燃氣內(nèi)燃機污染物排放特性及全生命周期碳排放研究

國旭濤，韓高巖，劉 虎，孫五一，李金芳

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

現(xiàn)階段，由于日益嚴重的環(huán)境問題和能源消耗問題，分布式能源系統(tǒng)已成為目前能源發(fā)展的一大熱點[1]。天然氣作為清潔高效的低碳能源，可有效改善環(huán)境、減少碳排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，因此，國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于加快推進天然氣利用的意見》明確要求了大力發(fā)展天然氣分布式能源示范項目。

通過燃氣內(nèi)燃機組燃燒發(fā)電、余熱利用溴化鋰制冷機組等設(shè)備進行回收利用是能源實現(xiàn)梯級利用的方式之一[2-4]，也是目前數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等用戶的主要供能方式[5-6]。在燃氣內(nèi)燃機組運行過程中，主要產(chǎn)生的大氣污染物是NOX（氮氧化物），伴隨有少量SO2和CH4等氣體。而隨著我國從“十二五”開始NOX，NOX和SO2已成為內(nèi)燃機重要的大氣污染物控制指標，同時，CO 和CH4是表征內(nèi)燃機燃燒狀態(tài)的氣體成分。

為了改善內(nèi)燃機的大氣污染物排放情況，很多學(xué)者對內(nèi)燃機的大氣污染物控制措施進行了研究。方敬學(xué)[7]對內(nèi)燃機的CO2，NOX，SOX和碳氫化合物等大氣污染物的排放控制措施進行了深度分析。曹艷芳[8]對瓦斯電站燃氣內(nèi)燃機煙氣脫硝方案進行了技術(shù)對比。楚育純等人[9]研究了氨-丙烷雙燃料在往復(fù)式四沖程發(fā)動機中的排放產(chǎn)物，結(jié)果表明，丙烷作為助燃劑時的CO2排放與柴油、汽油相比更低，而且摻氨可以減少丙烷47%～55%的CO2排放，主要取決于摻氨的比例。王紀曄等人[10]比較了過量空氣、煙氣、水蒸氣3種稀釋劑對天然氣擴散燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)隨著稀釋劑吸熱功率的增加，NOX生成量減少。朱庚富等人[11]采用AERMOD 煙羽擴散模式模擬了燃氣內(nèi)燃機NOX等污染物排放對周邊建筑物不同樓層的影響，發(fā)現(xiàn)對近距離高于排氣筒高度一定范圍內(nèi)的樓層，NOX的排放影響較大。

以上學(xué)者的研究大多集中在內(nèi)燃機大氣污染物的控制與治理方面，未對燃氣內(nèi)燃機組的NOX，SO2的排放狀態(tài)和燃料氣的燃燒情況進行分析。因此，本文對不同負荷率、不同缸溫條件下的煙氣中NOX，SO2，CO 和CH4含量進行了測量分析，并討論了天然氣分布式冷電聯(lián)供、“煤+電”和光伏發(fā)電3 種不同供能方式下的全生命周期能耗與二氧化碳排放情況。

1 機組概況與試驗

1.1 機組概況

某能源站有1×4 275 kW 級燃氣內(nèi)燃機（以下簡稱“內(nèi)燃機”），配套1×4 505 kW 級煙氣熱水型雙效溴化鋰吸收式制冷機（以下簡稱“溴化鋰”），機組主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

使用日本Horiba 生產(chǎn)的PG-350 煙氣分析儀和德國MRU 生產(chǎn)的NOVA 煙氣分析儀分別測定內(nèi)燃機不同負荷（50%，75%和100%）、不同缸溫（288 ℃，285 ℃，283 ℃和279 ℃）下排放的NOX，SO2，CO，CO2，O2及HC（進入脫硝裝置前），并計算內(nèi)燃機的發(fā)電效率。試驗工況如表2 所示。

1.2 天然氣氣體組分分析

天然氣是一種復(fù)雜的混合物，主要包含CH4，C2H6等可燃氣體，還有極少量N2和CO2等不可燃氣體。天然氣氣質(zhì)分析結(jié)果如表3 所示。CH4是天然氣中主要的可燃成分，其辛烷值高、抗爆性能強，可使用較大的壓縮比來獲得較高的熱效率，但是火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?，燃燒速度慢，燃燒持續(xù)周期延長[12-13]。

表1 機組主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗工況

表3 天然氣氣質(zhì)分析結(jié)果

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同負荷率對污染物排放的影響

內(nèi)燃機所消耗空氣或燃料中的氮都是以無機物N2的形式存在，分子鍵能高，需要高溫工作環(huán)境才能使氮分子分解成氮原子[14]。根據(jù)Zeldovich提出的熱力型NOX生成機理，當溫度T>1 300 ℃時，熱力型NOX的反應(yīng)速率將隨溫度T 的升高而按指數(shù)規(guī)律增加。內(nèi)燃機缸內(nèi)最高火焰溫度可達1 500～1 800 ℃，主要產(chǎn)生的是熱力型NOX。經(jīng)過研究，瞬時性NOX對內(nèi)燃機整個NOX的生成過程貢獻不大[15]。因此，影響內(nèi)燃機NOX生成的3個主要因素是燃燒溫度、氧氣濃度和高溫富氧持續(xù)的時間[16]。內(nèi)燃機排放的NOX中NO 占主導(dǎo)地位，但受煙氣中O2影響，極易反應(yīng)生成NO2，因此采用NOX進行表征。

