江苏省燃气电厂环保现状及政策趋势

江苏省燃气电厂环保现状及政策趋势
徐国群
【摘要】介绍了江苏省燃气电厂污染物排放现状和环保设施运行现状;并对燃气轮机主要污染物——氮氧化物的影响因素进行了分析,总结了现有燃气轮机降氮空间受限的原因.本文对比了两种常用的降氮技术,并对三种环保条件下的降氮技术路线提出了方案建议;之后基于国内环保政策和国外减排技术现状,对江苏省燃气发电的环保政策走向进行了分析和预测;最后本文结合省内典型案例,分析了进一步降低氮氧化物排放的前景和存在困难,并对相关部门制定政策提供了意见和建议.
【期刊名称】《燃气轮机技术》
【年(卷),期】2017(030)004
【总页数】7页(P9-15)
【关键词】燃气电厂;氮氧化物;排放现状;减排技术;环保标准
【作者】徐国群
【作者单位】江苏省国信资产管理集团有限公司,南京 210015
【正文语种】中文
【中图分类】TK473
近年来，随着我国雾霾等恶劣天气的频发，火力发电等重点行业的污染物排放状况受到了更多关注。

为此，自2015年以来，我国燃煤电厂逐步开始实施超低排放改造，改造后其主要污染物(烟尘、SO2和NOx)可达到国家对燃气机组的排放限值
要求，部分电厂氮氧化物排放浓度已达到25 mg/m3水平[1]。

众所周知，由于燃料特性的不同，燃气发电相比燃煤发电更为清洁高效，但随着燃煤电厂实施超低排放改造，燃气电厂的环保优势受到挑战。

特别是近年来气电装机容量的迅速扩充，加之燃气电厂主要位于经济发达、环境敏感区域，所以其环保问题已日益凸显。

江苏省作为沿海经济发达地区，燃气发电装机容量已接近1 000万kW，预计2020年将达到2 000万kW。

同时，江苏省10万kW以上燃煤机组将全部完成
超低排放改造，排放水平将达到燃气电厂环保排放标准要求，省内燃气电厂环保优势已受到挑战。

随着江苏省气电装机容量的扩充，燃气发电的污染物排放情况将受到足够重视，燃气电厂应积极开展降氮潜力评估工作，为迎接更高的环保标准做好技术储备。

1 江苏省燃气电厂的环保现状
截至2016年底，我国燃气发电机组总装机容量已达7 860万kW。

作为沿海经济发达地区的江苏，近几年燃气装机容量增长迅速[2]，如图1所示。

图1 江苏省气电装机规模变化情况
随着江苏省燃气发电装机容量的递增，其污染物排放现状已不容忽视。

通过对江苏省13座在役燃气轮机电厂和8座在建燃气轮机项目进行了环保现状调研，其主要污染物排放水平汇总如表1所示。

目前，江苏省燃气机组污染物排放水平均能达到《火电厂大气污染物排放标准GB 13223-2011》(以下简称“国家标准”)，其中需要关注的主要污染物为氮氧化物。

如表1所示，在未安装任何脱硫除尘环保设施的情况下，SO2和粉尘实际排放水
平均远低于国家标准规定的排放限值，也远优于超低排放燃煤机组的排放水平；此外，燃气电厂运行过程中除生活废水外基本无生产废水外排，其噪声通过防噪墙等降噪措施处理后也能达到国家环保标准要求；氮氧化物为燃气电厂的主要污染物，但排放水平也能达到国家标准规定的排放限值。

表1 江苏省燃气电厂环保现状汇总天然气气源NOx/(mg·m-3)SO2/(mg·m-3)粉
尘/(mg·m-3)废水排放噪声是否加装脱硝装置是否加装脱硫装置西气、
LNG<50<5<3基本无满足要求2座已加装否
在役机组氮氧化物排放水平分布情况存在差异。

为了便于研究和预测地区排放限值，图2分析了江苏省在役13座电厂近30台燃气轮发电机组最近一年的最高氮氧化
物小时排放均值。

机组的排放数据为小时均值，当一年内排放最高的20个数据的平均值介于50～40 mg/m3，则将该机组化归为“50-40档”；当该平均值介于40～30 mg/m3，则将该机组化归为“40-30档”；当该平均值介于30～20
mg/m3，则将该机组化归为“30-20档”。

