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一种燃气轮机NOx减排系统及减排工艺
申请号	CN202311381842.1	申请日	2023-10-24	公开(公告)号	CN117449955A	公开(公告)日	2024-01-26
申请人	昆明理工大学;			发明人	田冬; 郑贤娅; 李孔斋; 王华; 李志强; 江磊; 王渝鑫; 孙嘉星; 李欣妮;
摘要	本发明公开了一种燃气轮机 NOx减排系统，包括依次连接的燃气轮机、烟道、余热锅炉和烟气处理装置；其中，烟道中设置有依次连接的尿素溶液预热管道、混合烟气消旋装置、余热锅炉换热管束和SCR脱硝装置；尿素溶液预热管道上设置有尿素溶液雾化喷枪。减排工艺，具体包括以下步骤：(1)通入空气；(2)预热；(3)喷射，热解，整流，混合；(4)脱硝；(5)换热；(6)排放。本发明能够从源头上减少NOx的生成，降低了尿素溶液的加热成本，还能提高SCR脱硝效率，回收能量供给生产使用，对燃气轮机的工作效率不生产影响，并显著降低了燃气轮机NOx的排放量，具有成本低、效率高、节能环保等优点和较高的经济效益。
权利要求	1.一种燃气轮机NOx减排系统，其特征在于，包括依次连接的燃气轮机、烟道、余热锅炉和烟气处理装置；所述烟道中设置有依次连接的尿素溶液预热管道、混合烟气消旋装置、余热锅炉换热管束和SCR脱硝装置；所述尿素溶液预热管道上设置有尿素溶液雾化喷枪。 2.一种采用如权利要求1所述燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，其特征在于，具体包括以下步骤： (1)将空气分两级通入燃气轮机内，燃气轮机运行，同时产生高温烟气； (2)将高温烟气通入烟道，对尿素溶液预热管道中的尿素溶液进行预热； (3)利用尿素溶液雾化喷枪沿高温烟气的前进方向喷射尿素溶液，尿素溶液热解成氨气，然后将氨气和高温烟气同时通入混合烟气消旋装置进行整流及均匀混合，得到混合烟气； (4)将混合烟气先通过余热锅炉换热管束，然后通入SCR脱硝装置进行脱硝，得到脱硝烟气； (5)将脱硝烟气通入余热锅炉进行换热，得到低温烟气； (6)将低温烟气通入烟气处理装置进行排放。 3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述燃气轮机运行时的内部温度为1300～1500℃；所述高温烟气的温度为500～600℃。 4.根据权利要求2所述的一种燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述预热至300～400℃。 5.根据权利要求2所述的一种燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述混合烟气的温度为340～420℃。 6.根据权利要求2所述的一种燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述脱硝烟气的温度为300～420℃。
说明书全文	一种燃气轮机NOx减排系统及减排工艺技术领域 [0001] 本发明涉及燃气轮机和节能减排技术领域，更具体的说是涉及一种燃气轮机NOx减排系统及减排工艺。背景技术 [0002] 燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机是一种高效、可靠的动力机械，广泛应用于航空推进、管道运输和火力发电等领域。但同时，燃气轮机在运行过程中会产生大量的氮氧化物(NOx)，NOx的排放对人体、机械设备、建筑物、植物和动物等都具有强烈的危害，因此，减少燃气轮机中NOx气体的排放十分重要。 [0003] 现有燃气轮机NOx减排技术一般采用选择性非催化还原(SNCR)或选择性催化还原(烟气脱硝，SCR)技术。由于SNCR技术对于温度管控要求较高(800～1200℃)，反应物的驻留时间非常短，很难与烟气充分混合，脱硝效率并不显著。