控制燃气轮机排放CLN的技术

1、控制燃气轮机排放CLN的技术董 斌，马正军，俞世康，刘 晗（中国船舶重工集团公司第七O三研究所，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要：环保要求推动燃气轮机排放污染物控制技术的发展，程大酉博士领导开发的Cheng Low NOx System（CLN）技术可以同时减少NOx、CO，十年来该技术完成了理论研究、试验室验证和工程应用，受到人们的关注。在Alison、LM2500 等航改型燃气轮机上应用CLN 技术，NOx可低至5×10-6，同时CO可保持在一位数，CO2 可以减少20%，同样在工业燃气轮机上采用CLN 技术也能取得良好的效果。虽然还有需要继续研究的内容，但该技术的市场前景预期

2、令人期待。关键词：燃气轮机；低排放；CLN 技术。0 引言全球环境污染已成为世界性问题，京都议定书等对污染物排放提出限制。燃气轮机需要高效、低排放、可靠的燃烧室，以满足越来越严格的NOx及CO的排放控制要求。目前燃气轮机控制NOx 主要有三种方式：控制燃烧、催化燃烧和燃烧后还原处理。控制燃烧通过降低峰值火焰温度来控制热力NOx，峰值火焰温度可以通过燃料和空气混合、燃烧区局部过量空气、燃料停留时间长短以及燃烧功率密度等影响因素进行控制，主要有贫预混DLN/DLE 和注水/ 蒸汽技术；催化燃烧涉及燃料和空气在催化表面的无火焰燃烧，无火焰燃烧温度需低于NOx 形成的极限温度；燃烧后还原技术主要是选择

3、性催化还原（SCR），燃烧生成物中的NOx 在催化剂表面与氨等还原剂作用，从而减少NOx 排放。DLN/DLE、SCR 和注水/ 蒸汽等技术在控制NOx 排放的同时，热耗率会增加，CO 排放也会升高。目前工程项目中，注水/ 蒸汽是减少NOx生成的主要方法，无需改动主要燃烧设备，但减少NOx 生成是以增加CO 排放为代价，因此应用和发展有其局限性；DLN/DLE 和燃烧后还原处理等方法需要改进主要燃烧设备或增加昂贵的设备，而且DLN/DLE 方法受到燃烧稳定性以及CO、UHC（未燃碳氢化合物）排放高的限制。2000 2003 年美籍华人程大酉博士开发了CLN 技术，可以同时减少NOx、CO，于2

4、002 年获得美国专利。十年来该技术完成了理论研究、试验室原理性验证和工程应用全过程。据报道3，在RR、GE 等生产的一些机组上安装后，运行效果良好。1 CLN 技术原理及理论研究 1，3所谓CLN 技术，是指仅将蒸汽与气体燃料均匀预混，无需催化剂、氨吸收反应物和其它附加系统和设备，即能控制燃气轮机、燃气锅炉和其它气体燃料热工设备的NOx、CO 排放水平，NOx可以降低至5×10-6，同时CO 约为(1 5)×10-6。如前所述，向燃烧区注水/ 蒸汽降低火焰温度可控制NOx 生成，而当NOx降低时，CO 排放快速上升，CO 排放高是燃烧效率降低的重要特征。典型的注蒸汽系统是

5、将蒸汽注到燃料喷嘴周围，无论是否预混，与向压气机出口空气里注蒸汽一样均降低空气中的氧含量，都会降低火焰温度。目前使用注蒸汽技术控制排放时蒸汽/ 燃料比限于2:1 之内，以避免产生过多的CO。燃气轮机的扩散燃烧基于快速反应理论，假定化学反应速度无限快，燃烧速率由燃料和氧分子和湍流扩散率控制。燃烧理论和试验研究已经证明，NOx 具有较高的活化能，因为氧气不能穿过火焰，NOx 很难在火焰前方形成。只有在氮气和氧气同时存在的火焰高温区范围内，在所有可燃成分燃尽后，才能形成NOx。而燃烧产物中存在CO 和UHC 意味着火焰中氧气不足或者燃烧火焰温度低，通过注水/ 蒸汽或较低温度的催化燃烧，NOx 确实会