如图2所示，54%的机组NOx最高
浓度平均数值在30 mg/m3以上。

图2 在役机组氮氧化物最高浓度均值的分布情况
NOx排放水平分档规律因机组参数不同而不同。

由于燃气轮机透平前温决定氮氧
化物生成速率， F级机组透平前温高于E级机组，因此F级机组的氮氧化物排放
浓度一般会高于E级机组。

目前，江苏省燃气机组氮氧化物浓度分档情况如图3
所示，在低浓度档位，E级机组占比更大，F级机组占比更小。

图3 不同排放水平下E级与F级机组的数量占比情况
SCR预留和加装情况存在差异。

目前，江苏省在役机组只有2座电厂加装有SCR
脱硝系统。

如图4所示，大部分在役机组未预留SCR安装位置；而所有在建机组
全部预留了SCR安装位置(其中1座电厂已安装SCR)，但部分机组预留空间偏小。

图4 在役和在建机组预留SCR的数量占比情况
从装机容量角度考虑，江苏省在役机组中约有598万kW未预留SCR脱硝位置，约占总装机容量的60%。

因此，在研究脱硝技术路线时，大部分在役机组由于无
法加装SCR，能采用的脱硝技术明显有别于在建机组。

同时，燃气电厂环保装置存在较大优化空间。

江苏省燃气轮机电厂燃烧器均采用低
氮燃烧器，由于燃气轮机燃烧特性，电厂在启动阶段有短时间NOx超标情况，部分电厂启动阶段有黄烟现象[3]。

调研的燃气电厂环保装置还存在以下问题：已加装脱硝系统的电厂SCR运行效率偏低，一般在50%左右，还有较大提升空间；对NOx的检测手段有待完善(未测量NO2)；大部分CEMS检测原理为红外法，检测量程偏大等。

2 燃气轮机氮氧化物排放的影响因素分析
目前，国内外燃气轮机氮氧化物减排技术多样，有燃烧室注水/注蒸汽技术、干式低氮燃烧技术、催化燃烧技术等[4]，目前主流技术为干式低氮燃烧技术。

根据对江苏省燃气电厂调研，低氮燃烧技术受到生产厂家、燃气轮机控制方式以及外界温湿度变化等因素影响，因此本文将从这三个方面加以分析。

2.1 不同主机厂家的排放差异
为了比较江苏省现有燃气机组本体在正常负荷下的氮氧化物减排能力，本文对三大主机厂家透平出口NOx排放水平进行了比较。

如表2所示，除三菱E级机组样本少未计入外(数据不具代表性)，江苏省其它所有在役机组均已统计其中。

表2排放水平为本文图2表述的每台机组最高浓度平均值之和与机组数量的比值。

表2 江苏省不同厂家燃气机组的氮氧化物排放水平mg/m3F级E级西门子GE三菱西门子GE43．341．34024．223
注：表中数据为按照机组数量计算的平均值，不排除有排放较高的特殊样本。

F级总装机容量约为600万kW，E级总装机容量约为400万kW。

从表2可知，对于F级和E级机组，正常负荷条件下不同主机厂家的氮氧化物排放水平差异不大，其中西门子机组由于采用环型或筒型燃烧室，有别于其它厂家的环筒型燃烧室，实现正常负荷下的低氮排放难度更大。

目前，江苏省燃气电厂由于排放达标，均未对燃气轮机本体进行升级或改造，省内现有燃气轮机的低氮燃烧技术差异不大。

2.2 燃气轮机的控制方式变化
目前，燃气轮机本体降氮受到多重因素约束，较难在平衡其它重要运行参数后实现更低的氮氧化物排放水平。

以江苏省某9F级机组启动阶段的燃料控制为例。

如表3所示，在启动阶段初期，机组需要增加值班燃料阀(扩散燃烧方式)开度确保燃烧稳定，此时值班燃料阀开度是正常运行阶段的1.29倍。

在正常负荷下，为确保燃烧温度不致过高而导致氮氧
化物排放超标，值班燃料阀开度减小，同时预混燃料阀开度达到开机阶段的2.2倍。

表3 某9F级燃气机组启机阶段的燃料与排放参数变化时间燃机功率/MW值班燃
料阀开度/%燃料预混阀开度/%烟囱烟气氮氧化物浓度/(mg·m-3)时间点10．2551．3015．7041．59时间点2241．3039．8835．1032．77
燃气轮机的排放也受到机组安全性的影响。

