引言我国不断加大环境治理和节能减排的宣传力度，在全球节能减排的背景下，低NOx排放成为燃烧系统的重要设计指标[1]。燃气电厂的环保要求越来越高，按照最新的排放标准，燃气电厂NOx的排放浓度应低于50 mg/m3，在排放标准更严格的区域甚至要求低于35 mg/m3。我国鼓励发电企业通过技术升级改造不断降低污染物的排放[2]。文中以某电厂燃机为例，探究降低NOx排放的方法。1机组NOx排放现状某电厂装机容量为4台套西门子SGT5-4000F型燃气-蒸汽联合循环发电机组。1#、2#机组燃机型号为西门子SGT5-4000F(2)型，3#、4#机组燃机型号为西门子SGT5-4000F(4)型，两种型号燃机均采用由24个轴向布置的混合型燃烧器(DLN)组成的环形燃烧室[3]。以3#机组为例，3#机组某年NOx实际排放如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.T001表13#机组某年NOx实际排放项目平均值/(mg/m3)折算值/(mg/m3)总排放量/t合计136.861月36.3830.216.372月40.3433.614.043月42.7935.8320.704月46.4737.9021.745月0006月48.7138.7813.927月40.6832.3614.798月42.6935.1820.419月41.5533.312.6810月00011月49.4940.3014.0512月44.8137.8218.24由表1可知，3#机组月平均NOx排放量大于35 mg/m3的月数为6，需要缴纳很高的NOx排放环保税。随着排放标准的不断提高以及机组内外部环境的影响，燃机NOx排放出现偏高现象，影响了机组的经济性和环保性。2机组NOx排放过高的原因分析天然气与空气的混合物在燃机的燃烧室中燃烧，在燃烧过程中，NOx的生成主要有3种途径：热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx[4]。热力型NOx是在高温燃烧时，空气中的氮气和氧气发生反应生成的NOx，生成量主要取决于温度。快速型NOx是燃料中碳氢化合物在富燃料燃烧时，反应区附近快速生成的NOx，其在氧气浓度相对较低时产生。燃料型NOx是燃料中的有机氮在燃烧过程中与氧反应形成的NOx[5]。NOx的产生与燃烧温度关系密切，一般情况下温度越高，NOx排放量越大[6]。2.1空气湿度对NOx排放的影响3#机组满负荷运行曲线如图1所示。空气湿度为62%时，NOx排放浓度为47 mg/m3；空气湿度为80%时，NOx排放浓度约为45 mg/m3。随着空气湿度的增加，机组NOx排放有所降低，但是降低效果有限。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F001图13#机组满负荷运行曲线空气高湿度燃烧可以降低NOx的生成，原理为：高湿度燃烧可以降低燃烧室燃烧温度，减少NOx生成；空气湿度的增加也可能影响燃烧化学反应机理，降低燃烧过程中NOx的生成。某研究小组实验得到加湿度（水分与空气的质量比值）对NOx生成的影响曲线。湿度对NOx生成的影响曲线如图2所示。在燃机出口温度不变的情况下，NOx排放浓度随着加湿度的增加而减少[7]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F002图2湿度对NOx生成的影响曲线2.2机组负荷对NOx排放的影响机组通常经历启动、正常运行和停机3个过程，燃气机组一般为调峰机组，具有启停时间短、反应速度快的特点，启停阶段暂不考虑NOx的排放。正常运行时，机组负荷一般在65%~100%额定功率之间变化，受电网自动控制加减负荷，期间的NOx排放也在不断变化。3#机组正常运行曲线如图3所示。在空气湿度基本不变的情况下，随着发电功率的波动，机组NOx的排放量上下浮动，但是波动幅度较小。与发电负荷大幅波动相比，NOx的排放量只在小范围内波动。因此，机组负荷在正常范围内波动时，机组负荷对NOx排放的影响较小。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F003图33#机组正常运行曲线2.3天然气热值对NOx排放的影响天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷以及其他多碳烷类组成。其中，甲烷占比较高，达到85%。随着甲烷含量降低，乙烷和丙烷含量增大，天然气的热值变大。天然气热值对燃气机组的效率有很大影响，天然气热值越高，燃机的燃烧效率越高，机组的气耗率越低。在相同空气湿度与发电负荷条件下，对比天然气高位热值对3#机组NOx排放的影响。在空气湿度60%、机组满负荷条件下，天然气高位热值为40 MJ/m3时，NOx的折算排放浓度为47 mg/m3；天然气高位热值为37 MJ/m3时，NOx的折算排放浓度为42 mg/m3。在空气湿度40%、机组满负荷条件下，天然气高位热值为39 MJ/m3时，NOx的折算排放浓度为45 mg/m3；天然气高位热值为37 MJ/m3时，NOx的折算排放浓度为39 mg/m3。