一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统及其脱硝方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机烟气脱硝技术，具体为一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统及其脱硝方法。


背景技术：

2.燃气发电具有清洁、高效的特点，近年来我国燃机电厂装机规模不断扩大，有力地推动了我国能源结构的转型。由于燃烧温度高、过量空气系数大等工艺特点，燃机电厂在生产过程中产生大量的氮氧化物。氮氧化物是造成大气污染、光化学烟雾、酸雨的主要根源之一，近年来，我国对发电行业氮氧化物排量限值要求越来越严格。根据《火电厂大气污染物排放标准》要求，对于燃气轮机组，氮氧化物排放限值为50mg/m3。
3.降低燃气轮机氮氧化物排放的措施主要分为两类，燃烧过程控制和烟气脱硝技术。其中，燃烧过程控制主要是通过降低燃烧温度或减少天然气在高温区域的停留时间，减少氮氧化物的产生量，包括燃烧室注水/注蒸汽技术、催化燃烧技术、干式低氮燃烧技术等，但是目前以上技术主要由燃气轮机主机厂家掌握；而选择性催化还原法(scr)技术是目前应用最广、最有效的烟气脱硝技术，能达到90％以上的脱硝效率，但是其初投资及运行成本较高，且存在氨逃逸。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统及其脱硝方法，设计合理，简单高效，稳定可行，能有效降低出口氮氧化物浓度且避免氨逃逸现象的发生。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统，包括燃烧室，连接在燃烧室上的氨气供给装置和压气机，以及连接在燃烧室出口的涡轮机和发电机；
7.所述燃烧室的内部由前往后依次分为燃烧室头部、主燃区、补燃区和掺混区；所述燃烧室头部的入口处设置有燃烧器；所述燃烧器还连接设置有天然气管路；所述主燃区所在的燃烧室内壁上设置喷氨喷口；所述补燃区所在的燃烧室内壁上设置补燃风喷口；所述掺混区所在的燃烧室内壁上设置掺混孔；
8.所述氨气供给装置的气体入口连接涡轮机的乏气出口，气体出口连接喷氨喷口；
9.所述压气机的出口通过高温高压空气管路分别连接燃烧器、补燃风喷口和掺混孔。
10.进一步的，所述氨气供给装置包括尿素溶液储罐、计量装置和尿素热解反应器；
11.所述的尿素热解反应器底部的气体出口连接喷氨喷口，侧壁的尿素溶液进口依次连接计量装置和尿素溶液储罐，顶部的气体入口连接涡轮机的乏气出口。
12.更进一步的，所述涡轮机上还连接设置有烟气分析仪；所述烟气分析仪的数据输入端连接涡轮机的乏气出口，其数据输出端连接计量装置的输入端。
13.更进一步的，所述计量装置包括沿尿素溶液流向依次设置的尿素溶液控制阀和流量计。
14.进一步的，所述喷氨喷口数量大于四个，均匀环绕布设在主燃区所在燃烧室的壁面上。
15.进一步的，所述涡轮机的输入端连接主燃室的出口，输出端分别与发电机和压气机同轴连接。
16.进一步的，所述高温高压空气管路与燃烧器连接的管段设置有控制阀。
17.进一步的，所述高温高压空气管路与补燃区和掺混区连接的管段设置有控制阀。
18.一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统的脱硝方法，包括如下，
19.空气经压气机升温升压后得到高温高压气体；
20.一部分高温高压气体和天然气管路中的天然气经过燃烧器和燃烧器头部后进入主燃区，燃烧后形成高温高压燃气和氮氧化物；同时，氨气供给装置将所需氨气通过喷氨喷口喷入主燃区，与燃烧产物中的氮氧化物发生还原反应；另一部分高温高压气体分别经过补燃风喷口和掺混孔进入补燃区和掺混区，将主燃区未反应的氨进一步氧化，降低燃气温度并使燃烧室温度场均匀；
21.燃烧后形成的高温高压燃气进入涡轮机中膨胀做功，膨胀功一部分通过传动轴送入压气机，另一部分送入发电机；膨胀做功后产生的乏气通过乏气出口作为热源进入氨气供给装置，并与产生的氨气一起通过喷氨喷口进入主燃区；乏气降低主燃区局部温度和氧浓度从而减少氮氧化物生成，而氨气与燃烧过程中产生的氮氧化物发生还原反应，最终进一步降低氮氧化物浓度，完成脱硝作业。