某9F级机组在正常负荷阶段，通过减少燃料量降低了机组出力和效率，同时减少了氮氧化物排放浓度，但机组振动加速度(ACC值)明显升高，机组安全性受到一定影响。

表4 某9F级燃气机组在正常运行阶段的氮氧化物排放水平负荷/MW值班气流量
/(kg·s-1)ACC值/gNOx排放值/(mg·m-
3)370．70．670．7834．3288．80．590．9124．9
因此，燃气轮机的燃烧控制需平衡出力、安全、排放等多方面因素，通过控制燃烧降低氮氧化物同时会受到其他因素的制约，较难实现全负荷低氮排放。

2.3 大气温湿度的变化
理论分析，大气温度、湿度的变化，将会影响机组的燃烧温度，进而影响氮氧化物的排放。

通常情况下，环境湿度升高时，NOx排放会降低[5]。

江苏省实际调研情况，如下图5至图7所示。

图5 江苏A电厂机组NOx浓度随环境相对湿度、环境温度分布图
图6 江苏B电厂机组NOx浓度随环境相对湿度、环境温度分布图
图7 江苏C电厂机组NOx浓度随环境相对湿度、环境温度分布图
图中A、B、C电厂机组分别为西门子、GE和三菱机组，图中统计的是一年排放数据。

由图5、图6、图7可知，尽管三台机组氮氧化物排放受环境湿度的影响存在差异，但趋势一致，大气湿度越大，氮氧化物排放浓度有降低的趋势。

大气温度对氮氧化物排放影响趋势存在差异，A电厂环境温度升高，氮氧化物浓度有升高的趋势；B电厂氮氧化物浓度升高趋势不明显；C电厂氮氧化物浓度先升高再降低。

目前由于外界环境较难控制，燃气轮机基本为被动应对，同时通过大气湿度来降低氮氧化物浓度的空间有限(5～10 mg/m3)，因此建议作为辅助降氮手段应用。

综上所述，通过对氮氧化物排放的影响因素分析，省内现有本体燃烧技术的降氮能力差异不大，但较难实现全负荷低氮排放，并受到自身出力、安全性等因素约束以及受到外界温度、湿度变化影响，降氮空间有限。

随着未来几年江苏省环保标准的提高，燃气电厂还应考虑加入其它降氮措施。

3 降氮技术路线的研究
国内现有降氮技术路线主要为加装SCR和燃气轮机本体改造[6]，两项技术部分关键参数对比如表5。

加装SCR影响机组的效率；在烟气温度达到反应要求条件下即可实现脱硝；同时存在脱硝效率较难达到设计值、燃气电厂用脱硝催化剂尚未国产化等问题。

燃烧器升级改造较难实现全负荷低氮排放。

表5 应用于9F级机组的降氮技术比较不同改造方式初投资成本可降氮空间(mg/m3)技术国产化程度国内应用案例加装SCR1500～2000万50降至25；30降至15国产化程度高，技术成熟应用案例较多，广泛分布于北京、江苏、重庆等地燃烧器升级改造主机厂家A：2000万主机厂家B：8000万主机厂家C：亿元级主机厂家A：50降至30主机厂家B：50降低至20主机厂家C：50降低至20技术掌握在国外主机厂商手中国内应用案例较少
由表5可知，加装SCR脱硝系统的技术可靠，性价比更高，但仍需要解决脱硝效
率偏低和国产催化剂等问题。

因此，针对江苏省燃气电厂降氮技术路线开展研究，还应结合燃气电厂环保设施现状，并考虑机组的排放差异。

根据调研，在不同排放水平下，江苏省燃气机组预留SCR的情况如图8所示。

图8 在不同排放情况下在役机组预留SCR的数量占比情况
假设江苏省在役燃气电厂需要将氮氧化物排放浓度降低至30 mg/m3以下，则57%的50-40档燃气机组无法选择SCR脱硝，86%的40-30档燃气机组无法选择SCR脱硝。

因此，江苏省燃气电厂需要根据实际情况采用合适的降氮技术手段。

结合江苏省调研情况及现有脱硝技术现状，对脱硝技术路线提出以下几点建议：(1)针对未预留SCR安装位置的燃气电厂，建议可在锅炉侧加装直喷氨脱硝系统或在燃气轮机侧升级低氮燃烧器。

