CN107261842A - 一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置 - Google Patents

一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，包括烟气冷却模块、NOx吸收处理模块和控制单元，所述烟气冷却模块包括：冷却水雾化单元、储水罐以及布置在排气出口烟道中位于所述冷却水雾化单元的下方用于收集冷却水的冷却水集液池；所述NOx吸收处理模块包括：微生物溶液喷淋单元、吸收室、微生物溶液集液池以及储存和进一步处理来自微生物溶液集液池的微生物溶液并通过微生物溶液泵向所述微生物溶液喷淋单元供给微生物溶液的微生物培养池；本发明的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，具有针对性强、NOx的脱除效率高、结构简单、投资及运行成本低等优点。

Description

一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置
技术领域
本发明涉及污染物脱除技术领域，特别涉及一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置。
背景技术
燃气轮机机组具有能源转换效率高、污染物排放少、启停迅速、运行灵活等特点。近年来，随着天然气资源的大规模开发利用，国家“西气东输”和引进国外液化天然气等工作全面展开，我国燃机装机容量不断增加，占全国电力总装机的比例也逐年升高。目前，随着环保要求的日益严格，燃机启动过程中产生的较高浓度NOx，约为180～200mg/Nm3，已无法满足国家环保排放要求，且烟囱会出现黄棕色烟雾，视觉感官极差，造成了严重的环境污染和很坏的社会影响，因此迫切需要研究燃气轮机启动过程中NOx的脱除方法。
燃机排放烟气中NOx有两个来源：热力型NOx和快速型NOx，由于快速型NOx的生成条件苛刻，其占NOx生成量的比例较低，一般低于5％。因此，燃机排放烟气中NOx以热力型为主。热力型NOx是燃烧过程中N2和O2在1500℃以上的高温区按照Zeldovich机理生成的。燃机启动过程中，为保证燃烧稳定，防止火焰熄灭，采用扩散燃烧方式，而扩散燃烧时燃烧区的温度通常高达2000～2200℃以上，造成NO大量生成；同时启动阶段烟气中含氧量较高，以及燃烧不完全而生成的CO、未燃尽碳氢等，均促成NO向NO2转化，使烟气中NO2浓度显著升高。而NO2是一种红棕色气体，稀释后呈黄棕色，燃机启动过程中的可见黄烟就来自于NO2的高浓度排放。随着负荷的上升，预混燃烧的比重增加，火焰面温度降低，从而有效的降低NO的生成，减少NOx的排放。分析燃机排放烟气中NOx的生成机理，说明高浓度NOx的排放主要出现在燃机启动初期。
针对燃机启动过程中NOx排放超标的问题，目前解决的方法主要有两种：一种是通过燃烧调整控制燃烧过程中NOx的生成；另一种是NOx生成后排入余热锅炉后进行尾部烟气脱硝处理。
燃烧过程中降低NOx生成的方法主要有：燃烧时注水或蒸汽，采用端部贫燃料燃烧(Lean Head End，LHE)火焰筒，采用干式低NOx燃烧器(DLN)，催化燃烧，采用程氏低NOx技术(Cheng Low NOx，CLN)等。其中，LHE火焰筒是通过在火焰区域引入过量空气，降低火焰温度并缩短气体在高温区的停留时间来降低NOx的排放。CLN技术是将蒸汽与气体燃料均匀预混，混合后流体进入燃烧室燃烧，该方法目前主要应用于小型燃机，技术成熟度还不够高，其类似于传统的注水/蒸汽方式，注入的蒸汽会对涡轮热部件的寿命和维修周期产生影响。催化燃烧是通过在燃烧系统加装催化剂，将燃料的贫燃料极限降低到更低的燃料/空气比，燃料在催化剂处进行的氧化反应温度大约为982℃，比常规燃烧系统的温度低，因此可以降低NOx的生成，但由于催化剂的寿命问题，还没得到大规模的工业应用。
目前，较多通过燃烧器技改升级采用是干式低NOx技术，利用均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法，使燃料与较多的空气相混合，使其在比较稀释的浓度下进行低温度的燃烧，以降低NOx的生成。该技术被国外垄断，美国GE公司燃烧器技改升级投资费用高达7000万元以上。在实际运行中，均相预混可燃混合物的可燃极限范围比较狭窄，特别是在低温条件下火焰的传播速度比较低，因此CO的排放量就会增大，同时燃烧不稳定，主要表现为燃烧筒内压力剧烈脉动，发出嗡嗡声或尖利的噪声。这种因燃烧不稳而产生的压力大幅脉动，会引起回火、喷嘴熄火等问题，从而造成机组跳机，严重的还会造成燃烧器、火焰筒、透平部件等昂贵热通道部件烧损或者疲劳损伤，从而影响使用寿命。