22.进一步的，根据烟气分析仪测得的氮氧化物浓度，通过调节尿素溶液控制阀和流量计，控制喷入主燃区的氨气量。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明系统采用的燃气轮机燃烧室由前往后依次为燃烧室头部、主燃区、补燃区、掺混区，经压气机压缩后的高温高压空气一部分经燃烧器送入主燃区，供给燃料燃烧所需的氧气；一部分送入补燃区，帮助燃料燃尽，并将主燃区喷入的过剩氨氧化，消除氨逃逸；另一部分送入燃烧室中后部的掺混区，与燃气掺混，使出燃烧室的温度场更加均匀并降低燃气温度，降低燃气对涡轮机的损伤；同时，回收部分涡轮机做工后的乏气，作为氨气供给装置尿素热解反应的热源，热解产生的氨气随乏气共同送入燃烧室的主燃区，提高了机组整体效率；而且乏气氧含量及温度均较低，能够降低主燃区的局部温度和氧浓度，减少燃烧过程中氮氧化物的生成。此外，在高温缺氧条件下，随乏气一起送入的氨气能够与氮氧化物发生还原反应生成氮气和水，进一步降低燃气中氮氧化物浓度。通过以上布设，能够有效降低燃气轮机燃烧室出口氮氧化物浓度，且不产生氨逃逸，对涡轮机做工后的部分余热进行回收利用，提高了机组的效率，具有良好的经济效益及环境效益。
25.进一步，本发明系统通过将尿素溶液储罐、计量装置和尿素热解反应器作为氨气供给装置，结构简单，性能稳定，能进一步提高整个系统的处理效果。
26.进一步，本发明系统采用在涡轮机乏气出口设置烟气分析仪，并将由尿素溶液控制阀和流量计组成的计量装置与烟气分析仪连接，能根据烟气分析仪测量的数据结果，合理的控制主燃区喷氨量，从而避免进入主燃区的氨气过多现象的发生，经济合理，高效可
靠。
27.进一步，本发明系统采用的喷氨喷口数量大于四个，且环绕主燃区壁面均匀布设，有效保证氨气均匀喷入主燃区，更有效的与氮氧化物进行还原反应，降低氮氧化物的浓度。
28.进一步，本发明系统通过将压气机、涡轮机和发电机同轴设置，高效可靠，运行更加稳定。
29.进一步，本发明系统通过在高温高压空气管路上分别设置控制阀，控制主燃区燃料空气比，使主燃区处于贫氧下燃烧，降低了燃烧温度，进而降低了燃烧过程中氮氧化物的产生。
附图说明
30.图1为本发明实施例中所述系统的结构示意图。
31.图中：1
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空气，2
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压气机，3
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高温高压空气管路，4
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天然气管路，5
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燃烧室，6
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燃烧器，7
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燃烧室头部，8
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主燃区，9
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补燃区，10
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掺混区，11
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喷氨喷口，12
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补燃风喷口，13
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掺混孔，14
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涡轮机，15
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发电机，16
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烟气分析仪，17
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乏气，18
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尿素热解反应器，19
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尿素溶液控制阀，20
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流量计，21
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计量装置，22
‑
尿素溶液储罐。
具体实施方式
32.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
