日本1700℃燃氣輪機低氮燃燒技術

燃氣輪機聯合循環發電將長期在全球提供清潔、經濟電力方面發揮重要作用。作爲日本國家項目的一部分，三菱正開發應用於1700攝氏度等級燃氣輪機，以追求更高的效率，並一直在推進煙氣再循環（EGR）燃燒室的研發，在超高溫燃氣輪機中實現低氮氧化物排放。

在2011年，應用技術發展研究的最後一年，三菱建立了一個模擬煙氣再循環的高壓燃燒試驗裝置，測試結果達到研發目標，即50 ppm或更少的氮氧化物濃度。本文描述了一個高壓燃燒試驗模擬廢氣再循環的試驗。

01 引言

燃氣輪機聯合循環（GTCC）發電是一種清潔高效的能源發電系統，隨着經濟和社會發展，今後的需將越來越多，理由如下：

（1）長期來看，預計全球GTCC發電的市場將持續增長。

（2）GTCC發電存在巨大需求，用於改善基礎設施，發展中國家建設GTCC電站可以快速構建並提供穩定的電力來源。

（3）發達國家對高能效發電的需求：提高經濟效率和環境適應性。

（4）GTCC發電的超負載吸收能力，考慮可再生能源的增長及其與核能發電的優化組合。

GTCC發電的熱效率隨透平入口（燃燒室的出口）的溫度增加而增加，如圖1所示。自2004年以來，三菱開展了日本國家項目——1700℃等級的燃氣輪機開發，包括燃燒室、壓氣機、透平、冷卻、隔熱塗層等，聯合循環效率目標值62%-65%（LHV）。

圖1 聯合循環循環效率的變化趨勢。與三菱目前生產的燃氣輪機相比，開發的1700°C等級燃氣輪機具有最高溫度和最高效率，熱效率爲62%至65%。二氧化碳排放強度爲傳統煤電廠的一半。

圖2顯示了三菱的低氮氧化物燃燒室開發歷史。三菱不斷在熱效率方面，致力於提高透平進口溫度，引入了先進燃燒技術來抑制污染物，如燃料型氮氧化物。隨着燃燒溫度的升高，氮氧化物的形成呈指數增長。對於1700°C的燃燒器，即使採用傳統的貧預混燃燒系統，氮氧化物與1500°C的燃燒器相比，又增加了一個數量級。因爲採用脫硝設備處理成本如此高水平的氮氧化物非常高昂，需要爲1700°C等級燃氣輪機新開發低氮氧化物燃燒系統。

三菱首創了煙氣再循環（EGR）系統，並開發了適用於該系統的燃燒室，並已經通過全尺寸中壓燃燒試驗驗證了煙氣再循環（EGR）系統的降低NOX排放效果。本文講述的是高壓燃燒試驗，其壓力與實際運行壓力相當。

圖2 三菱的低氮氧化物燃燒室開發歷史。三菱的目標是提高燃燒室出口溫度以提高效率，同時要保證氮氧化物的排放。三菱正在研究煙氣再循環的使用，開發1700℃級超高溫燃燒系統，以減少氮氧化物的排放。

02煙氣再循環系統概述

圖3展示了1700℃級燃氣輪機煙氣再循環系統的示意圖。這裏使用的煙氣再循環法是一種半封閉的方法，將煙氣與空氣混合，降低了參與燃燒的空氣的氧氣濃度。煙氣在餘熱鍋爐的下游分流，通過冷卻器與周圍的空氣混合，然後引入壓氣機。

圖3 煙氣再循環（EGR）系統示意圖。燃燒室產生的煙氣通過餘熱鍋爐，與空氣混合後，然後進入壓氣機，產生了低濃度氧的空氣集中供應給燃燒室。

表1給出了採用煙氣再循環的1700℃等級燃燒室的開發目標。燃燒室採用了一種貧預混燃燒，目標是氮氧化物排放濃度爲50 ppm（@15% O2）或更少。用於燃燒室的冷卻方法是一個蒸汽回收冷卻系統，該技術在三菱的G級燃氣輪機燃燒室中驗證過。