对燃烧后烟气进行处理的方法主要是SCR技术，通过在燃机排放烟气中喷入氨气，其在催化剂的作用下与NOx反应生成氮气和水。SCR系统需要布置在燃机排气通道内，通常是布置在余热锅炉内与催化剂运行温度相匹配的区域。燃机启动过程中余热锅炉的排气温度仅为80℃，不能满足当前SCR脱硝的温度窗口，需开发新的低温催化剂，或采用加温的方式，势必带来较高的运行成本。
综上所述，到目前为止，常规的燃机燃烧调整技术或烟气后处理技术虽然能一定程度的降低燃机启动过程中的NOx，但均存在或多或少的问题，有些甚至会影响到燃气轮机安全运行。
发明内容
本发明提供了一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，具有脱除效率高、结构简单、投资及运行成本低、后续次生污染少等优点。
一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，包括烟气冷却模块、NOx吸收处理模块和控制单元，所述烟气冷却模块包括：
冷却水雾化单元，安装在燃机余热锅炉的排气出口烟道中；
储水罐，通过冷却水泵向冷却水雾化单元供给冷却水；
冷却水集液池，布置在排气出口烟道中位于所述冷却水雾化单元的下方用于收集冷却水；
所述NOx吸收处理模块包括：
微生物溶液喷淋单元，安装在燃机烟囱内；
吸收室，位于所述微生物溶液喷淋单元下方，用于对经过所述冷却水雾化单元的烟气中酸雾滴和NOx的吸收和初步处理；
微生物溶液集液池，位于所述吸收室下方收集微生物溶液；
微生物培养池，储存和进一步处理来自微生物溶液集液池的微生物溶液并通过微生物溶液泵向所述微生物溶液喷淋单元供给微生物溶液。
为了消除燃机启动初期烟囱冒黄烟，本发明装置主要针对这一时期的NOx排放处理。
一般燃机余热锅炉出口烟气的温度高于80℃，而微生物适宜生长的温度在40℃以下，所以先用冷却水雾化单元产生冷却水喷雾的方法降低烟气温度。烟气穿过冷却水雾墙时，烟气的温度降低，有利于烟气中NO向NO2的转化，同时烟气与水雾接触，烟气中的NO2溶解于雾滴中，实现了烟气中NO2的初步脱除，且当NO2浓度降低时，也有利于烟气中NO向NO2的转化。在燃机的烟囱内安装阵列布置的喷淋头，实现烟气中NOx的进一步高效脱除和无害化处理。
为了节约水资源，减少水资源的浪费，使本发明装置更环保，优选的，所述烟气冷却模块还包括：
微生物膜分离器，与所述微生物培养池连接，进行微生物和溶液的分离，向所述储水罐提供冷却水。上述结构将微生物培养池连中的培养液作为冷却水进行循环，充分利用水资源。
为了节约水资源，减少水资源的浪费，同时减少污水的排放，使本发明装置更环保，优选的，所述烟气冷却模块还包括：
混合器，混合来自所述冷却水集液池和储水罐的冷却水至适合温度后输送至所述微生物培养池。由于冷却水集液池收集的冷却水中含有和但水温可能高于微生物适宜生长的温度，不能直接排入微生物培养池进行处理，向混合器中注入冷却水，再将含有和的混合液排入微生物培养池。
优选的，所述消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置还包括布置在燃机余热锅炉的排气出口烟道中且位于冷却水雾化单元之前的NOx浓度测量仪表，所述NOx浓度测量仪表控制冷却水泵以及微生物溶液泵停止工作。
NOx浓度测量仪表监测燃机余热锅炉出口烟气中NOx浓度，达到预设值(例如国家排放标准)后，先关闭NOx吸收处理子模块，再关闭烟气冷却子模块。含有和的微生物溶液被收集排入微生物培养池，在反硝化细菌的长时间处理下降解为N2。长时间处理后，检测微生物培养池中浓度，当浓度低于设计值时，开启微生物膜分离器，得到冷却水，储存在储水罐中，以备下次起机使用。
为了使烟气温度均匀降低，优选的，所述冷却水雾化单元的喷嘴为阵列布置，所述喷嘴的雾化锥角大于等于75°，雾化粒径小于等于20μm。喷嘴为阵列布置，安装在余热锅炉出口水平烟道，且雾化粒径小于等于20μm。
为了提高冷却效果，优选的，所述冷却水雾化单元在离所述喷嘴出口20～30cm处形成一道雾墙，所述雾墙充满整个烟道截面。
