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一种节能型燃机NOx减排系统及减排方法
技术领域
本发明涉及固定式燃气轮机的烟气NOx减排技术领域，更具体地说，涉及一种固定式燃气轮机增湿与SCR联合NOx节能减排系统。
背景技术
虽然燃煤电厂超低排放后污染物减排大幅降低，但是煤炭运输、石膏和燃煤灰飞、脱硫废水等问题，仍然存在不少的环境问题，而且燃煤机组调峰性能较差。因此，东部地区燃气发电和供热的电厂越来越多，其中大多采用固定式燃气轮机联合循环发电方式。
目前固定式燃气轮机的NOx排放标准是50mg/m3，单位发电量的NOx排放要明显高于燃煤电厂，因此固定式燃气轮机NOx减排是大势所趋。现有主流技术是采用低氮燃烧器或SCR技术减排。
早期有采用注入蒸汽等方式降低NOx排放，但是该方式运行费用高、降氮经济性较差。目前多采用干式低氮燃烧器，然而该方式存在投资费用高、燃烧器易堵塞，长期稳定达标性存疑。
SCR技术成熟，但是不同于燃煤机组，燃气机组的烟气截面更大，流场和NOx分布均匀性差、波动性大，目前SCR改造后普遍存在效率不稳定、氨逃逸高等问题，难以稳定实现低NOx排放，而且NH3逃逸高。
综上，如何对实现固定式燃气轮机NOx排放、降低氨逃逸，并降低物耗和能耗是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种成本较低、且能有效实现NOx减排的装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种节能型燃机NOx减排系统。该减排系统用于固定式燃气轮机；包括水冷塔、多级送风系统；所述多级送风系统包括送风主管道、送风支管道、过滤装置和压气机；所述水冷塔上设有若干取风口；各取风口均连接所述送风主管道的入口端；所述送风支管道一端与送风主管道相连，另一端连接外部空气；所述送风支管道上设有电动阀门；所述送风主管道的出口端依次所述过滤装置和压气机与固定式燃气轮机的燃烧室相连。
上述减排系统还包括SCR系统；所述SCR系统设于固定式燃气轮机的余热锅炉内。
该减排系统还包括控制器；所述送风主管道的入口端设有气体在线监测装置；所述送风支管道内设有气体在线监测装置；各气体在线监测装置均与所述控制器相连；所述控制器与所述送风支管道上的电动阀门控制相连。
其中，气体在线监测装置包括温度、湿度、流量在线监测仪。
过滤装置采用过滤网。
取风口设置2个或者多个。
水冷塔内气体从取风口处向塔外的流向倾斜向上。
固定式燃气轮机的天然气预热器直接与燃烧室相连。
SCR系统采用多区喷氨方式。SCR系统采用的SCR催化剂为多孔蜂窝状催化剂或波纹状催化剂。
同时，本发明还提供了采用上述节能型燃机NOx减排系统进行节能减排的方法。
NOx减排方法通过将水冷塔内的湿热气体与空气的混合气体通入燃烧室内，调节所述混合气体的温度及其中水蒸气的体积比，对燃烧室出口NOx浓度的进行调控，并结合SCR系统进一步降低NOx排放。
在对混合气体的温度及其中水蒸气的体积比进行调节时，优先根据机组负荷进行温度调节：在90%以上负荷时，混合气体温度控制在15℃以下；在80%到90%负荷之间时，混合气体温度控制在20℃以下；在80%负荷以下的低负荷时，混合气体温度控制在30℃以下。