表1 煙氣再循環（EGR）系統燃燒室的開發目標

03煙氣再循環的氮氧化物排放特性

爲研究在實際應用中煙氣再循環所的氮氧化物減少效果，開展了一維層流預混燃燒的數值模擬分析。採用GRI Mechanism Ver 3.0（53種化學種和325種基本反應）建立了詳細的動力學反應機制模型。爲弄清氮氧化物生成與煙氣再循環量之間的相關性，使用燃燒室入口氧氣濃度作爲參數進行計算。（表2）。

表2 計算參數

圖4顯示了燃燒室出口溫度（TIT）與氮氧化物濃度（@15%O2）之間的相關性。這些結果以恆定的預混燃燒計算得到，以入口的O2濃度（EGR率）作爲參數。NOx的濃度隨著氧濃度下降而下降進口氧氣濃度（提高EGR率）。計算結果驗證了26.6%的EGR率與0.0%的EGR率相比，在燃燒室出口氮氧化物濃度降低了約40%。

圖4 燃燒室出口溫度（TIT）與氮氧化物濃度（@15%O2）之間的相關性

04實際燃燒室高壓燃燒試驗

煙氣再循環的模擬

在燃燒試驗中，用產生煙氣（前置燃燒器）和噴淋管道用於模擬煙氣再循環系統。圖5爲設備結構示意圖。向主燃燒室供應的空氣通過在上游安裝的前置燃燒器和噴水管，調整氧氣濃度和溫度。

圖5 煙氣再循環系統的模擬

高壓燃燒試驗裝置

圖6爲高壓試驗外殼的設備結構。那在煙氣發生器中產生的模擬EGR氣體通過擴散器和在測試外殼中安裝的扇區，並模擬燃燒室外殼的形狀，然後供應給主燃燒室。煙氣在測量管道的下游取樣，用於測量氮氧化物、一氧化碳等。測試外殼的設計規格：最大的工作壓力是31 ata（3.04 MPa）和最高工作溫度550攝氏度（823 K）。

圖6 高壓試驗殼內設備的結構

在這個測試中，與普通的燃燒測試使用環境空氣不同，氮氧化物在燃燒室上游的廢氣發生器中就生成了。因此還對主燃燒室之前的燃燒空氣氣體成分進行了測量，通過主燃燒室氮氧化物之間的差異計算了主燃燒室產生的氮氧化物。

通過對一維層流預混燃燒的分析，研究了氮氧化物的影響研究了主燃燒器入口處NOX濃度對主燃燒器燃燒過程氮氧化物濃度的影響，發現在本試驗條件下，即等效係數爲0.7~0.9，入口處NOX濃度對主燃燒器燃燒過程氮氧化物濃度沒有影響。如果一個煙氣再循環系統在系統外安裝有脫硝裝置，有必要在空氣中增加氮氧化物濃度，以評估燃燒室出口的氮氧化物濃度。本文的脫硝裝置安裝在循環系統中內部，如圖3所示。

在測試條件中，燃燒室壓力，入口空氣溫度，和氣流速率相當於實際使用的速率。爲了研究EGR率對氮氧化物形成的影響，在高進口氧氣濃度（19.6%）、低EGR率（10%），以及低入口O2濃度（17.0%）、高EGR率（26.6%）的條件下進行燃燒試驗。

試驗結果

圖7顯示了測試結果。數據表示氮氧化物的濃度和燃燒室出口溫度（TIT）的相關性。燃燒室出口溫度爲1700攝氏度（1973 K）時，低氧濃度下的氮氧化物形成情況顯著減少到高氧濃度條件下的大約四分之一（23%），並達到了50 ppm的研發目標。一維層流有關預混合燃燒分析的氮氧化物的減少（約60%）存在差異，原因是：（1）火焰溫度EGR的抑制效應發生了很大的原因，因爲預混的空氣/燃料濃度是不均勻的條件與實際使用的條件相同，因此存在一個局部的富燃料燃燒的高火焰溫度區域（2）較低的O2濃度導致了更低的燃燒速度，因此火焰位置向下遊移動，從而增強了在燃燒過程中空氣/燃料混合物濃度的均勻度和駐留時間的減少。

圖8顯示了燃燒室出口的CO濃度。儘管有擔心因爲降低了氧氣的濃度，煙氣中的一氧化碳含量增加了以及使用EGR的化學反應，CO濃度達到了研發目標的10 ppm（在低和高的氧氣濃度條件下）。正如該公司所指出的濃度沒有顯著變化，燃燒室出口的燃燒效率沒有顯著惡化。