(2)针对预留空间不足的燃气电厂，建议在锅炉侧优化烟气流场的基础上加装SCR
脱硝系统，确保脱硝效率达到50%以上，同时在燃气轮机侧通过燃烧调整提高排
气中污染物浓度均匀性；在燃气轮机电厂投产较早、低氮燃烧器等级较低的情况下，可考虑升级低氮燃烧器。

(3)针对预留空间充足的燃气电厂，建议综合考虑SCR脱硝和燃气轮机改造的技术潜力和经济成本来选择降氮措施。

从目前技术和经济指标分析，加装SCR脱硝系
统初投资低，运行后可满足更严的地方标准要求，可优先考虑。

4 燃气电厂环保趋势分析
为规范燃气轮机发电机组污染物排放水平，2011年我国发布了《火电厂大气污染物排放标准GB 13223-2011》(以下简称“国家标准”)；随后部分经济发达地区
也相继发布地方标准或出台政策要求：2011年年底北京发布《固定式燃气轮机大气污染物排放标准DB 11847-2011》；2017年深圳市人民政府发布一号文《深
圳市大气环境质量提升计划(2017—2020年)》，进一步降低燃气轮机发电机组氮氧化物排放限值，具体情况如表6所示。

目前，欧美发达国家早已对燃气发电的污染物排放水平实施严格控制，以美国为例，通过低氮燃烧+SCR脱硝技术(与国内主流技术相同)，燃气轮机出口可达到30
mg/m3排放水平，SCR脱硝效率高至80%，最终实现氮氧化物(2×10-6～
5×10-6的排放水平，这说明燃气电厂进一步降低氮氧化物的技术可行性。

表6 国家和部分地区燃气轮机发电机组污染物排放限值mg·m-3不同要求NOxSO2粉尘国家标准50355北京标准30205深圳要求1)252)，153)355
注：1)2020年底前实现；2)针对现有E级机组；3)针对现有F级机组
同时，作为沿海经济发达地区的江苏环境容量小，公众对环境污染十分关注。

因此，随着装机容量的日益递增，江苏省燃气发电行业的环保减排工作将受到足够重视，地区性污染物排放标准将进一步提高。

假设将氮氧化物排放浓度统一定为30 mg/m3，根据本文图2，则有54%的燃气
机组需要采取进一步降氮措施；根据本文图3，假设制定统一标准，则需要加装降氮设施的主要为F级机组；根据图8，机组SCR预留情况存在差异，应区别对待。

基于以上分析，本文作者对未来江苏省燃气电厂氮氧化物排放限值预测如下：
表7 江苏省燃气电厂氮氧化物排放限值预测mg·m-3F级机组(预留SCR)F级机组(未预留SCR)E级机组(预留SCR)E级机组(未预留SCR)50降至2550降至3550
降至1550降至20
5 江苏省典型案例分析
江苏省内燃气电厂数量众多，氮氧化物排放水平和环保装置运行现状差异较大。

由于江苏省西门子SGT5-4000F机组较多，因此，选取江苏国信协联燃气轮机电厂(简称“协联电厂”)作为典型案例加以分析。

5.1 环保设施现状与环保排放水平
协联电厂采用西门子SGT5-4000F(4+)型燃气轮机，采用环形燃烧室。

根据以往
项目经验，西门子9F级机组NOx排放浓度偏高、浓度场不均匀，属于该级别中
NOx控制难度较大的机组。

如图9，该机组氮氧化物排放水平处在50-40档。

图9 国信协联燃气电厂1#机组氮氧化物排放现状
同时，协联电厂余热锅炉采用立式布置，锅炉内预留有SCR脱硝空间，预留距离约5.65 m，预留空间较为理想。

5.2 降氮目标和潜力分析
依据本文表7对江苏省燃气机组排放限值的预测，协联电厂氮氧化物浓度需降至25 mg/m3以下。

根据本文表5，该电厂降氮技术有两种选择：SCR脱硝技术和燃烧器升级改造。

与燃烧器升级改造相比，在脱硝效率能够保障的条件下(50%～60%)，SCR脱硝后的排放水平不仅能满足未来排放限值，而且指标更优。

经测算，改造后每台机组每年将减排氮氧化物200 t左右，环境效益明显。

同时，由于SCR脱硝技术成熟，国内应用案例较多，因此本文推荐选择SCR脱硝技术。

5.3 项目前景与困难分析
进一步降低燃气电厂氮氧化物排放，将不仅提升江苏省大气环境质量，同时也可解决电力环保产业的关键技术问题，例如解决高NOx排放浓度、高浓度场和温度场分布不均匀的NOx排放控制问题，突破SCR系统脱硝效率低、氨逃逸率高的技术难题，提升国内燃气轮机电厂脱硝催化剂国产化水平等。

