日本1700℃燃气轮机低氮燃烧技术

燃气轮机联合循环发电将长期在全球提供清洁、经济电力方面发挥重要作用。作为日本国家项目的一部分，三菱正开发应用于1700摄氏度等级燃气轮机，以追求更高的效率，并一直在推进烟气再循环（EGR）燃烧室的研发，在超高温燃气轮机中实现低氮氧化物排放。

在2011年，应用技术发展研究的最后一年，三菱建立了一个模拟烟气再循环的高压燃烧试验装置，测试结果达到研发目标，即50 ppm或更少的氮氧化物浓度。本文描述了一个高压燃烧试验模拟废气再循环的试验。

01 引言

燃气轮机联合循环（GTCC）发电是一种清洁高效的能源发电系统，随着经济和社会发展，今后的需将越来越多，理由如下：

（1）长期来看，预计全球GTCC发电的市场将持续增长。

（2）GTCC发电存在巨大需求，用于改善基础设施，发展中国家建设GTCC电站可以快速构建并提供稳定的电力来源。

（3）发达国家对高能效发电的需求：提高经济效率和环境适应性。

（4）GTCC发电的超负载吸收能力，考虑可再生能源的增长及其与核能发电的优化组合。

GTCC发电的热效率随透平入口（燃烧室的出口）的温度增加而增加，如图1所示。自2004年以来，三菱开展了日本国家项目——1700℃等级的燃气轮机开发，包括燃烧室、压气机、透平、冷却、隔热涂层等，联合循环效率目标值62%-65%（LHV）。

图1 联合循环循环效率的变化趋势。与三菱目前生产的燃气轮机相比，开发的1700°C等级燃气轮机具有最高温度和最高效率，热效率为62%至65%。二氧化碳排放强度为传统煤电厂的一半。

图2显示了三菱的低氮氧化物燃烧室开发历史。三菱不断在热效率方面，致力于提高透平进口温度，引入了先进燃烧技术来抑制污染物，如燃料型氮氧化物。随着燃烧温度的升高，氮氧化物的形成呈指数增长。对于1700°C的燃烧器，即使采用传统的贫预混燃烧系统，氮氧化物与1500°C的燃烧器相比，又增加了一个数量级。因为采用脱硝设备处理成本如此高水平的氮氧化物非常高昂，需要为1700°C等级燃气轮机新开发低氮氧化物燃烧系统。

三菱首创了烟气再循环（EGR）系统，并开发了适用于该系统的燃烧室，并已经通过全尺寸中压燃烧试验验证了烟气再循环（EGR）系统的降低NOX排放效果。本文讲述的是高压燃烧试验，其压力与实际运行压力相当。

图2 三菱的低氮氧化物燃烧室开发历史。三菱的目标是提高燃烧室出口温度以提高效率，同时要保证氮氧化物的排放。三菱正在研究烟气再循环的使用，开发1700℃级超高温燃烧系统，以减少氮氧化物的排放。

02烟气再循环系统概述

图3展示了1700℃级燃气轮机烟气再循环系统的示意图。这里使用的烟气再循环法是一种半封闭的方法，将烟气与空气混合，降低了参与燃烧的空气的氧气浓度。烟气在余热锅炉的下游分流，通过冷却器与周围的空气混合，然后引入压气机。

图3 烟气再循环（EGR）系统示意图。燃烧室产生的烟气通过余热锅炉，与空气混合后，然后进入压气机，产生了低浓度氧的空气集中供应给燃烧室。

表1给出了采用烟气再循环的1700℃等级燃烧室的开发目标。燃烧室采用了一种贫预混燃烧，目标是氮氧化物排放浓度为50 ppm（@15% O2）或更少。用于燃烧室的冷却方法是一个蒸汽回收冷却系统，该技术在三菱的G级燃气轮机燃烧室中验证过。