而SCR技术通常需要在燃气轮机外建立尿素加热装置来制备氨气，再通过喷氨格栅将氨气喷入烟道中进行脱硝，而尿素热解生成氨气时间过长，用于热解尿素的反应器长期运行容易出问题。此外，SCR技术排放的高温烟气会对环境造成多方面污染，高温烟气中一些未除净的有害物质(如氮氧化物和硫氧化物等)会与大气中的水蒸气反应生成酸性物质，形成酸雨，还会通过大气扩散和沉降污染地面土壤和水源，还是导致温室效应的重要因素。 [0004] 因此，如何减少燃气轮机中NOx气体的排放是本领域技术人员亟需解决的问题。发明内容 [0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃气轮机NOx减排系统及减排工艺，以解决现有技术中的不足。 [0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0007] 一种燃气轮机NOx减排系统，包括依次连接的燃气轮机、烟道、余热锅炉和烟气处理装置； [0008] 其中，烟道中设置有依次连接的尿素溶液预热管道、混合烟气消旋装置、余热锅炉换热管束和SCR脱硝装置； [0009] 尿素溶液预热管道上设置有尿素溶液雾化喷枪。 [0010] 一种采用上述燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，具体包括以下步骤： [0011] (1)将空气分两级通入燃气轮机内，燃气轮机运行，同时产生高温烟气； [0012] (2)将高温烟气通入烟道，对尿素溶液预热管道中的尿素溶液进行预热； [0013] (3)利用尿素溶液雾化喷枪沿高温烟气的前进方向喷射尿素溶液，尿素溶液热解成氨气，然后将氨气和高温烟气同时通入混合烟气消旋装置进行整流及均匀混合，得到混合烟气； [0014] (4)将混合烟气先通过余热锅炉换热管束，然后通入SCR脱硝装置进行脱硝，得到脱硝烟气； [0015] (5)将脱硝烟气通入余热锅炉进行换热，得到低温烟气； [0016] (6)将低温烟气通入烟气处理装置进行排放。 [0017] 进一步，上述步骤(1)中，燃气轮机运行时的内部温度为1300～1500℃；高温烟气的温度为500～600℃。 [0018] 采用上述进一步的有益效果在于，本发明采用低氮氧化物燃烧技术中的空气分级燃烧技术，将空气分两级通入燃气轮机内，以降低燃烧过程中的火焰温度(准确的温度范围由实际应用决定)，进而从源头上减少燃料型NOx和热力型NOx的产生。 [0019] 其中，空气分级燃烧技术：该技术是目前普遍使用的低氮氧化物燃烧技术之一，基本原理为： [0020] (1)将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数小于1，燃料先在缺氧的条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了燃料型NOx的生成。同时，燃烧生成的一氧化碳与氮氧化物进行反应，抑制氮氧化物的生成。 [0021] (2)在二级燃烧区(燃尽区)内，将燃烧所需空气的剩余部分以二次空气的形式输入，成为富燃烧区。此时空气量多，一些中间产物被氧化生成氮氧化物，但因为温度相对常规燃烧较低，氮氧化物生成量不大，因而总的氮氧化物生成量是降低的。 [0022] 燃料型NOx：燃料在燃烧过程中与空气中的氧结合后生成的氮氧化物。与热力型NOx不同的是，燃料型NOx的氮元素来源于燃料，而不是空气中。 [0023] 热力型NOx：空气中的氮气在高温(约1200℃)下与氧气反应生成的氮氧化物。 [0024] 进一步，上述步骤(2)中，预热至300～400℃。 [0025] 采用上述进一步的有益效果在于，本发明利用高温烟气对尿素溶液预热管道中的尿素溶液进行预热，降低了给尿素溶液进行加热的成本。 [0026] 进一步，上述步骤(3)中，混合烟气的温度为340～420℃。 [0027] 采用上述进一步的有益效果在于，本发明先利用高温烟气对尿素溶液进行预热后，然后经尿素溶液雾化喷枪的喷嘴沿高温烟气前进方向喷射出来后快速热解生成氨气，再与高温烟气同时通入混合烟气消旋装置进行整流及均匀混合，进而提高了SCR脱硝效率，有效降低了燃气轮机NOx的排放量。 [0028] 其中，氨气：具有较高的选择性，在一定温度范围内，在催化剂的作用和氧气存在的条件下，氨气优先和高温烟气中的NOx发生还原脱除反应，生成N2和水，而不和高温烟气中的氧气进行氧化反应。 [0029] 混合烟气消旋装置：对循向烟气进行整流，使烟气沿着单一方向前进。 [0030] 进一步，上述步骤(4)中，脱硝烟气的温度为300～420℃。 [0031] 采用上述进一步的有益效果在于，本发明所采用的SCR脱硝技术主要采用氨气作为还原剂，将NOx选择性地还原成N2，具有无副产物、不形成二次污染、装置结构简单、脱除效率高和运行可靠等优点。 [0032] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下： [0033] 1.采用空气分级燃烧技术，从源头上减少NOx的产生； [0034] 2.利用高温烟气对尿素溶液预热管道中的尿素溶液进行预热，降低了给尿素溶液进行加热的成本； [0035] 3.尿素溶液雾化喷枪的喷嘴沿高温烟气前进方向进行喷射，加快了尿素热解为氨气的速率，促进了氨气与高温烟气均匀混合，进而提高了SCR脱硝效率，有效降低了燃气轮机NOx的排放量； [0036] 4.余热锅炉可以有效回收脱硝烟气中的余热，将脱硝烟气中高温高压的水蒸气转化为电能或热能，以供给生产使用，从而达到节能减排的目的； [0037] 5.本发明燃气轮机NOx减排系统和减排工艺能够从源头上减少NOx的生成，降低了尿素溶液的加热成本，还能提高SCR脱硝效率，回收能量供给生产使用，对燃气轮机的工作效率不生产影响，并显著降低了燃气轮机NOx的排放量，具有成本低、效率高、节能环保等优点和较高的经济效益。附图说明 [0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0039] 图1为本发明提供的燃气轮机NOx减排系统的结构示意图。 [0040] 其中，1‑燃气轮机，2‑烟道，3‑余热锅炉，4‑烟气处理装置，5‑尿素溶液预热管道，6‑混合烟气消旋装置，7‑余热锅炉换热管束，8‑SCR脱硝装置，9‑尿素溶液雾化喷枪。具体实施方式 [0041] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0042] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0043] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。 [0044] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0045] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0046] 本发明实施例公开了一种燃气轮机NOx减排系统，包括依次连接的燃气轮机1、烟道2、余热锅炉3和烟气处理装置4；其中，烟道2中设置有依次连接的尿素溶液预热管道5、混合烟气消旋装置6、余热锅炉换热管束7和SCR脱硝装置8；尿素溶液预热管道5上设置有尿素溶液雾化喷枪9。 [0047] 实施例1 [0048] 采用上述燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，具体包括以下步骤： [0049] (1)将空气分两级通入燃气轮机1内，燃气轮机1运行，内部温度为1300℃，同时产生温度为500℃的高温烟气； [0050] (2)将高温烟气通入烟道2，对尿素溶液预热管道5中的尿素溶液进行预热至300℃； [0051] (3)利用尿素溶液雾化喷枪9沿高温烟气的前进方向喷射尿素溶液，尿素溶液热解成氨气，然后将氨气和高温烟气同时通入混合烟气消旋装置6进行整流及均匀混合，得到温度为340℃的混合烟气； [0052] (4)将混合烟气先通过余热锅炉换热管束7，然后通入SCR脱硝装置8进行脱硝，得到温度为300℃的脱硝烟气； [0053] (5)将脱硝烟气通入余热锅炉3进行换热，得到低温烟气； [0054] (6)将低温烟气通入烟气处理装置4进行排放。 [0055] 实施例2 [0056] 采用上述燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，具体包括以下步骤： [0057] (1)将空气分两级通入燃气轮机1内，燃气轮机1运行，内部温度为1400℃，同时产生温度为550℃的高温烟气； [0058] (2)将高温烟气通入烟道2，对尿素溶液预热管道5中的尿素溶液进行预热至350℃； [0059] (3)利用尿素溶液雾化喷枪9沿高温烟气的前进方向喷射尿素溶液，尿素溶液热解成氨气，然后将氨气和高温烟气同时通入混合烟气消旋装置6进行整流及均匀混合，得到温度为400℃的混合烟气； [0060] (4)将混合烟气先通过余热锅炉换热管束7，然后通入SCR脱硝装置8进行脱硝，得到温度为360℃的脱硝烟气； [0061] (5)将脱硝烟气通入余热锅炉3进行换热，得到低温烟气； [0062] (6)将低温烟气通入烟气处理装置4进行排放。 [0063] 实施例3 [0064] 采用上述燃气轮机NOx减排系统的减排工艺，具体包括以下步骤： [0065] (1)将空气分两级通入燃气轮机1内，燃气轮机1运行，内部温度为1500℃，同时产生温度为600℃的高温烟气； [0066] (2)将高温烟气通入烟道2，对尿素溶液预热管道5中的尿素溶液进行预热至400℃； [0067] (3)利用尿素溶液雾化喷枪9沿高温烟气的前进方向喷射尿素溶液，尿素溶液热解成氨气，然后将氨气和高温烟气同时通入混合烟气消旋装置6进行整流及均匀混合，得到温度为420℃的混合烟气； [0068] (4)将混合烟气先通过余热锅炉换热管束7，然后通入SCR脱硝装置8进行脱硝，得到温度为380℃的脱硝烟气； [0069] (5)将脱硝烟气通入余热锅炉3进行换热，得到低温烟气； [0070] (6)将低温烟气通入烟气处理装置4进行排放。 [0071] 对比例 [0072] 减排工艺，与实施例2的区别仅在于，步骤(1)中，将空气直接通入燃气轮机内；步骤(2)中，将尿素溶液预热管道替换为大型尿素加热装置；步骤(3)中，不含尿素溶液雾化喷枪。 [0073] 性能测试 [0074] 分别测试对比例(优化前)和实施例2(优化后)减排工艺中NOx的排放量、尿素溶液的加热成本、SCR脱硝效率和尿素热解率。 [0075] 其中，尿素溶液的加热成本因加热装置而异，对比例中尿素溶液的加热成本以单件大型尿素加热装置的价格计算，且外加热源加热尿素需要耗电，耗电成本因加热时间而异；实施例2中尿素溶液的加热成本以尿素溶液预热管道的价格计算。 [0076] 尿素热解率＝(反应前尿素质量‑反应后剩余尿素质量)/反应前尿素质量×100％。因实际条件(温度和装置结构等)的限制，氨气生成速率测量困难，但由于单位时间内尿素热解率提高，可判断出氨气生成速率加快。 [0077] 结果如表1所示。 [0078] 表1对比例和实施例2减排工艺的性能测试 [0079] 测试项目对比例实施例2‑3 NOx的排放量/mg·Nm 650 270 尿素溶液的加热成本/元 20000～30000+耗电成本 10000～20000 SCR脱硝效率/％ 70 90 尿素热解率/％ 75 85 [0080] 由表1可知，与对比例相比，实施例2减排工艺中NOx的排放量和尿素溶液的加热成本显著降低，SCR脱硝效率和尿素热解率显著提高。 [0081] 以上试验说明，本发明燃气轮机NOx减排系统和减排工艺能够从源头上减少NOx的生成，降低了尿素溶液的加热成本，还能提高SCR脱硝效率，回收能量供给生产使用，对燃气轮机的工作效率不生产影响，并显著降低了燃气轮机NOx的排放量，具有成本低、效率高、节能环保等优点和较高的经济效益。 [0082] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。 [0083] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。