江苏燃气电厂环保现状及应对趋势

近年来，随着我国雾霾等恶劣天气的频发，火力发电等重点行业的污染物排放状况受到了更多关注。为此，自2015年以来，我国燃煤电厂逐步开始实施超低排放改造，改造后其主要污染物(烟尘、SO2和NOx)可达到国家对燃气机组的排放限值要求，部分电厂氮氧化物排放浓度已达到25mg/m3水平。

众所周知，由于燃料特性的不同，燃气发电相比燃煤发电更为清洁高效，但随着燃煤电厂实施超低排放改造，燃气电厂的环保优势受到挑战。特别是近年来气电装机容量的迅速扩充，加之燃气电厂主要位于经济发达、环境敏感区域，所以其环保问题已日益凸显。江苏省作为沿海经济发达地区，燃气发电装机容量已接近1000万kW，预计2020年将达到2000万kW。同时，江苏省10万kW以上燃煤机组将全部完成超低排放改造，排放水平将达到燃气电厂环保排放标准要求，省内燃气电厂环保优势已受到挑战。

随着江苏省气电装机容量的扩充，燃气发电的污染物排放情况将受到足够重视，燃气电厂应积极开展降氮潜力评估工作，为迎接更高的环保标准做好技术储备。

1江苏省燃气电厂的环保现状

截至2016年底，我国燃气发电机组总装机容量已达7860万kW。作为沿海经济发达地区的江苏，近几年燃气装机容量增长迅速，如图1所示。

随着江苏省燃气发电装机容量的递增，其污染物排放现状已不容忽视。通过对江苏省13座在役燃气轮机电厂和8座在建燃气轮机项目进行了环保现状调研，其主要污染物排放水平汇总如表1所示。目前，江苏省燃气机组污染物排放水平均能达到《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》(以下简称“国家标准”)，其中需要关注的主要污染物为氮氧化物。

如表1所示，在未安装任何脱硫除尘环保设施的情况下，SO2和粉尘实际排放水平均远低于国家标准规定的排放限值，也远优于超低排放燃煤机组的排放水平;此外，燃气电厂运行过程中除生活废水外基本无生产废水外排，其噪声通过防噪墙等降噪措施处理后也能达到国家环保标准要求;氮氧化物为燃气电厂的主要污染物，但排放水平也能达到国家标准规定的排放限值。

役机组氮氧化物排放水平分布情况存在差异。为了便于研究和预测地区排放限值，图2分析了江苏省在役13座电厂近30台燃气轮发电机组最近一年的最高氮氧化物小时排放均值。

机组的排放数据为小时均值，当一年内排放最高的20个数据的平均值介于50～40mg/m3，则将该机组化归为“50-40档”;当该平均值介于40～30mg/m3，则将该机组化归为“40-30档”;当该平均值介于30～20mg/m3，则将该机组化归为“30-20档”。如图2所示，54%的机组NOx最高浓度平均数值在30mg/m3以上。

NOx排放水平分档规律因机组参数不同而不同。由于燃气轮机透平前温决定氮氧化物生成速率，F级机组透平前温高于E级机组，因此F级机组的氮氧化物排放浓度一般会高于E级机组。

目前，江苏省燃气机组氮氧化物浓度分档情况如图3所示，在低浓度档位，E级机组占比更大，F级机组占比更小。SCR预留和加装情况存在差异。目前，江苏省在役机组只有2座电厂加装有SCR脱硝系统。

如图4所示，大部分在役机组未预留SCR安装位置;而所有在建机组全部预留了SCR安装位置(其中1座电厂已安装SCR)，但部分机组预留空间偏小。从装机容量角度考虑，江苏省在役机组中约有598万kW未预留SCR脱硝位置，约占总装机容量的60%。

因此，在研究脱硝技术路线时，大部分在役机组由于无法加装SCR，能采用的脱硝技术明显有别于在建机组。同时，燃气电厂环保装置存在较大优化空间。

江苏省燃气轮机电厂燃烧器均采用低氮燃烧器，由于燃气轮机燃烧特性，电厂在启动阶段有短时间NOx超标情况，部分电厂启动阶段有黄烟现象。调研的燃气电厂环保装置还存在以下问题:已加装脱硝系统的电厂SCR运行效率偏低，一般在50%左右，还有较大提升空间;对NOx的检测手段有待完善(未测量NO2);大部分CEMS检测原理为红外法，检测量程偏大等。

2燃气轮机氮氧化物排放的影响因素分析

目前，国内外燃气轮机氮氧化物减排技术多样，有燃烧室注水/注蒸汽技术、干式低氮燃烧技术、催化燃烧技术等，目前主流技术为干式低氮燃烧技术。根据对江苏省燃气电厂调研，低氮燃烧技术受到生产厂家、燃气轮机控制方式以及外界温湿度变化等因素影响，因此本文将从这三个方面加以分析。

2．1不同主机厂家的排放差异

为了比较江苏省现有燃气机组本体在正常负荷下的氮氧化物减排能力，本文对三大主机厂家透平出口NOx排放水平进行了比较。

如表2所示，除三菱E级机组样本少未计入外(数据不具代表性)，江苏省其它所有在役机组均已统计其中。表2排放水平为本文图2表述的每台机组最高浓度平均值之和与机组数量的比值。

从表2可知，对于F级和E级机组，正常负荷条件下不同主机厂家的氮氧化物排放水平差异不大，其中西门子机组由于采用环型或筒型燃烧室，有别于其它厂家的环筒型燃烧室，实现正常负荷下的低氮排放难度更大。目前，江苏省燃气电厂由于排放达标，均未对燃气轮机本体进行升级或改造，省内现有燃气轮机的低氮燃烧技术差异不大。

2．2燃气轮机的控制方式变化

目前，燃气轮机本体降氮受到多重因素约束。较难在平衡其它重要运行参数后实现更低的氮氧化物排放水平。以江苏省某9F级机组启动阶段的燃料控制为例。

如表3所示，在启动阶段初期，机组需要增加值班燃料阀(扩散燃烧方式)开度确保燃烧稳定，此时值班燃料阀开度是正常运行阶段的1.29倍。在正常负荷下，为确保燃烧温度不致过高而导致氮氧化物排放超标，值班燃料阀开度减小，同时预混燃料阀开度达到开机阶段的2.2倍。

燃气轮机的排放也受到机组安全性的影响。某9F级机组在正常负荷阶段，通过减少燃料量降低了机组出力和效率，同时减少了氮氧化物排放浓度，但机组振动加速度(ACC值)明显升高，机组安全性受到一定影响。

因此，燃气轮机的燃烧控制需平衡出力、安全、排放等多方面因素，通过控制燃烧降低氮氧化物同时会受到其他因素的制约，较难实现全负荷低氮排放。

2．3大气温湿度的变化

理论分析，大气温度、湿度的变化，将会影响机组的燃烧温度，进而影响氮氧化物的排放。通常情况下，环境湿度升高时，NOx排放会降低。江苏省实际调研情况，如下图5至图7所示。

图中A、B、C电厂机组分别为西门子、GE和三菱机组，图中统计的是一年排放数据。由图5、图6、图7可知，尽管三台机组氮氧化物排放受环境湿度的影响存在差异，但趋势一致，大气湿度越大，氮氧化物排放浓度有降低的趋势。