表1 烟气再循环（EGR）系统燃烧室的开发目标

03烟气再循环的氮氧化物排放特性

为研究在实际应用中烟气再循环所的氮氧化物减少效果，开展了一维层流预混燃烧的数值模拟分析。采用GRI Mechanism Ver 3.0（53种化学种和325种基本反应）建立了详细的动力学反应机制模型。为弄清氮氧化物生成与烟气再循环量之间的相关性，使用燃烧室入口氧气浓度作为参数进行计算。（表2）。

表2 计算参数

图4显示了燃烧室出口温度（TIT）与氮氧化物浓度（@15%O2）之间的相关性。这些结果以恒定的预混燃烧计算得到，以入口的O2浓度（EGR率）作为参数。NOx的浓度随著氧浓度下降而下降进口氧气浓度（提高EGR率）。计算结果验证了26.6%的EGR率与0.0%的EGR率相比，在燃烧室出口氮氧化物浓度降低了约40%。

图4 燃烧室出口温度（TIT）与氮氧化物浓度（@15%O2）之间的相关性

04实际燃烧室高压燃烧试验

烟气再循环的模拟

在燃烧试验中，用产生烟气（前置燃烧器）和喷淋管道用于模拟烟气再循环系统。图5为设备结构示意图。向主燃烧室供应的空气通过在上游安装的前置燃烧器和喷水管，调整氧气浓度和温度。

图5 烟气再循环系统的模拟

高压燃烧试验装置

图6为高压试验外壳的设备结构。那在烟气发生器中产生的模拟EGR气体通过扩散器和在测试外壳中安装的扇区，并模拟燃烧室外壳的形状，然后供应给主燃烧室。烟气在测量管道的下游取样，用于测量氮氧化物、一氧化碳等。测试外壳的设计规格：最大的工作压力是31 ata（3.04 MPa）和最高工作温度550摄氏度（823 K）。

图6 高压试验壳内设备的结构

在这个测试中，与普通的燃烧测试使用环境空气不同，氮氧化物在燃烧室上游的废气发生器中就生成了。因此还对主燃烧室之前的燃烧空气气体成分进行了测量，通过主燃烧室氮氧化物之间的差异计算了主燃烧室产生的氮氧化物。

通过对一维层流预混燃烧的分析，研究了氮氧化物的影响研究了主燃烧器入口处NOX浓度对主燃烧器燃烧过程氮氧化物浓度的影响，发现在本试验条件下，即等效系数为0.7~0.9，入口处NOX浓度对主燃烧器燃烧过程氮氧化物浓度没有影响。如果一个烟气再循环系统在系统外安装有脱硝装置，有必要在空气中增加氮氧化物浓度，以评估燃烧室出口的氮氧化物浓度。本文的脱硝装置安装在循环系统中内部，如图3所示。

在测试条件中，燃烧室压力，入口空气温度，和气流速率相当于实际使用的速率。为了研究EGR率对氮氧化物形成的影响，在高进口氧气浓度（19.6%）、低EGR率（10%），以及低入口O2浓度（17.0%）、高EGR率（26.6%）的条件下进行燃烧试验。

试验结果

图7显示了测试结果。数据表示氮氧化物的浓度和燃烧室出口温度（TIT）的相关性。燃烧室出口温度为1700摄氏度（1973 K）时，低氧浓度下的氮氧化物形成情况显著减少到高氧浓度条件下的大约四分之一（23%），并达到了50 ppm的研发目标。一维层流有关预混合燃烧分析的氮氧化物的减少（约60%）存在差异，原因是：（1）火焰温度EGR的抑制效应发生了很大的原因，因为预混的空气/燃料浓度是不均匀的条件与实际使用的条件相同，因此存在一个局部的富燃料燃烧的高火焰温度区域（2）较低的O2浓度导致了更低的燃烧速度，因此火焰位置向下游移动，从而增强了在燃烧过程中空气/燃料混合物浓度的均匀度和驻留时间的减少。

图8显示了燃烧室出口的CO浓度。尽管有担心因为降低了氧气的浓度，烟气中的一氧化碳含量增加了以及使用EGR的化学反应，CO浓度达到了研发目标的10 ppm（在低和高的氧气浓度条件下）。正如该公司所指出的浓度没有显著变化，燃烧室出口的燃烧效率没有显著恶化。