一种降低合成气燃气轮机NOx排放的系统
阅读说明：本技术 一种降低合成气燃气轮机NOx排放的系统 (System for reducing NOx emission of synthesis gas turbine ) 是由 王波 肖云汉 张哲巅 张士杰 赵丽凤 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种降低合成气燃气轮机NOx排放的系统,空分单元通过管路经加热加湿器后与燃气轮机压气机的进气管线连通,将加热加湿后的氮气以低压状态(接近常压)通入压气机的进气管线并与其中的进口空气以适当比例进行掺混,还可进一步将煤制气脱碳单元产生的二氧化碳通过管路经加热加湿器以低压状态(接近常压)通入所述压气机的进气管线中并与其中的空气进行掺混,将混合气体送入燃气轮机压气机,降低进入燃气轮机压气机的空气氧浓度,从而降低进入燃气轮机燃烧室的空气氧浓度,实现降低合成气燃气轮机NOx排放的目的。(The invention discloses a system for reducing NOx emission of a synthetic gas turbine, wherein an air separation unit is communicated with an air inlet pipeline of a gas turbine compressor through a pipeline after passing through a heating humidifier, nitrogen after heating and humidifying is introduced into the air inlet pipeline of the gas turbine compressor in a low-pressure state (close to normal pressure) and is mixed with inlet air in the air inlet pipeline in a proper proportion, carbon dioxide generated by a coal gas decarburization unit can be further introduced into the air inlet pipeline of the gas turbine compressor in a low-pressure state (close to normal pressure) through the pipeline after passing through the heating humidifier and is mixed with the air in the air inlet pipeline, mixed gas is sent into the gas turbine compressor, and the oxygen concentration of the air entering the gas turbine compressor is reduced, so that the oxygen concentration of the air entering a combustion chamber of the gas turbine is reduced, and the aim of reducing the NOx emission of.)
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地说是一种降低合成气燃气轮机NOx排放的系统。
背景技术
燃气轮机是利用清洁能源的新一代动力装置，可以高效清洁的将天然气、氢气、合成气、弛放气等气体燃料或燃油等液体燃料高效的转化为电力，是目前效率最高的大规模热功转换装置。
当燃气轮机燃用富含氢气的合成气燃料(这些燃料包括煤、生物质等含碳燃料气化燃料气、化工合成过程弛放气、焦炉煤气等，主要可燃成分为CO和H2)时，为防止回火，传统的预混低NOx燃烧技术难以采用，当前，主要采用扩散燃烧的方式。扩散燃烧方式绝热火焰温度高，造成燃气轮机NOx排放较高，为了降低燃气轮机NOx排放，一般采用燃料稀释或者向燃烧室注入稀释剂的方法，稀释剂一般是水蒸气或者氮气。如美国Tampa IGCC电站，燃气轮机燃用煤气化制合成气时，采用将高压深冷空分所产氮气通过压缩机压缩后完全注入燃气轮机燃烧室的方法降低NOx排放；美国Wabash River IGCC电站采用往燃气轮机注入水蒸气的方法降低NOx排放；荷兰Buggenum IGCC电站采用将高压深冷空分所产氮气进一步压缩以后注入燃料的方法降低NOx排放；西班牙Puertollano IGCC电站先将燃料采用热水加湿，然后将高压空分所产氮气进一步压缩后注入燃料的方法降低NOx排放。我国的华能天津250MW IGCC电站采用燃料注蒸汽的方法降低NOx排放。我国福建炼化合成气燃机采用将低压空分的氮气压缩以后对燃料稀释的方法降低NOx排放。