6、减少，但由于氧气浓度变小，甚至会导致火焰熄灭，CO 和UHC 剧增。图1 示出普通扩散燃烧、注水/ 蒸汽技术燃烧和CLN 技术燃烧的差异。上层的图是燃料和氧气燃烧前的扩散图，氧气和燃料达到化学当量比就产生了火焰，图中的当量比为1。下层的图是燃烧过程的扩散图，燃料和氧气扩散向当量比方向发展，在此表面，认为燃料和氧气在无限薄的火焰表面燃烧后突然在此消失，同时生成H2O 和CO2。 图1a 是采用传统的注水/ 蒸汽技术，蒸汽与空气混合后利用蒸汽具有比空气高的比热容，降低火焰温度从而减少NOx 的生成，达到控制排放的目的。但是蒸汽与空气混合后，混合物中氧气的浓度也同时降低，使得火焰表面向外移动，氧气浓

7、度变低后甚至可引起火焰熄灭，从而导致CO 生成增加。图1b 是普通扩散燃烧。图1c 是CLN 技术，蒸汽与燃料均匀混合，燃料掺混蒸汽后燃料浓度降低，当量比表面前移，由于燃料稀释使得火焰表面向内移动，在此过程中，空气富氧，故CO 和UHC 减少。a）向空气中注蒸汽方式 b）正常火焰方式 c）蒸汽与燃料气均匀混合方式图1 三种不同技术的燃烧前后组分浓度分布图1图1、图2 同时给出了火焰内N2 的浓度，由于O2 与燃料反应故不能穿过火焰前端，而N2 能够穿过火焰，因此火焰前端存在N2。由图1c 和图2 可以看出，在燃烧高温区NOx 生成最多，因水蒸汽的存在，减少了N2 的浓度，在NOx 生成最多的燃

8、烧高温区，N2 质量分数减少，因此NOx 生成减少。图2 燃烧区N2 质量分数的数值仿真结果1CLN 技术通过采取缩短火焰扩散范围、增加氧气扩散率并抑制氮气扩散率等措施，达到如下目的：减少燃料燃烧后形成的最高温度区域容积，极高的燃料喷射速度同样减少了火焰封闭区域体积。通过燃料和蒸汽的均匀预混，使得燃料和氧气的当量浓度表面内缩，扩散火焰范围缩短；混合后体积流量升高需要更高的喷嘴喷射动能，增加了氧气中对流组分的扩散速率；火焰封闭区向内移动以及燃烧后更高的对流组分等因素，使氧气和氮气同时存在于火焰封闭区前端的时间明显缩短。由于CLN 技术使燃料侧稀释，火焰前端向燃料侧移动，使得温度梯度增加，扩散率和

9、浓度梯度增加，从而燃烧速率加速。文献1 使用STAR-CD 软件，采用- 湍流模型、三步扩展热力反应模型，针对W501D5A机组采用CLN 燃烧技术进行仿真计算，解释了燃料和蒸汽均匀混合降低排放的工作原理。仿真计算结果表明，NOx 最大值出现在燃料耗尽后的区域，燃料和蒸汽均匀混合物增大了喷射动能，使得氧气向火焰的扩散率增大，燃料和蒸汽均匀混合物使燃烧加速，使得火焰内有更高的温度梯度，水蒸汽的存在减少了氮气的浓度，因此NOx 排放减小，由于存在更多的氧，CO 和UHC 保持较低的水平。图3 进一步解释了CLN 技术与传统的注水/ 蒸汽之间的差异。扩散火焰中形成NOx 的区域，中间区域代表正常的燃