因此，在相同条件下，天然气热值越低，机组NOx的排放浓度越低；天然气热值越高，机组NOx的排放浓度越高。原因为天然气热值越高，燃烧越充分，燃机燃烧室温度越高，燃烧过程中热力型NOx生成越多，排放的氮氧化物越多。NOx排放量与机组负荷的关系不大，但是与燃机进口空气湿度和天然气热值密切相关。空气湿度增大时，机组NOx的排放降低，但是降低效果有限；天然气热值升高时，NOx的排放量增加，但是机组的效率升高，气耗率降低。3优化措施3.1加装脱硝装置烟气脱硝技术是应用广泛的降低烟气NOx排放的技术，普遍采用选择性催化还原法和选择性非催化还原法。选择性催化还原脱硝(SCR)法的脱硝效率高，是在一定的温度和催化剂作用下，加入还原剂将烟气中的NOx还原成氮气和水。选择性非催化还原法在无催化剂的条件下，加入还原剂与烟气中NOx反应生成氮气[8]。SCR脱硝工艺流程如图4所示。脱硝还原剂NH3（气）采用尿素水解制取的工艺，脱硝反应产物为对环境无害的水和氮气。工艺原理是将NH3（气）混合气体喷入锅炉产生的烟气中，通过催化剂反应器，在催化剂的作用下，NH3（气）同NOx发生反应，转化成H2O和N2[9]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F004图4SCR脱硝工艺流程加装脱硝装置可以将烟气中NOx浓度降至15 mg/m3以下，优化效果明显。但是烟气脱硝技术前期投入成本较高，后期运行和维护成本较大，其在火电厂中应用比较广泛，在燃气蒸汽联合循环电厂中应用较少。3.2燃机进气喷雾加湿改造燃机进气喷雾加湿流程如图5所示。在1台变频水泵的作用下，高压水源进入分别装有120个雾化喷嘴的压气机的3个迎风面，水压在雾化喷嘴内产生颗粒直径为20~30 μm的水汽微雾，微雾从喷嘴出口喷出，这些细小水雾颗粒在相对湿度为30%~40%的干燥空气中迅速蒸发，随着空气进入压气机过滤房[10]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F005图5燃机进气喷雾加湿流程燃机进气喷雾加湿系统可以根据加装的环境空气温湿度仪的数据变化或实际排放变化，调节变频泵的出力，改变喷雾总量，改善排放参数。进气喷雾装置可适当降低燃机进气温度，提高夏季工况发电机组的综合效率。进气喷雾加湿装置不仅可以降低机组NOx排放浓度，减少环保税收成本，还能在夏季工况降低机组热耗，节省天然气成本，具有较好的经济效益。通过加装喷雾加湿装置，还能提高机组夏季工况最大出力，满足市调调峰需求；也能降低年度NOx排放总量，降低环境污染。国内已有多家燃机电厂实施了进气加湿技术改造，改造的主要目的包括降低NOx的排放和增加出力。某电厂改造后，在喷雾加湿量为5.6 t/h的情况下，NOx排放从40.9 mg/m3降至36.6 mg/m3，降低4.3 mg/m3；压气机进口温度从37.6 ℃降至33.3 ℃，降低4.5 ℃，联合循环出力增加8~10 MW，机组热耗降低0.5%~0.7%，改造效果良好。进气喷雾加湿技术的投入较少，但是对烟气NOx排放的降低效果有限，在环保要求高的区域，此项技术可能无法达到降低排放的需求。但是对于已经满足排放需求的电厂，此项技术可以降低NOx排放，增加夏季机组出力，改造效果显著。3.3燃机预混旋流片改造对1#燃机进行预混旋流片改造，将燃机24台预混燃烧器原9孔斜旋流器叶片更换为8孔斜旋流器叶片，叶片材料从原来的16Mo3升级为高合金钢X22CrMoV12-1[11]。燃机8孔斜旋流器叶片如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F006图6燃机8孔斜旋流器叶片预混旋流片改造后1#机组正常运行曲线如图7所示。通过与图3对比发现，1#机组NOx排放明显优于3#机组。改造后，有效解决了1#燃机部分负荷段燃烧不稳定的问题。预混旋流片改造后，1#燃机的NOx排放水平降至30 mg/m3以下，同等条件下相当于单台机组年NOx排放减少16.3 t。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.017.F007图7预混旋流片改造后1#机组正常运行曲线燃机预混旋流片改造需要在机组检修期间进行，此外还需要依托原厂家进行技术改造，成本相对较高。但是随着国内技术的不断发展，此项改造技术的成本已经有所降低。通过燃机预混旋流片改造可以有效改善机组的环保指标，降低NOx排放量，对机组的正常运行不产生影响，且不产生后期维护成本，具有很强的可操作性。4结语针对某电厂3#机组NOx排放量过高的问题，从空气湿度、机组负荷和天然气热值方面进行深入分析，发现较高的天然气热值导致机组NOx排放量增加，燃机进口空气湿度的下降也导致NOx排放量的超标。烟气加装脱硝装置可以有效降低NOx的排放，但是投资费用较高。燃机进气喷雾加湿改造的投入较小，但是排放降低效果有限。燃机预混旋流片改造，需要委托厂家在燃机本体检修过程中进行，降低NOx排放的效果明显。