燃气轮机 控制技术及催化剂应用的现状与展望

燃气轮机 控制技术及催化剂应用的现状与展望

张翀

大唐苏州热电有限责任公司 江苏苏州 215214

摘要： 是大气的主要污染源，它不仅破会坏平流层中的臭氧，还会引起酸雨、酸雾和光化学烟雾，对动植物的健康也构成极大威胁。火电厂是 的主要排放源之一。使用天然气等清洁能源代替传统的煤燃料，可大大减少 的排放，但是燃机电厂的烟气量较大，故燃机电厂的 排放总量也不容忽视。本文综述了 控制技术及SCＲ催化剂的现状，并对其应用前景进行展望。

关键词：燃气轮机；控制技术； 催化剂；应用研究

众所周知，由于燃料特性的不同，燃气发电比燃煤发电更为清洁高效，其排放烟气中的粉尘和 含量非常低。但随着燃煤电厂实施超低排放改造，燃气电厂在 排放浓度上的优势受到挑战。由于燃煤与燃气发电的过量空气系数不同，燃烧产生的烟气量和烟气含氧量不同，两种发电形式在相同标准下的度电 实际排放量差异较大。若同时按50mg/ （标准状态，下同）的排放标准计算，燃气电厂 度电排放量约是超低排放后燃煤电厂排放量的1.5倍左右。

1. 的生成机理、危害

工业生产过程中产生 都与燃料燃烧有关。化石燃料（煤、石油和天然气）燃烧过程中 的生成有三种机理；含氮燃料的氧化（燃料 ）；空气中的氮在高温下与氧化合（热 ）；燃料自由基与氮气反应生成HCN中间体进而氧化生成（快速 ）。从 的生成机理来看，三种主要的化石燃料煤、石油、天然气燃烧生成的 成分各有偏重。煤的成分比较复杂，燃烧时产生的燃料 和热 比例大致相当；石油中富含含氮的杂环化合物，燃烧时产生的燃料 可占80%；而天然气含氮量降低，燃烧时主要是热 。

化石燃料燃烧生成的 ，其主要危害有三方面：①直接损害人类健康和动植物机体，超过一定浓度的 会影响动物的肺功能；②是酸雨形成的重要来源；③对另一种污染物 及光化学烟雾的形成起催化作用。由于 的水溶性和反应活泼性较差，治理比较困难，尽快研究、开发和应用 的治理方法，是我国绿色发展中的当务之急。

2. 燃气轮机 排放控制技术

2.1燃机本体控制技术

目前，国内外燃机本体 控制技术多样，有燃烧室注水/注蒸汽技术、干式低氮燃烧技术和催化燃烧技术等，主流技术为干式低氮燃烧技术。针对燃机干式低氮燃烧的降氮技术路线主要有3种：机组燃烧调整、燃烧器部分功能优化以及对现有燃机燃烧器升级改造，这3种技术主要由主机厂商掌握。主机厂商通过这3种技术路线可以不同程度地降低燃机出口 排放浓度，但进一步降低的潜力有限，还会影响机组效率和燃烧稳定性，且改造难度大、成本高（单台改造成本最大接近亿元左右）。

2.2余热锅炉SCR控制技术

SCR脱硝技术的原理是通过向余热锅炉烟道中喷入还原剂，将烟气中的 转化为氮气和水。常规设计中，还原剂常采用液态无水氨、氨水或尿素。SCR脱硝技术已成熟应用于燃煤机组，燃气电厂应用相对较晚。北京地区燃机为达到更严格的地方排放标准，均加装了SCR脱硝系统，其他地区个别机组也加装了SCR脱硝系统。相比燃煤机组，燃气机组加装SCR脱硝系统初投资较低，一般为1500～2000万元/台。目前，已投运的燃机SCR脱硝系统可以在全负荷工况实现更低的 排放，但由于缺少相关技术规范和经验积累，在设计及运营中还存在以下问题：一是燃气电厂使用的脱硝催化剂以进口为主，存在着价格高（单价为：1.0～1.2万美元/ ，约为国产燃煤脱硝催化剂的5～8倍）、且供货周期长、维护不便等弊端；二是因未充分考虑燃气机组流场不均匀性问题，导致投产后影响脱硝效果，达不到设计效率；此外部分燃气电厂脱硝系统受制于安装空间有限、喷氨控制策略考虑不周，加之运行时间短、经验不足，对燃气与燃煤机组脱硝系统运行规律差异认识不够，造成SCR脱硝效率偏低；三是燃气电厂在线污染物监测设备（CEMS）存在量程选择不当、精度不够、未设置 检测功能等问题。