当控制混合气体温度在对应上限值附近后，尽可能调整提高控制混合气体中水蒸气的体积比。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、通过将加湿加热的空气与预热的天然气在燃烧室内混合燃烧，有效提高了燃气轮机的发电效率，同时降低了燃烧室出口的NOx浓度；并通过对混合通入空气的湿度、温度对NOx浓度影响的试验研究，同时利用多级送风系统实现了对混合气体温湿度的精确调控，最大程度地实现对NOx的节能减排。
2、本发明利用水冷塔引入加热加湿气体，相比较早期注蒸汽的方式，既节约了水资源又减少了蒸汽的消耗，经济型更加；而相比较干式低氮燃烧器的改造，只需要增加一部分送风管道，投资费用和运行费用都很低，同时燃烧器堵塞的风险也较低，还能提高燃气轮机的发电效率。
3、同时本发明结合SCR系统，进一步实现了更低的NOx排放和降低氨逃逸，且由于燃烧室出口的低NOx排放浓度，使得SCR系统入口NOx浓度降低，对后续喷氨精准性和氨氮混合运行性要求更低，更容易实现低NOx排放和低氨逃逸，同时节省喷氨量和相应的蒸汽等能耗物耗。
附图说明
图1为本发明节能型燃机NOx减排系统的结构示意图；
图2为通入燃烧室内空气中水蒸气体积比对燃烧器出口NOx浓度的影响；
图3为不同机组负荷下，燃烧器出口NOx浓度随温度的变化曲线图。
图中，1-水冷塔；2-送风主管道；3-电动阀门；4-滤网；5-送风支管道；6-压气机；7-天然气预热器；8-燃烧室；9-余热锅炉扩散段；10-喷氨系统；11-SCR催化剂层；12-烟囱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明节能型燃机NOx减排系统，包括水冷塔1、多级送风系统、SCR系统。水冷塔1通过多级送风系统与燃气轮机的燃烧室8相连。
其中，多级送风系统按照空气流向依次包括，与水冷塔1相连的送风主管道2、两端分别与送风主管道2、塔外相连的送风支管道5、设于送风支管道5上的电动阀门3、以及对送风支管道5与送风主管道2中的气体混合后进行过滤的滤网4，过滤后的混合气体经压气机6送入燃烧室8，与经过天然气预热器7加热的天然气混合。
水冷塔1为常规双曲线或其它形式的水冷塔均可，但需要考虑到上部送风管道开口（即与送风主管道2相通的取风口）和载荷对水冷塔设计和施工的影响。
送风主管道2为主送风管道，考虑到对冷却塔流场的影响，建议水冷塔1上开设的取风口分为2个或多个，保障冷却塔流场的均匀性。同时，考虑液滴积液的影响，取风口方向朝下（即取风口处的气流向上流出塔外）。送风主管道2的入口位置安装温度、湿度、流量在线监测仪器，并将其实时监测数据纳入燃气轮机的主机系统。
送风支管道5为辅助送风管道，送风支管道上安装电动阀门3及温度、湿度、流量在线监测仪器，该实时监测数据同样纳入燃气轮机的主机系统，根据监测空气的温湿度，通过电动阀门3调节空气流量进而控制混合空气的温度与湿度。
通过以上混合的加湿加热的空气可以提高燃气轮机的发电效率，也可以降低燃烧室出口的NOx浓度。相对于早期注蒸汽的方式，即节约了水资源也减少了蒸汽的消耗，经济性更佳。相对于干式低氮燃烧器改造，只需要增加一部分送风管道，投资费用和运行费用都很低，燃烧器堵塞的风险也较低，不仅不影响燃气轮机的发电效率，还能提高发电效率。
同时，滤网4过滤空气中大颗粒物、液滴等，防止后续设备和燃烧器喷嘴堵塞等故障。
SCR系统布置在余热锅炉内，按照空气流向依次包括，从燃烧室8排放的烟气先进入余热锅炉入口扩散段9，经过喷氨系统10、过热器、SCR催化剂层11、蒸发器、省煤器、烟囱12。
优选地，喷氨系统10采用多区喷氨方式，各区域根据在线测量的NOx浓度调节喷氨量，控制氨氮比均匀度，降低氨逃逸。