燃料稀释或者往燃烧室注入稀释剂的方法对于降低NOx排放有明显的效果，但是其缺点也是显著的。首先为了将稀释剂(氮气或者水蒸气)注入燃气轮机的燃料(合成气)或者燃烧室，要求稀释剂具有较高的压力。如稀释剂为氮气或者二氧化碳，需要增加压缩机并且为消耗大量的压缩功，如稀释剂为水蒸气，需要高品位热产生高压力蒸汽，这会降低系统总体效率，并且消耗大量的高品质除盐水。
燃料稀释或者直接向燃烧室注入大量稀释剂的另一个缺点是造成燃气轮机的通流困难。当前，烧合成气的燃气轮机大都基于天然气或者油为燃料的燃机改造而来，在燃气轮机改烧中低热值燃料气后，由于合成气的稀释，导致燃料热值很低，一般仅为4-5MJ/Nm3，甚至更低，所以燃料的流量显著增加，从而进入燃气轮机透平的燃气流量显著增加。一方面燃气轮机压气机背压将会显著升高，使压气机的工作点逼近甚至超过喘振线，可能造成压气机失速；另一方面，燃机输出功率显著增加，轴系强度不够。上述问题即中低热值合成气燃气轮机的通流问题。为了解决通流问题，燃机厂商采取了各种办法，如压气机叶片切顶减小压气机流量、降低燃烧室出口温度、压气机出口抽气供空分，形成整体化空分等。这些方法除了需要解决技术上的难题外，要么大幅度增加了投资，要么显著降低了效率，或者大大增加了系统运行控制的复杂程度。
如何以较小的代价降低合成气燃气轮机NOx排放，是合成气燃气轮机的关键问题之一。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明的目的在于从系统集成的角度提供一种降低合成气燃气轮机NOx排放的系统，将空分单元产生的氮气和/或合成气脱碳过程中分离出的二氧化碳，经过加热加湿以后，在燃气轮机压气机的进口处与压气机吸入的空气进行掺混后送入燃气轮机压气机，降低了进入燃气轮机压气机的空气的氧浓度，从而降低进入燃气轮机燃烧室的空气氧浓度，进而改变燃烧的绝热火焰温度，实现降低燃气轮机NOx排放的目的，且不会对合成气燃气轮机的通流造成显著影响。
本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案是：
一种降低合成气燃气轮机NOx排放的系统，至少包括一空分单元、一燃气轮机、一加热加湿器，其中，所述燃气轮机采用合成气燃料，并至少包括一压气机、一燃烧室和一透平，所述压气机的进气管线与大气连通、排气管线与所述燃烧室连通，所述压气机产生的高压气体与合成气燃料在所述燃烧室中混合燃烧生成高温燃气，所述高温燃气通入并驱动所述透平，其特征在于，
所述空分单元产生的氮气通过管路经所述加热加湿器后与所述压气机的进气管线连通，用以将氮气经过加热加湿后以低压状态(接近常压)通入所述压气机的进气管线，压气机进口空气与经过加热加湿后的低压氮气在所述压气机的进气管线中掺混后通入所述压气机。
优选地，所述空分单元为低压空分装置。
优选地，所述系统还包括一煤制气脱碳单元，所述煤制气脱碳单元产生的二氧化碳通过管路经所述加热加湿器后通入所述压气机的进气管线中，二氧化碳与氮气在所述加热加湿器中掺混并加热加湿后，以低压状态(接近常压)在所述压气机的进气管线中与其中的空气进行进一步的掺混。
优选地，所述透平的下游设置有余热利用装置，所述透平排出的烟气通入所述余热利用装置中，所述余热利用装置的尾部设置有水预热器，所述水预热器产生的热水通入所述加热加湿器，并对其中的氮气和/或二氧化碳进行加热加湿。即通过所述余热利用装置尾部的低品位热对通入所述水预热器中的水进行加热。
进一步地，所述余热利用装置优选为余热锅炉，所述水预热器优选设置在所述余热锅炉的尾部，通过所述余热锅炉尾部烟气的热量对通入所述水预热器中的水进行加热，所述水预热器产生的热水通入所述加热加湿器。
进一步地，所述余热锅炉还配套设置一汽轮机，所述余热锅炉产生的高温蒸汽通入并驱动所述汽轮机做功。
进一步地，通入所述加热加湿器中的热水以直接接触方式或非接触方式对其中的氮气和/或二氧化碳进行加热加湿。
进一步地，所述水预热器产生的热水以温度和流量可调的方式通入所述加热加湿器中。实现一定程度上调节燃气轮机压气机入口温度，对某些燃气轮机，可以提高机组的部分负荷效率。
进一步地，所述加热加湿器排出的冷水通入所述水预热器的补水管路中。
在整体煤气化联合循环发电或者基于大型加压煤气化的煤制化工原料等过程工业中，都存在空气分离制氧的过程，本发明的解决方案是将空分所产的污氮经过加热加湿以后，送入燃气轮机压气机进口，在燃气轮机压气机进口与压气机吸入的空气掺混，将混合气体送入燃气轮机压气机，降低进入燃气轮机压气机的空气的氧浓度，从而降低进入燃气轮机燃烧室的空气氧浓度，实现降低燃气轮机NOx排放。对于应用于煤化工的合成气燃气轮机，还可进一步将二氧化碳分离单元产生的二氧化碳与氮气掺混以后再一起加热加湿，然后送入燃气轮机压气机进口，进一步降低进入燃气轮机的空气氧浓度。
本发明的降低合成气燃气轮机NOx排放的系统，其工作原理是：本发明通过降低燃烧室空气的氧浓度，从而改变了燃烧的绝热火焰温度，可以有效的降低燃烧室的NOx排放。
现有的合成气燃气轮机燃料稀释降NOx方案虽然能够达到较好的降NOx技术效果，但本发明的技术方案系统更为简单，且不会带来燃气轮机的通流问题，与技术背景中所述向燃气轮机的燃料或者燃烧室中注蒸汽/氮气的方法相比，其优点在于：