为降低燃气轮机电厂氮氧化物超低排放的实施成本，对需要SCR改造的同类型机组提供借鉴和参考，建议选择1～2台已具条件的机组进行工程示范。

目前，江苏省燃气电厂普遍处在保本微利状态，为响应国家和地方逐步加严的环保标准，对环保设施实施升级改造势必在一定程度上加重电厂经营压力。

同时每年还需考虑一定运行成本。

因此，为促进江苏省燃气发电的高效和清洁发展，建议相关部门对前期实施脱硝示范的燃气电厂提供一定政策扶持和经济补贴，同时在新标准出台后对燃气电厂提供连贯的政策支持，以缓解电厂经济效益与环境效益的突出矛
盾。

6 结论与建议
6.1 结论
(1) 与已实现“超低排放”的燃煤电厂相比，江苏省燃气电厂在二氧化硫和粉尘排放方面仍具有明显的环保优势，但氮氧化物排放优势已受到省内超低排放燃煤机组的挑战。

(2) 三家主机厂商的低氮燃烧技术差异不大，但由于需平衡出力、安全、效率等多方面因素，同时受到大气温度、湿度影响，江苏省现有燃气轮机低氮燃烧技术降氮潜力有限。

(3) 相比燃气轮机燃烧器升级改造，燃气电厂加装SCR脱硝系统的案例更多，性能更可靠，性价比更高。

(4) 燃气电厂需考虑现有机组环保排放水平及环保设施运行现状，综合分析现有脱硝手段的技术和经济可行性，选择更合适的降氮技术路线。

(5) 江苏省燃气电厂氮氧化物排放标准加严是大势所趋，同时省内燃气电厂还应关注机组启停阶段的黄烟问题及全负荷氮氧化物减排问题，做好降氮技术储备。

6.2 建议
在燃气轮机进一步降低氮氧化物排放的大趋势下，本文提出以下建议：
(1) 我省燃气电厂应密切跟踪国家及地方环保政策的变化趋势，提前做好相关技术准备。

(2) 在新标准出台前，建议新建电厂应提前预留SCR脱硝系统的合理安装位置。

(3) 燃气轮机行业内相关科研机构、主机厂商等单位应加强产学研力度，进一步优化SCR脱硝技术，提高脱硝效率，降低初投资成本，特别是加快国产催化剂研发进度，促进产业化应用。

(4) 建议各级环保部门应合理借鉴国外燃气电厂NOx排放标准和先进管理经验，
充分调研国内燃气电厂环保现状，合理调整新的环保标准。

(5) 江苏省应对排放水平优于国家标准的燃气电厂给予一定的电价补贴或利用小时奖励，以调动燃气电厂减排积极性。

参考文献：
[1] 王临清,朱法华,赵秀勇. 燃煤电厂超低排放的减排潜力及其PM2.5环境效益[J].中国电力,2014,11:150-154.
[2] 江苏省能源局煤炭电力处.江苏天然气发电科学发展调研报告[Z].2017.
[3] 王卫群,华伟,孙虹. 燃气轮机烟囱冒“黄烟”原因分析及解决对策[J]. 电力科技与环保,2016,32(01):33-35.
[4] 赵伟,孙少华,刘路遥,等. 燃气电厂氮氧化物排放控制技术对比分析[J]. 电力科技与环保,2015,31(01):25-27.
[5] 盛守志,姚继宇,赵智辉.西门子V94.2A型燃气轮机NOx排放分析[J]. 无线互联科技,2015,17:86- 88.
[6] 王五清,王旭,贺元启. 燃气电厂脱硝技术方案的选择与分析[J]. 华北电力技术,2013,(04):38- 41,50.。