33.本发明一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统，如图1所示，包括压气机2，燃烧室5、涡轮机14、发电机15、氨气供给装置和烟气分析仪16；
34.所述的燃烧室5由前往后依次为燃烧室头部7、主燃区8、补燃区9、掺混区10；所述的燃烧室头部7设置有燃烧器6；所述主燃区8环绕壁面均匀设置有4个以上喷氨喷口11，所述补燃区9设置有补燃风喷口12，在掺混区10壁面设置若干掺混孔13；
35.所述的氨气供给装置包括尿素溶液储罐22、计量装置21、尿素热解反应器18；计量装置21又包括尿素溶液控制阀19和流量计20；
36.所述的压气机2入口为常温常压空气，经压气机2压缩后，变成高温高压空气，与天然气4燃料一起通过燃烧器6送入燃烧室5燃烧；
37.所述涡轮机14与压气机2、发电机15同轴，且涡轮机14的出口处设置烟气分析仪16，涡轮机14的入口连接燃烧室5的出口；烟气分析仪16的数据输出端连接计量装置21；燃烧室5出口的高温高压燃气在涡轮机14中膨胀做工，膨胀功一部分通过传动轴送入压气机2，另一部分送入发电机15；
38.其中，高温高压燃气在涡轮机14中膨胀做工后产生的乏气17，温度为550
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650℃，对这部分余热进行回收利用，送入尿素热解反应器18，作为尿素溶液热解反应的热源，另一部分通过管路排入大气；
39.所述尿素热解反应器18，顶部入口端连接涡轮机14中做工后的乏气17，尿素溶液储罐22中的尿素溶液由侧壁送入尿素热解反应器18内，利用乏气17的余热热解尿素溶液，热解反应产生的氨气和乏气17由尿素热解反应器18底部气体出口送入喷氨喷口11。
40.在实际应用中，本发明系统的工作原理及步骤如下：
41.步骤1，空气由压气机2升温升压后，随天然气4一起由燃烧器6送入燃烧室5内燃烧；
42.步骤2，经压气机2压缩后的高温高压空气一部分经燃烧器6送入主燃区8，供给燃料燃烧所需的氧气；另一部分送入补燃区9，使主燃区8未燃尽燃料燃尽，并将主燃区8喷入的未反应的氨氧化，消除氨逃逸；还有一部分送入燃烧室中后部的掺混区10，与燃气掺混，使出燃烧室5的温度场更加均匀并降低燃气温度，降低涡轮机的损伤。通过控制阀控制主燃区8燃料空气比，使主燃区8处于贫氧下燃烧，降低了燃烧温度，进而降低了燃烧过程中氮氧化物的产生；
43.步骤3，燃烧后产生的高温高压燃气送入涡轮机14中膨胀做工，膨胀功一部分通过传动轴送入压气机2，另一部分送入发电机15；高温高压燃气在涡轮机14中膨胀做工后产生的乏气17，温度为550
‑
650℃，对这部分余热进行回收利用，送入尿素热解反应器18，作为尿素溶液热解反应的热源，提高机组整体效率；
44.步骤4，利用涡轮机14做工后的乏气17，作为尿素热解反应的热源，热解产生的氨气随乏气17共同送入燃烧室5的主燃区8。乏气17氧含量及温度均较低，能够降低主燃区8的局部温度和氧浓度，从而减少燃烧过程中氮氧化物的生成。此外，在高温缺氧条件下，随乏气17一起送入的氨气能够与氮氧化物发生还原反应生成氮气和水，进一步降低燃烧室5出口氮氧化物含量。
45.步骤5，根据设置于涡轮机14出口处的烟气分析仪16测得的氮氧化物浓度，通过调节尿素溶液控制阀19和流量计20控制尿素溶液的供给量，即控制主燃区8的喷氨量。
46.本发明系统中采用的主燃区喷氨脱硝技术是建立在空气分级基础上的多种脱硝技术联合使用的方法，在燃烧室主燃区形成的高温(1300
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1600℃)、缺氧环境下喷入氨基还原剂，从而还原烟气中的氮氧化物，脱硝效率高且不产生氨逃逸。
47.基于上述任意一项所述的系统，本发明还提供一种基于主燃区喷氨脱硝的燃气轮机系统的脱硝方法，包括如下，
48.空气经压气机2升温升压后得到高温高压气体；一部分高温高压气体和天然气管路4中的天然气经过燃烧器6和燃烧器头部7后进入主燃区8，燃烧后形成高温高压燃气和氮氧化物；同时，氨气供给装置将所需氨气通过喷氨喷口11喷入主燃区8，与燃烧产物中的氮氧化物发生还原反应；另一部分高温高压气体分别经过补燃风喷口12和掺混孔13进入补燃区9和掺混区10，将主燃区8未反应的氨进一步氧化，降低燃气温度并使燃烧室5温度场均匀；
49.燃烧后形成的高温高压燃气进入涡轮机14中膨胀做功，膨胀功一部分通过传动轴送入压气机2，另一部分送入发电机15；膨胀做功后产生的乏气通过乏气出口作为热源进入氨气供给装置，并与产生的氨气一起通过喷氨喷口11进入主燃区8；乏气降低主燃区8温度和氧浓度并减少氮氧化物生成，而氨气与燃烧过程中产生的氮氧化物发生还原反应，最终降低氮氧化物含量，完成脱硝作业。
50.其中，根据烟气分析仪16测得的氮氧化物浓度，通过调节尿素溶液控制阀19和流量计20，控制喷入主燃区8的氨气量。