优选地， SCR催化剂层11的SCR催化剂采用多孔（40到80孔）蜂窝状催化剂或波纹状催化剂均可，保证催化效率的同时减少催化剂的占地空间。
为了实现对NOx减排的精确控制，本发明对燃烧室出口处NOx浓度进行了以下研究：
1、对多级送风系统送入燃烧室内的加湿加热气体进行湿度调节，测定燃烧室出口处NOx浓度
在机组负荷高负荷，通过电动阀门3调节送入进行混合的空气量，从而调节送入燃烧室内的加湿加热气体中水蒸气比例，测定不同体积比的水蒸气含量对燃烧室出口处NOx浓度的影响，如图2所示。从图2可以看出，助燃空气中水蒸气体积比在2.3%到2.6%之间时，NOx浓度可降低到约24mg/m3,降低幅度可达20-30%，可满足北京市《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》（DB11/847-2011）的30mg/m3排放标准，甚至不需要投入SCR。即使是针对目前深圳市最严的15mg/m3排放要求，喷氨量也可节省50%以上。在运行过程中，通过送风管道（包括送风主管道、送风支管道）监测的湿度与温度数据，调整混合比例，将助燃空气的水蒸气体积比控制在2.3%以上，若达不到2.3%时且NOx排放较高时，则关闭送风支管道的电动阀门3，并在送风主管道（或天然气管道）注入蒸汽，或者在送风支管道5上增加一套蒸汽喷吹装置。
2、对燃气轮机机组不同负荷阶段，燃烧室出口处NOx浓度随送入燃烧室内的加湿加热气体温度的变化。
针对燃气轮机机组不同负荷阶段，通过电动阀门3调节送入燃烧室内加湿加热气体的温度，测定不同温度对燃烧室出口处NOx浓度的影响，如图3所示。从图3可以看出，在90%以上负荷时（燃烧器为预混燃烧模式，图3所示92%），此时助燃空气温度控制在15℃以下，NOx减排幅度可达30%，在15℃附近时最低。在运行控制过程中，助燃空气温度控制在15℃以下且NOx排放较低时，助燃空气温度建议运行在低温段，即减少送风支管道的送风量。
在约80%到90%负荷之间时（燃烧器为扩散与预混燃烧模式共同作用，图3所示86%），此时助燃空气温度控制在20℃以下，NOx减排幅度可达30%以上。在运行控制过程中，助燃空气温度控制在20℃以下时，尽可能减少送风支管道的送风量。
在约80%负荷以下时（燃烧器为扩散燃烧模式为主，图3所示80%），此时助燃空气温度控制在30℃以下，NOx减排幅度在10到20%之间。由于燃烧方式的原因，减排幅度低于高负荷阶段。在运行控制时过程中，助燃空气温度建议控制在30℃以下时，尽可能减少送风支管道的送风量，必要时在送风主管道（或天然气管道）注入蒸汽，提高水蒸气含量。
3、由于电动阀门3仅调节塔外通入的空气流量，混合后空气温度与湿度是同时变化的，部分时间可能会导致温度和湿度其中之一不能控制在优化区间，优先保证温度处于更优的状态。一般极端情况出现在夏季和冬季。
在冬季时，高温高湿的空气与环境空气混合比较容易将混合空气的温度调整到推荐区间，而湿度也可能达不到推荐指标区间。此时，在温度在推荐范围的情况，应调低送风支管道5上的电动阀门3，降低环境空气的比重，进而提高混合空气的整水蒸气体积比指标。如果在极寒天气，发生温度低于推荐指标区间下限的情况时，此时应关闭送风支管道5上的电动阀门3。
在夏季时，可能存在温度超过推荐区间上限的情况，此时应提高送风支管道5上的电动阀门3，减少高温空气的比重，必要时可以在送风支管道5增加一套蒸汽喷吹装置，提高送风支管道的空气湿度。
效果实施例
以E级200MW级机组为例，对采用本发明减排系统以及现有技术进行对比，对比结果如下表所示：
