控制燃气轮机排放cln的技术

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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ChengLowNOxSystem（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令人期

2、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

3、要是选择性催化还原（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、C

4、O，于2002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。1CLN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将

5、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，NO

6、x确实会减少，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

7、外移动，氧气浓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