为了使喷淋的大微生物溶液液滴能够捕获已经吸收NO2的酸雾滴，防止酸雾滴逃逸到大气中，同时进一步吸收烟气中的NO2，优选的，所述微生物溶液喷淋单元的喷淋头组为阵列布置，喷淋形成的液滴粒径大于等于1mm，喷淋的锥角小于等于45°。
为了减小加装喷雾冷却系统所增加的烟气阻力，减少喷嘴数量，优选的，所述冷却水雾化单元的喷头朝向烟气流动方向。
为了实现烟气中NOx的高效脱除和无害化处理，进一步在燃机的烟囱内安装阵列布置的喷淋头。
为了使喷淋的大微生物溶液液滴能够捕获已经吸收NO2的酸雾滴，防止酸雾滴逃逸到大气中，同时进一步吸收烟气中的NO2，优选的，所述微生物溶液喷淋单元的喷淋朝向与烟气流动方向相反。
本发明的有益效果：
本发明的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，具有针对性强、NOx的脱除效率高、结构简单、投资及运行成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置包括安装在水平烟道1内的NOx浓度测量仪表2，烟气冷却模块3，安装在烟囱5内的NOx吸收处理模块4，燃机负荷信号6，控制系统回路7以及控制单元8。
其中烟气冷却模块3包括微生物膜分离器301，储水罐302，冷却水泵303，冷却水流量计304，雾化喷嘴阵列305，喷雾形成的雾墙306，冷却水集液池307，冷却水温度传感器308，减压阀309，混合器310，混合液排出阀311。
NOx吸收处理模块4包括微生物溶液泵401，微生物溶液流量计402，喷淋头组403，吸收室404，微生物溶液集液池405，微生物培养池406，搅拌器407，微生物溶液温度传感器408，微生物检测仪409。
系统中燃机负荷信号6用来控制系统的开启，当燃机启动时，首先开启烟气冷却模块3，然后开启NOx吸收处理模块4。NOx浓度测量仪表2的NOx浓度信号控制系统的关停，当余热锅炉出口烟气中NOx浓度，达到国家排放标准后，先关闭NOx吸收处理模块4，再关闭烟气冷却模块3。
烟气冷却模块3中微生物膜分离器301用来实现微生物和溶液的分离，提供冷却水到储水罐302；冷却水流量计304和冷却水泵303用来监测和控制冷却水流量；冷却水经雾化喷嘴阵列305在喷嘴出口20～30cm处形成一道雾墙306，充满整个烟道截面，实现烟气的均匀冷却和烟气中NOx的初步吸收；部分冷却水被冷却水集液池307收集进入混合器310，当冷却水温度高于微生物适宜生长的温度时，调节减压阀309，向混合器中注入冷却水，再将含有和的混合液排入微生物培养池406。
为了达到较优的喷雾冷却效果，且烟气温度均匀降低，雾化喷嘴阵列305安装在余热锅炉出口水平烟道1，且雾化粒径小于等于20μm。
为了减小加装喷雾冷却系统所增加的烟气阻力，减少喷嘴数量，雾化喷嘴阵列305中的喷嘴的雾化锥角等于80°，且喷雾方向与烟气流动方向一致。
为了提高冷却效果，在喷嘴出口20～30cm处形成一道雾墙306，充满整个烟道截面。烟气穿过雾墙时，烟气的温度降低，有利于烟气中NO向NO2的转化，同时烟气与水雾接触，烟气中的NO2溶解于雾滴中，实现了烟气中NO2的初步脱除，且当NO2浓度降低时，也有利于烟气中NO向NO2的转化。
NOx吸收处理模块4中微生物溶液流量计402和微生物溶液泵401用来监测和控制微生物溶液的流量；微生物溶液经喷淋头组403形成大液滴，在吸收室404中捕获吸收室内的酸雾滴，防止酸雾滴逃逸到大气中，同时再次吸收烟气中的NOx；吸收NOx后的微生物溶液经微生物溶液集液池405进入微生物培养池406；在搅拌器407的作用下培养池内微生物分布均匀，加快了和的降解；微生物溶液温度传感器408用来监测微生物溶液的温度，微生物检测仪409用来测量培养池内微生物浓度及营养液浓度，以保证反硝化细菌的高活性，能够高效率的反硝化处理和
为了使喷淋的大微生物溶液液滴能够捕获已经吸收NO2的酸雾滴，防止酸雾滴逃逸到大气中，同时进一步吸收烟气中的NO2。喷头朝向与烟气流动方向相反，喷淋形成的液滴粒径要大于等于1mm，喷淋的锥角等于45°。
喷淋的大液滴在捕获酸雾滴和吸收NO2的同时，液滴内的微生物会将反应生成和反硝化处理，生成N2。部分未被处理的和随溶液进入微生物培养池，进一步被反硝化细菌降解。
由于一般反硝化细菌的适宜生长温度为25～40℃，为了达到较高的反硝化速率，微生物培养池的温度控制在25～40℃。
