分布式能源燃氣內燃機發(fā)電機組氮氧化物排放研究

阮慧鋒 劉心喜 賈小偉

摘 ?要：以燃氣內燃機為原動機的小型分布式能源系統(tǒng)，以高效、節(jié)能及部分負荷特性在國內得到了越來越多的應用。為了解其啟停機過程中煙氣NOX排放狀況，文章對300kW級燃氣內燃機啟停過程的排放性能進行了測試。以期為后續(xù)NOX排放的控制和脫除提供參考。

關鍵詞：分布式能源;燃氣內燃機;NOX排放

中圖分類號：X773 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）19-0072-03

Abstract： The small distributed energy system with gas internal combustion engine as prime mover has been more and more applied in China because of its high efficiency， energy saving and partial load characteristics. In order to understand the NOx emission status of flue gas during the start-up and shutdown process， the emission performance of 300kW-class gas internal combustion engine during start-up and shutdown was tested in this paper. It is expected to provide a reference for the subsequent control and removal of NOx emissions.

Keywords： distributed energy; gas-fired internal combustion engine; NOx emission

前言

分布式能源系統(tǒng)是指分布在用戶端的小型綜合能源供應系統(tǒng)，通過模塊化布置的方式，集供電、供熱和供冷為一體，就近滿足用戶端冷、熱、電的需求，實現能源的梯級利用[1]。

樓宇式分布式能源系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的主要形式之一，其原動機主要采用燃氣內燃機。燃氣內燃機具有能源轉換效率高、發(fā)電負載波動適應性強及操作方便維護簡單等特點。但由于燃氣內燃機燃燒采用活塞壓燃方式，機組本身不能實現低氮燃燒，導致排煙中NOX濃度較高，遠超大氣污染物排放要求。在大氣污染物日益嚴峻的形勢下，國家和地方也出臺了相關內燃機發(fā)電機組NOX排放的要求，燃氣內燃機發(fā)電機組的NOX排放狀況成為了燃氣分布式領域的重點關注內容。為了解燃氣內燃機發(fā)電機組的NOX排放狀況，本文對燃氣內燃機在啟停機過程中和不同發(fā)電功率下的煙氣污染物進行了測量，掌握其污染物排放及其變化趨勢，為后續(xù)NOX排放的控制及脫除提供分析參考。

1 實驗對象及測量方法

1.1 實驗對象

本次實驗對象為日本三菱的315kW的燃氣內燃機，型號為SGPM315，具體參數見表1。

1.2 測量方法

本次實驗的煙氣污染物濃度測量采用HORIBA便攜式氣體分析儀PG-350進行實時測量，測量參數包括煙氣含氧量、NOX濃度、CO濃度及CO2濃度。燃氣內燃機的相關運行參數，如排氣溫度、排氣流量及發(fā)電功率等從DCS中直接獲取。

2 NOX的生成機理

燃氣內燃機排放煙氣中的NOX主要是NO和NO2，大部分是NO，是N2和O2在高溫燃燒下產生的[2]。

NO的生成主要與溫度有關，大部分NO在離開火焰帶的已燃氣中發(fā)生，少部分在火焰帶中產生。NO2基本認為是由NO在火焰區(qū)迅速轉變而成，反應如下：

NO2又通過以下反應轉變成NO：

天然氣內燃機分布式供能系統(tǒng)的主要污染環(huán)節(jié)來自燃氣內燃機對天然氣的燃燒，天然氣和空氣的混合氣被注入氣缸內，由火花塞點燃，高溫煙氣膨脹后推動活塞做功，產生電能。由于缸內壓力較高，特別是在燃燒后的定容準穩(wěn)態(tài)過程，由于燃燒放熱造成缸內壓力迅速增加，使得燃燒的絕熱火焰溫度大幅上升。高溫、高壓的燃燒環(huán)境使得O2分子活化產生更多的O自由基，加速了O+N2-NO+N這一NO生成反應，從而使助燃空氣中的N2向NO的轉換。

3 結果與分析

3.1 結果

測試前對燃氣內燃機使用的天然氣成分進行了檢測，各成分含量見表2。

燃氣內燃機啟機升負荷階段大約持續(xù)30分鐘，停機降負荷階段大約持續(xù)了25分鐘，過程中對其排煙溫度、排氣流量、煙氣中的含氧量及污染物中NOX、CO、CO2的含量進行了測量記錄，升負荷階段測試結果見表3，降負荷階段測試結果見表4。

3.2 分析

從測試結果可以看出，在啟機過程中隨著燃氣內燃機負荷的增加，煙氣中NOX的濃度迅速升高，特別是在高負荷階段，NOX的濃度上升速度較快;煙氣中的含氧量也隨負荷的增加穩(wěn)步上升，但在高負荷階段煙氣中含氧量上升趨勢不明顯。同時，啟機過程中排煙溫度隨著負荷的增加而增加，但在高負荷階段排煙溫度變化不明顯;在升負荷過程中內燃機負荷的增加，耗氣量及空氣進氣量的增加，導致排氣流量穩(wěn)步上升。啟機升負荷過程含氧量和NOX的變化趨勢見圖1，排煙溫度和流量的變化趨勢見圖2。

停機降負荷過程中，煙氣中NOX的濃度隨內燃機負荷的降低呈線性下降，煙氣中含氧量及排煙溫度隨內燃機減負荷過程略有下降，變化趨勢不明顯，煙氣流量隨內燃機負荷下降迅速減小。停機降負荷過程含氧量和NOX的變化趨勢見圖3，排煙溫度和流量的變化趨勢見圖4。

4 結束語

本文對日本三菱的300kW級燃氣內燃機在啟停機過程中NOX的排放進行了測量分析，對其參數的隨負荷變化的趨勢進行了分析。結果表明燃氣內燃機其NOX排放濃度隨負荷的變化而變化明顯，在滿負荷運行時，NOX排放濃度處于偏高的水平，由此可見，對于開展燃氣內燃機脫硝或煙氣污染物治理工作有迫切的需求。

參考文獻：

[1]王華.20kW天然氣內燃機熱電聯供系統(tǒng)實驗研究及經濟性分析[D].華北電力大學，2018.

[2]黃椹.固定式燃氣內燃機組環(huán)保性能及環(huán)境影響研究[D].南京信息工程大學，2016.