2.3外部因素控制技术

燃机 排放状况除与燃烧技术、燃烧室结构和余热锅炉是否加装SCR脱硝系统有关外，还受外部因素的影响。可控的外部因素主要有：天然气成分、空气温湿度、天然气温度等，但目前该领域相关技术还不够成熟，应用案例不多。通过调节空气温湿度能在一定程度上降低 的生成。目前国外有使用主动喷雾冷却来降低 生成的案例，而在国内，仅有浙能萧山发电厂加装喷雾冷却系统，该系统于2018年投运，在正常工况下可使机组 质量浓度降低5mg/ 左右。3种降氮技术在经济合理性和技术可行性上综合比较见表1。由表1可知，中国燃机技术自主化水平低，而余热锅炉SCR控制技术具有国产化程度高的优势，应用案例多。

表19F级燃机降氮技术比较

3. 燃气机组SCR催化剂的现状与展望

国内燃煤电厂利用“超低排放”技术已达到了燃气发电的污染物排放限值，特别是 浓度，对于单位发电量下的 排放质量，实施超低排放的燃煤机组已低于燃气机组。燃气电厂仅采取燃机干式低氮燃烧技术是远远不能满足日趋严格的燃机环保标准的。因此，在国内燃气电厂大范围推广安装SCR脱硝系统势在必行。

催化剂是SCR脱硝系统的核心部件。对于燃气机组来说，由于燃机排放的烟气更加清洁，因此在燃气项目中通常采用蜂窝式及波纹板式催化剂，同时由于烟气中粉尘含量极低，因此在设计中不需要考虑积灰和磨损的问题，用于燃气项目的蜂窝式催化剂的节距和壁厚远小于燃煤项目。孔径越大的催化剂比表面积越小，经济性越差，但可以获得较小的催化剂阻力，而孔径小的催化剂经济性更好，但催化剂阻力较大。另外，SCR反应的温度区间也是设计时需要考虑的问题。但需要注意的是，随着烟气温度的降低，催化剂的活性也会随之降低，因此设计工况的烟气温度仍需高于300℃。

北京太阳宫燃气热电有限公司是国内最先采用余热锅炉烟气 SCＲ 脱硝技术的燃气电厂，SCＲ 脱硝系统采用以钒、钛为基质的催化剂和 20% 氨水作为反应剂，设计脱硝效率 85% ，系统无旁路，催化剂不设吹灰装置。

国外燃气轮机电厂的脱硝技术方案主要采用低氮燃烧器与SCR烟气脱硝相结合，但国内大部分燃气电厂未安装SCR脱硝系统，且部分电厂未预留SCR脱硝设备安装位置，为后续加装SCR系统造成困难。建议调研典型地区的燃机电厂，根据现状和问题，进行研究攻关，目前问题主要有燃机燃烧系统改造、脱硝系统加装或改造和国产催化剂性能提升等方面。

结 语：

作为清洁能源，燃气发电在中国未来能源发展格局中将发挥愈来愈重要的作用。随着中国对环境质量的日益重视，同时也是为了实现更清洁的生产，燃气发电 排放可以也必须达到更严格地排放标准。实现更严格的排放标准后，将有利于改善区域环境空气质量，有利于更好地发挥燃气发电的环保优势。

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