本实施例的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的方法包括以下步骤：
(1)控制单元8接收到燃机的启动信号，首先开启烟气冷却模块3，然后开启NOx吸收处理模块4。
(2)冷却水经喷嘴雾化后在烟道内形成雾墙，烟气穿过雾墙时，烟气的热量传给水雾，同时烟气中的NOx被初步吸收。
(3)部分冷却水落到冷却水集液池307，当冷却水集液池307出口水温高于微生物适宜生长的温度时，向混合器310中注入冷却水，再将含有和的混合液排入微生物培养池。
(4)另一部分冷却水以酸雾的形式在烟气的携带下进入吸收室404，被喷淋的微生物溶液液滴捕获，同时烟气中的NOx也进一步被微生物溶液吸收。
(5)喷淋的大液滴在捕获酸雾滴和吸收烟气中的NOx后，液滴内的微生物会将反应生成的和反硝化处理，生成N2。
(6)监测燃机余热锅炉出口烟气中NOx浓度，达到国家排放标准后，先关闭NOx吸收处理模块4，再关闭烟气冷却模块3。
(7)含有和的微生物溶液被收集排入微生物培养池406，在反硝化细菌的长时间处理下降解为N2。
(8)长时间处理后，检测微生物培养池中浓度，当浓度低于设计值时，开启微生物膜分离器301，得到冷却水，储存在储水罐302中，以备下次起机使用。

Claims (10)

1.一种消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，包括烟气冷却模块、NOx吸收处理模块和控制单元，其特征在于，所述烟气冷却模块包括：
冷却水雾化单元，安装在燃机余热锅炉的排气出口烟道中；
储水罐，通过冷却水泵向冷却水雾化单元供给冷却水；
冷却水集液池，布置在排气出口烟道中位于所述冷却水雾化单元的下方用于收集冷却水；
所述NOx吸收处理模块包括：
微生物溶液喷淋单元，安装在燃机烟囱内；
吸收室，位于所述微生物溶液喷淋单元下方，用于对经过所述冷却水雾化单元的烟气中酸雾滴和NOx的吸收和初步处理；
微生物溶液集液池，位于所述吸收室下方收集微生物溶液；
微生物培养池，储存和进一步处理来自微生物溶液集液池的微生物溶液并通过微生物溶液泵向所述微生物溶液喷淋单元供给微生物溶液。
2.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述烟气冷却模块还包括：
微生物膜分离器，与所述微生物培养池连接，进行微生物和溶液的分离，向所述储水罐提供冷却水。
3.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述烟气冷却模块还包括：
混合器，混合来自所述冷却水集液池和储水罐的冷却水至适合温度后输送至所述微生物培养池。
4.如权利要求3所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述冷却水集液池的出液管中设有冷却水温度传感器用于控制混合器中引入的储水罐的水量。
5.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置还包括布置在燃机余热锅炉的排气出口烟道中且位于冷却水雾化单元之前的NOx浓度测量仪表，所述NOx浓度测量仪表控制冷却水泵以及微生物溶液泵停止工作。
6.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述冷却水雾化单元的喷嘴为阵列布置，所述喷嘴的雾化锥角大于等于75°，雾化粒径小于等于20μm。
7.如权利要求6所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述冷却水雾化单元在离所述喷嘴出口20～30cm处形成一道雾墙，所述雾墙充满整个烟道截面。
8.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述微生物溶液喷淋单元的喷淋头组为阵列布置，喷淋形成的液滴粒径大于等于1mm，喷淋的锥角小于等于45°。
9.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述冷却水雾化单元的喷头朝向烟气流动方向。
10.如权利要求1所述的消除燃机启动初期烟囱冒黄烟的装置，其特征在于，所述微生物溶液喷淋单元的喷淋朝向与烟气流动方向相反。
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