10、烧气体扩散火焰高度。三角形代表形成NOx 的区域，在火焰中H2 和CO 燃尽后才能形成NOx，三角形内的热尖端区的最高温度使得空气中的N2 和O2 相互作用形成NOx。传统控制排放的方法是在空气进入燃烧室前将蒸汽注入到压气机排气中，由于蒸汽空气混合后氧气所占比例降低，因此燃烧区最高温度降低了，但火焰区体积变大，生成NOx 的区域也同时增大。而CLN 技术可缩短火焰高度减少最大火焰温度，同时缩短火焰长度，具有双重优点：降低火焰温度并缩小NOx 生成区。图3 燃料和蒸汽的均匀预混后NOx 生成区缩小3常规的注蒸汽系统中，蒸汽与空气混合不均匀会导致燃烧产物CO 升高。当燃料和氧气开始混合时，扩散燃烧

11、开始，当燃料和氧气的浓度比达到相应比例时，开始产生火焰。因此无论是否在空气中增加蒸汽，燃烧应在燃料/ 氧气浓度比达到一定的区域发生。为了形成典型的扩散燃烧，燃料/ 氧气混合均匀性应该处于平均自由程范围，但多数混合方案不能满足此要求。CLN 技术的核心技术在于在扩散燃烧过程中蒸汽和燃料的混合均匀性能够满足上述要求。图4 显示的使用蒸汽为稀释剂，在不同蒸汽的燃料预混比时典型工业燃气轮机的实验结果。CO 排放最初处于某一低水平，然后突然上升，表明此时产生燃烧不稳定。提高蒸汽、燃料预混匀度，可以改善燃烧不稳定限制。例如，混合均匀度为75% 时产生燃烧不稳定的蒸汽燃料比是2：1，混合均匀度达到90% 时

12、产生燃烧不稳定的蒸汽燃料比大约是3：1，混合均匀度超过97%时产生燃烧不稳定的蒸汽燃料比大约是4：1。由此可见，相同的蒸汽燃料比不会使NOx 降低，但对CO 排放影响较显著。CO 排放过高表明燃烧超出燃气轮机正常运行可接受的限制。图4 均匀性与火焰稳定性32 CLN 技术试验室研究3为了验证CLN 技术，程氏公司专门建设一套常压试验设备（图5），采用常压试验主要考虑减少投资并缩短进行工业应用的周期。紧凑气- 气换热器用于加热入口空气，排气阀和掺混空气共同控制加热空气的温度，保证试验台燃烧室进口温度与实际燃气轮机一致。燃烧室设计成与实际燃气轮机一样的回流形式，燃料空气比和燃料蒸汽比均保持与实际燃

13、气轮机一样。试验台架设计了两路蒸汽，一路蒸汽与燃料进行均匀预混，用于CLN 技术，控制燃烧中NOx 生成，另一路更多的蒸汽用于增加燃气轮机功率。图5 常压试验设备原理图3试验台使用GE 公司的MS6001B 燃烧室，常压试验状态和燃气轮机运行状态见表1。表1 常压试验状态和燃气轮机运行状态状态参数燃气轮机运行状态常压试验状态燃烧室数量101燃烧室压力/MPa1.0270.106燃烧室出口温度/K1 2501 250燃烧室空气流量/kg s-1110.51.08燃料流量/kg s-11.80.017 6常压试验结果见图6，在蒸汽/ 燃料比为3:1时NOx 可降至5×10-6，CO 可达

14、2×10-6。这里存在一个问题，即如何准确评估试验条件和实际燃气轮机燃烧条件在几何上和物理上的差异，从而将试验结果正确外推到实际燃气轮机燃烧室或燃烧器的性能。这里利用相似原理对实验数据进行处理，由于空气流量、空气温度、燃料流量和蒸汽流量等在试验时保持与实际燃烧室条件相同，因此均可忽略。只有压力差异的影响需要考虑，从而有式（1）。Steam / Fuel (Mass)图6 空气经预热，蒸汽/ 燃料经预混GE 6B NOx 和CO 排放公式（ 1）利用现场MS6001B 实测的排放值， 求得n=0.2，这样可以通过常压试验结果预测CLN 技术的效果。3 CLN 技术工程应用42002 年

