(dāng)N02濃度低于
20ppm時(shí)．黃煙基本消
失。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)
約60min．煙氣溫度由
70℃上升至115℃．然
后穩(wěn)定在90℃左右．排
氣中02的含量從
19．7％開(kāi)始緩慢下降．
最后穩(wěn)定在13．9％。
從圖3可以看出，在燃機(jī)停機(jī)階段，隨著負(fù)荷下降，NO
濃度在機(jī)組350MW至230MW之間穩(wěn)定在12ppm．17ppm．
230MW至150MW負(fù)荷之間先上升再下降，然后N02濃度隨
著負(fù)荷緩慢下降．整個(gè)停機(jī)期間NO濃度的最高值為
65ppm。在燃機(jī)停機(jī)階段，隨著負(fù)荷下降，N02濃度在機(jī)組
350MW至230MW之間穩(wěn)定在3ppm。6ppm．230MW負(fù)荷之
后N02濃度先突然上升，然后隨著負(fù)荷緩慢下降，整個(gè)停機(jī)
期間N02濃度的最高值為609pm。整個(gè)停機(jī)過(guò)程持續(xù)約
20min，且處于夜間，無(wú)法觀(guān)測(cè)煙囪排煙顏色。
3燃機(jī)氮氧化物排放機(jī)理及脫硝措施探討
3．1燃機(jī)氮氧化物生成機(jī)理
燃?xì)廨啓C(jī)排放煙氣中NOx主要有兩個(gè)來(lái)源：第一種為
熱力型NOx，天然氣在燃燒室燃燒的過(guò)程中，空氣中的N2會(huì)
在溫度高于1500℃的區(qū)域生成NOx。而且隨著溫度的升高．
NOx生成量急劇升高；第二種為燃料型NOx，燃料中的含氮
化合物燃燒產(chǎn)生的NOx。由于天然氣中的含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可忽
略不計(jì)．因此燃料型NOx產(chǎn)生量很少．熱力型NOx為燃?xì)廨?
機(jī)排放煙氣中NOx的主要來(lái)源。
燃機(jī)在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主燃料少。擴(kuò)散燃燒燃料
多。采用擴(kuò)散燃燒的方式燃燒穩(wěn)定，但火焰溫度高，此時(shí)燃燒
生成的NOx中NO：濃度高。由于N02氣體為紅棕色，被稀釋
后煙氣呈黃褐色，此時(shí)燃機(jī)電廠(chǎng)排煙就出現(xiàn)冒黃煙現(xiàn)象。
隨著負(fù)荷的上升．機(jī)組燃燒控制系統(tǒng)減少值班噴嘴的燃
料量。擴(kuò)散燃燒逐漸撤出，增加主燃料量，從而增加預(yù)混燃燒
的比重．采用均相預(yù)混合的湍流火焰?zhèn)鞑ト紵绞剑瑢⑷剂?
與空氣預(yù)先混合成為均相的、稀釋的混合物。并實(shí)時(shí)控制其
摻混比，使火焰面溫度始終低于熱力型NOx生成的溫度，從
而有效的降低了NOx的排放量，并且使N02含量逐漸減少，
排出的煙氣顏色也越來(lái)越淡．當(dāng)負(fù)荷升至一定程度時(shí)，肉眼
就看不出煙氣顏色。
有研究表明，當(dāng)燃機(jī)排氣中N02濃度大于10ppm時(shí)，煙
囪出121出現(xiàn)冒黃煙現(xiàn)象，且N02濃度越高，黃煙顏色越深。反
之，則顏色越淡。但燃機(jī)排氣中N02濃度小于10ppm時(shí)，黃
煙現(xiàn)象基本消失[1，捫。
3．2燃機(jī)氮氧化物脫除技術(shù)
目前可供選擇的脫硝技術(shù)有選擇性非催化還原(SNCR)
2017．No。5．
脫硝、選擇性催化還原(SCR)脫硝、低氮燃燒技術(shù)、液體吸收
法、吸附法。
3．2．1 SNCR技術(shù)