(1)本发明在燃气轮机压气机进口掺入的是低压(接近常压)氮气和/或二氧化碳与水蒸气，氮气/二氧化碳无需进行压缩，节省设备和能耗。如果采用氮气和/或二氧化碳对燃料稀释，一般需配备多级离心压缩机，将稀释气体加压到燃料压力以上。以氮气燃料稀释为例，为了降低系统能耗，一般其空气分离制氧装置需采用高压操作，以提高产气的压力。而本发明仅需低压氮气和/二氧化碳(接近常压)，将低压空分制氧装置产生的污氮和/或合成气脱碳过程产生的二氧化碳通过加热加湿器，提高其水蒸气含量，引入燃机进口与空气掺混即可。
(2)本发明对合成气燃气轮机通流影响小。采用燃料稀释或者向燃烧室注入稀释剂的方法都会加剧燃气轮机通流问题，而不得不采用缓解通流的措施。本发明中，氮气和/或二氧化碳及水蒸气在燃气轮机压气机进口与空气掺混，会降低压气机进口空气的氧浓度，但是压气机的总流量变化不大，对透平进口燃气流量的影响也不大。
(3)本发明能够实现降低燃气轮机NOx排放，且不会对合成气燃机的通流造成显著影响。
(4)本发明通过氮气和/或二氧化碳进行加热加湿，形成氮气和/或二氧化碳与水蒸气的混合气体，氮气和/或二氧化碳与热水直接接触传热传质，热水的蒸发仅需消耗系统的低温余热(通常低于80℃)。
(5)本发明中，虽然氮气和/或二氧化碳的加热加湿提高了燃气轮机压气机进口气体的水蒸气含量，降低了氧浓度，但一定程度上也会提高压气机进口温度，进而降低燃气轮机的输出功率和热效率(相比进口不加温，效率会降低)，因而需要具体根据实际需求选择是否采用本发明的降NOx系统。
(6)本发明可通过调节氮气和/或二氧化碳的加热加湿器的热水流量和温度，实现一定程度上调节燃气轮机压气机入口温度，对某些燃气轮机，可以提高机组的部分负荷效率。
附图说明
图1是本发明的降低合成气燃气轮机NOx排放的系统应用于某基于煤气化的燃气轮机发电及合成气联产系统的示意图，其中，煤气化单元1、煤制气净化与脱硫单元2、煤制气变换单元3、煤制气脱碳单元4、压气机5、燃烧室6、透平7、余热锅炉8、汽轮机9、发电机10、深冷空分单元11、加热加湿器12、水预热器13。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
下面以某基于煤气化的燃气轮机发电及合成气联产系统为例，说明本发明的降低合成气燃气轮机NOx排放的系统的应用。如图1所示，该系统包括煤气化单元1、煤制气净化与脱硫单元2、煤制气变换单元3、煤制气脱碳单元4、压气机5、燃烧室6、透平7、余热锅炉8、汽轮机9、发电机10、深冷空分单元11、加热加湿器12、水预热器13等部件和必要的管路。环境空气经过深冷空分单元11分离为氧气和氮气，氧气送往煤气化单元1作为气化的氧化剂，煤经过气化以后生成粗合成气，粗合成气经过煤制气净化与脱硫单元2，除去其中的固体颗粒以及硫化物(H2S和COS)、氯化物、氨等成为洁净的煤制气。煤制气一部分送入燃气轮机的燃烧室6作为燃料气，另一部分通过煤制气变换单元3将其中的一氧化碳通过水蒸气变换为二氧化碳和氢气，再经过煤制气脱碳单元4将气体中二氧化碳分离出，成为氢碳比符合下游要求的合成气。燃气轮机的压气机5从环境中吸入空气，环境空气在进入压气机5之前，从深冷空分单元11送回的污氮与煤制气脱碳单元4分离出的二氧化碳气体混合，混合后的的氮气/二氧化碳混合气体从加热加湿器12的底部进入，在加热加湿器12中，与从顶部喷入的大量热水直接逆流接触，氮气/二氧化碳混合气体被加湿同时升温，以氮气/二氧化碳/水蒸气混合气体与空气混合后进入燃气轮机压气机5。在加热加湿器12中，顶部喷入的热水在向下流动的过程中，部分的水蒸发到氮气/二氧化碳气体中，热水的温度降低，从加热加湿器12的底部排出，称为冷水，该冷水送入设置在余热锅炉8尾部的水预热器13，冷水与余热锅炉尾部的烟气换热被升温，重新成为热水，送至加热加湿器12顶部。在在加热加湿器12中，由于蒸发减少的水量通过补水补充，从而实现水的平衡。
氮气/二氧化碳/水蒸气混合气体经压气机5压缩以后送入燃烧室6，在燃烧室中与合成气燃烧以后，成为高温高压的燃气推动透平7做功，透平7的输出功带动发电机10发电。透平7排出的烟气经过余热锅炉8回收热量产生蒸汽，推动汽轮机9做功。在余热锅炉8的尾部设置水预热器13，对用于加热加湿器12的水进行加热。
以上给出了一个采用本发明的降低合成气燃气轮机NOx排放的系统，应用于基于煤气化的燃气轮机发电及合成气联产系统的简要流程。需要说明的是，本发明的核心是将系统中无使用价值的污氮和/二氧化碳经过系统中无使用价值的余热加热加湿以后，在燃气轮机的压气机进口与空气混合，实现降低合成气燃气轮机NOx排放的目的。在实际应用中，可以根据不同级别燃机的需求，单独采用氮气或者二氧化碳或者他们的组合在加热加湿后对压气机进口空气进行稀释。本发明中的加热加湿器12可以是填料塔或者空心塔或者其他能够起到采用热水能量对气体进行加热加湿的设备。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。