15、，程氏公司改造了夏威夷考艾岛某调峰电站的一台LM2500，该机组8 年来一直承担日常变动的负荷，运行效率44.3%。同年，南加利福尼亚某炼油厂的两台GE 的Fr 6B 机组也进行了改造。2005 年，门罗园区的斯坦福研究所的Allison501-KB5S 进行商业示范，性能和排放受到详细监测。运行10 个月后的2006 年早些时候，对排放重新检测，在蒸汽燃料比为2.75 时，NOx 为8.5×10-6，CO 为 6.5×10-6。程氏公司对一台LM2500PE 燃气轮机（原已安装DLE 系统和注水系统）进行CLN 技术改造，采用1.8:1 的蒸汽/ 燃料混合降低NOx 和C

16、O2 排放物，同时出力增加。表2 给出了该LM2500PE不同燃烧状态的性能和排放结果。表2 LM2500PE 不同燃烧状态的性能和排放状态参数 普通燃烧室 注水 贫预混燃烧 蒸汽燃料(WLE) 室 （DLE） 混合（CLN）功率/kW 22 801 23 879 21 719 26 125热耗率/kJ·kWh-1 9 280 10 100 10 185 9 098效率/% 38.8 35.6 35.4 39.6NOx/×10-6 168 42 15 5CO2/t·a-1 125 300 115 114 116 083 102 827CO2减少/t·a-

17、1 10 186 9 217 22 473CLN 技术的关键之一是蒸汽和燃料的均匀预混，工程应用中特别设计了一个混合和控制系统，可在喷嘴前端得到近乎100% 均匀的蒸汽燃料混和气。条件适当时，蒸汽和燃料的混合浓度分布在燃烧区域小旋涡内保持不变。余热锅炉供的蒸汽与燃料气混合，蒸汽控制阀测量蒸汽流量并上传到计算机，由程序控制在任何运行负荷下送至燃气轮机的蒸汽/ 燃料比都保持准确一致。首先将蒸汽和燃料通入管子里面的一个T 形部位，用旋转叶轮强化两种流体层流混合，随后由一套静态混和器使混合流动更加均匀，专门设计的超长发动机燃料总管以用于连续使蒸汽燃料完全混合。总管分成左、右两部分，连接到燃烧室环形总管

18、，蒸汽燃料混合物供到LM2500 燃气轮机均布的30个喷嘴，进一步提高紊流混合。为了保持混合连续性, 在喷嘴内内置旋转叶轮以均衡流动，确保均匀混合燃料通过喷嘴孔，图7 为LM2500 蒸汽/ 燃料预混专用喷嘴。图7 蒸汽/ 燃料预混专用喷嘴实际测试之前，不断改变蒸汽燃料比和瞬变条件，检测控制系统性能和对燃气轮机参数的影响。在启动和满负荷运行期间，记录的数据包括NOx，CO，CO2 和UHC。最初试验主要关心的关键测量参数是NOx、CO，然后是CO2，以及燃料流量、热耗率和计算每年CO2 排放量。实测结果令人吃惊, 在蒸汽燃料混合极均匀( 超过99%)时，NOx 排放水平完全与出力无关，过去人们

19、总认为NOx 与负荷状况有关。LM2500 燃气轮机采用CLN 在蒸汽/ 燃料比低于1.8：1 时NOx 排放即达到5×10-6，而采用GE 公司标准蒸汽燃料喷嘴在相同蒸汽/ 燃料比运行时NOx 排放为24×10-6，与前述研究结论一致，蒸汽/ 燃料均匀程度对控制NOx 影响更强烈。4 CLN 技术需要关注的问题文献5 针对注湿类循环中透平部件在不同的含湿量下性能进行计算，分析结果表明：含湿量的增加对工质热物性的影响不容忽视；随着含湿量的增加, 定压比热增加，进出口比容均增加；在相同的压比条件下, 透平整体的绝热焓降、容积流量、做功会增加, 机组各级的反动度都有不同程度的减小。文献6 对加湿空气扩散燃烧火焰的结构、速度场和稳定性等方面进行了试验研究，从PIV 测得的速度场表明, 空气湿度使燃烧流场的回流区长度