SNCR技術(shù)需要在9000C。11000C的溫度區(qū)間內(nèi)．在煙氣
中噴入尿素或氨水溶液作為還原劑．在沒(méi)有催化劑的情況
下。還原劑與煙氣中的氮氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)．生成氮
氣和水，從而進(jìn)行脫硝。而燃機(jī)電廠(chǎng)排煙溫度相對(duì)較低，無(wú)法
達(dá)到這一溫度范圍。如果燃機(jī)本體安裝SNCR設(shè)備．需要有
足夠空間布置噴槍。并滿(mǎn)足還原劑在煙氣中混合、反應(yīng)的時(shí)
間和空間要求．而燃機(jī)緊湊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其不適合配置
SNCR設(shè)備。
3．2．2 SCR技術(shù)
SCR技術(shù)是相燃機(jī)排氣中噴入尿素或氨水等含氨溶液
作為還原劑．在有催化劑的條件下。排氣中的氮氧化物與氨
反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退３Ｒ?guī)的SCR技術(shù)要求排煙溫度保持
在3000C～4000C的狹窄范圍內(nèi)．因此SCR反應(yīng)器一般按照在
余熱鍋爐的適宜溫度區(qū)間段內(nèi)．且只能在負(fù)荷工況比較穩(wěn)定
的機(jī)組中使用。這種方法的投資費(fèi)用很高．且對(duì)煙氣中含硫
量非常敏感，催化劑容易中毒和堵塞。催化劑需要定期更換，
廢棄的催化劑處理時(shí)也會(huì)產(chǎn)生二次污染。運(yùn)行費(fèi)用較高。
3．2．3低氮燃燒技術(shù)
低氮燃燒技術(shù)(DLN)主要分為濕式與干式兩種，目前應(yīng)
用較多的是干式低氮燃燒技術(shù)。干式低氮燃燒器設(shè)計(jì)的基本
原理是：使燃料與空氣預(yù)先混合成為均相的、稀釋的可燃混
合物，并使其以火焰?zhèn)鞑サ姆绞饺紵Ｒ允够鹧鏈囟瓤刂圃?
1650'(2以下。從而降低氮氧化物的生成量【3]。
由于低氮燃燒器結(jié)構(gòu)與工作方式的局限性．存在燃燒不
穩(wěn)定、CO排放增加、燃料及負(fù)荷適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。在燃機(jī)低
負(fù)荷運(yùn)行和啟動(dòng)過(guò)程階段，為保持燃燒穩(wěn)定性。必須維持足
夠擴(kuò)散燃燒量，此時(shí)煙氣中的氮氧化物濃度仍然較高。且燃
機(jī)及其配套的低氮燃燒器設(shè)備長(zhǎng)期被國(guó)外廠(chǎng)商壟斷．設(shè)備購(gòu)
物費(fèi)用相當(dāng)高。因此低氮燃燒器不僅投資費(fèi)用高，而且也不
能從根本上消除燃機(jī)啟停階段冒黃煙現(xiàn)象[43。
3．2．4液體吸收法
用液體吸收法吸收廢氣中的氮氧化物．對(duì)煙氣溫度適應(yīng)
范圍廣，具有工藝簡(jiǎn)單、投資少、運(yùn)行阻力小的特點(diǎn)。可根據(jù)
具體電廠(chǎng)燃機(jī)煙氣條件選擇合適吸收液．以期達(dá)到較高的脫
硝效率。常用的吸收法有堿液吸收法、吸收還原法和氧化吸
收法等。
(1)堿液吸收法。堿液和二氧化氮反應(yīng)生成硝酸鹽和亞
硝酸鹽，采用較多的吸收劑為氫氧化鈉和碳酸鈉溶液。國(guó)外
還有用熔融堿類(lèi)或堿性鹽作為吸收劑凈化含氮氧化物煙氣。
(2)吸收還原法。用亞硫酸鹽、亞硝酸鹽、硫化物或尿素
的水溶液作吸收劑．將氮氧化物吸收并將其在液相中還原為
氮?dú)狻?
(3)氧化吸收法。該方法先將氮氧化物中的一氧化氮部
分地氧化成二氧化氮以提高氮氧化物的氧化度．然后用堿性
溶液進(jìn)行吸收。按所用氧化劑的不同又可分為硝酸氧化法、
萬(wàn)方數(shù)據(jù) 國(guó)
活性炭催化氧化法、通氧氧化法、亞氯酸鹽氧化法、高錳酸鉀
氧化法和原子氧氧化法等。該方法的實(shí)際應(yīng)用主要取決于氧
化劑的成本[51．
3．2．5 吸附法
吸附法既能比較徹底地消除氮氧化物的污染．又能將氮
氧化物回收利用。常用的吸附劑有分子篩、硅膠、活性炭等。
(1)分子篩吸附法。用分子篩作為吸附劑凈化氮氧化物，
脫除效率可達(dá)95％以上。常用的吸附劑有氫型絲光沸石、氫
型皂沸石、脫鋁絲光沸石、13X型分子篩等。
(2)硅膠吸附法。硅膠在溫度超過(guò)2000C時(shí)會(huì)干裂，這限
制了其應(yīng)用范圍。最佳硅膠吸附法的吸附溫度一般在30℃
以下。在煙氣中含有大量NO時(shí)，使用硅膠吸附氮氧化物的
效果良好。
(3)活性炭吸附法。活性炭對(duì)低濃度氮氧化物有很高的
吸附能力，其吸附量比分子篩和硅膠還高。解吸后的氮氧化
物可以回收利用。利用特定品種的活性炭，可使氮氧化物還
原為氮?dú)狻Ｓ捎诨钚蕴吭?000C以上有自燃的可能，給活性
炭的吸附和再生造成一定困難【6]。
4結(jié)論及建議
(1)燃機(jī)啟停階段排氣中氮氧化物主要成分為NO：和
NO．二者濃度均存在先上升后下降的過(guò)程，同時(shí)煙囪排氣出現(xiàn)
冒黃煙現(xiàn)象。啟動(dòng)階段NO：和NO最高濃度可達(dá)67ppm和
126ppm，停機(jī)階段N02和NO最高濃度可達(dá)60ppm和65ppm。
(2)綜上所述，采用SNCR、SCR和低氮燃燒器技術(shù)均不
能經(jīng)濟(jì)、高效地解決低負(fù)荷啟停時(shí)氮氧化物濃度高的問(wèn)題。
針對(duì)燃機(jī)啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間短、低排煙溫度、氮氧化物濃度高的
煙氣特點(diǎn)．液體吸收法和吸附法具有一定的技術(shù)可行性。
(3)后續(xù)重點(diǎn)開(kāi)展液體吸收法和吸附法脫硝的技術(shù)研
究．探索一種適用于燃機(jī)低負(fù)荷啟動(dòng)階段。技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性
好的氮氧化物控制工藝技術(shù)。
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(上接第23頁(yè))
省具有代表性的極端氣候特征進(jìn)行分析．研究各極端氣候特
征對(duì)電量需求的影響。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于極端氣候特
征的用電量預(yù)測(cè)修正模型．對(duì)未來(lái)電量需求的預(yù)測(cè)有指導(dǎo)意
義．同時(shí)對(duì)于短期的負(fù)荷預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)．有助于電網(wǎng)調(diào)度
的實(shí)時(shí)準(zhǔn)備。
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數(shù)增加；當(dāng)Re一定時(shí)，隨著}以值的增大，Nu數(shù)增大。5黃莉．板式換熱器波紋參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[D]．碩士學(xué)住
(2)從固定時(shí)，就阻力特性而言，隨著Re數(shù)的增加阻力論文．北京化工大學(xué)。2010．
系數(shù)先增后減；當(dāng)Re一定時(shí)，隨著l以值的增大，f增加顯6趙鎮(zhèn)南．板式換熱器人字波紋傾角對(duì)傳熱及阻力性能影響[J]．石油
著。化工設(shè)備，2001，5(30)：1-3．
(3)l以固定時(shí)。就翅片效率而言，隨著Re數(shù)增大，波紋7欒志堅(jiān)，張冠敏，張俊龍，等．波紋幾何參數(shù)對(duì)人字形板式換熱囂內(nèi)
板效率減小；Re不變時(shí)，隨著h／s增大，效率增大。流動(dòng)形態(tài)的影響機(jī)理[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007，37(2)：
參聾鑾警。????，、。．。????。?．．， 8；．J：乏．人字形板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)板式換熱器傳熱與流阻特性影響
1，建祖·換熱器原理與設(shè)計(jì)[M]．第1版_。京航空航天大學(xué)出版社， 。嘉≥若]．二二；i安三：舉篙i二≥≯j焉；．?“?““?9“
201ZN0．5．蕊萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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