不同負荷率下內(nèi)燃機的NOX和SO2排放情況如圖1 所示，NOX和SO2排放量均已折算至5%氧量情況下。由圖1 看出，隨著負荷率從50%增加至100%，NOX排放量（含氧量5%） 下降63.85%，SO2排放量（含氧量5%）增加22.80%。當機組中高負荷時，雖然溫度和高溫富氧持續(xù)時間都隨負荷增加有所提高，但是氧濃度的下降限制了NOX的生成速率，從而導(dǎo)致NOX生成量降低。煙氣中SO2來源于燃料中H2S 組分，而經(jīng)過凈化處理，天然氣中所含H2S 含量極低。SO2排放量的變化可能是由于高溫富氧持續(xù)時間增加造成SO2生成率提高所致[17]。

圖1 負荷率對內(nèi)燃機排放的影響

2.2 不同負荷率對CO 和CH4 氣體的影響

對于內(nèi)燃機排放的CO 和CH4，CO 來自燃料的不完全燃燒，CH4來自燃料中未燃盡的CH4。因此，可以使用CO 和CH4排放量分析內(nèi)燃機內(nèi)燃料的燃燒情況。在混合均勻、氣相燃燒的點燃式內(nèi)燃機中，生成CH4的主要因素為：壁面火焰淬熄、冷啟動、暖機及怠速等工況下未燃CH4。由狹隙效應(yīng)造成的CH4等排放可占總量的50%～70%[18]。

綜上所述，我國的社會主義經(jīng)濟發(fā)展正處于極為關(guān)鍵的時刻，保證電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)不僅關(guān)系到國家的發(fā)展，更關(guān)系到我國社會居民日常生活中的各個方面。電力公司應(yīng)該根據(jù)不同的問題作出針對性的解決方案，采用不同的措施展開電力生產(chǎn)安全監(jiān)督和管理。要進一步加大對電力生產(chǎn)的監(jiān)督力度，嚴格執(zhí)行公司內(nèi)部制定的安全生產(chǎn)管理規(guī)范，做到賞罰分明，提高電力安全生產(chǎn)監(jiān)督管理工作的科學(xué)性、實用性和規(guī)范性。保障電力供應(yīng)，也是我國發(fā)展的重要保障之一，應(yīng)該受到電力公司以及國家的重視，而電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)過程監(jiān)督管理機制是整個電力事業(yè)發(fā)展的重中之重。只有足夠的重視這一機制，我國的電力事業(yè)才能夠得到長遠的發(fā)展。

由圖2 可以看出，不同負荷工況下內(nèi)燃機的CH4排放值比較低，僅有0.08%～0.90%，這是由天然氣燃料的特性所決定的。天然氣與空氣形成良好的混合氣，燃燒比較充分，不存在油膜吸附等問題，同時，天然氣分子量比較小，使得造成CH4排放的冷激效應(yīng)、狹隙效應(yīng)等發(fā)生的可能性降低。隨著內(nèi)燃機負荷從50%負荷率提高到100%負荷率，排放的CO 和CH4含量呈現(xiàn)下降趨勢，減少幅度分別為13.51%和89.34%。這是因為：中低負荷時，混合氣燃燒不完全導(dǎo)致部分CH4未參加燃燒直接排出氣缸，同時混合氣的不完全燃燒導(dǎo)致CO 生成率較高；隨著負荷的增大，內(nèi)燃機缸內(nèi)氣體燃燒趨于完全，致使CH4的含量和CO的生成率下降。并且，當控制缸溫不變且增大內(nèi)燃機負荷時，會進一步增加過量空氣系數(shù)以控制缸溫，這使得內(nèi)燃機缸內(nèi)混合氣中氧量增加，燃燒更充分、燃燒溫度更高。氧濃度的提高和燃燒溫度的增加都加強了排氣過程中的氧化作用，進而降低了CO 和CH4的含量。不同負荷率工況下內(nèi)燃機的CO 和CH4排放情況如圖2 所示（CO 和CH4排放量均已折算至5%氧量情況下）。不同負荷率下的O2含量情況如圖3 所示。

圖2 負荷率對CO 和CH4 的影響

圖3 不同負荷率工況下的O2 含量情況

2.3 不同缸溫對污染物排放和CO，CH4 氣體的影響

100%負荷率、不同缸溫工況下的內(nèi)燃機NOX及SO2污染物排放情況如圖4 所示，內(nèi)燃機CO，CH4以及O2排放含量分別如圖5（a）（b）所示，圖4 和圖5 中相關(guān)氣體排放量均已折算至5%氧量情況下。

圖4 不同缸溫對內(nèi)燃機排放的影響

圖5 不同缸溫對CO，CH4 和O2 的影響

由圖4 可看出，隨著缸溫從288 ℃降至279℃，NOX排放量整體上呈現(xiàn)下降趨勢，SO2排放量整體上呈現(xiàn)升高趨勢。缸溫降低使得內(nèi)燃機通過開大空氣門來增加過量空氣系數(shù)，以降低缸溫，這導(dǎo)致氧氣濃度一定程度上有所增加，但是高溫富氧持續(xù)時間和溫度的降低限制了NOX生成速率，從而導(dǎo)致NOX生成量減少。雖然高溫富氧持續(xù)時間有所減少，但是氧氣濃度提高，從而導(dǎo)致SO2排放量增加。

由圖5 可看出，隨著內(nèi)燃機缸溫由288 ℃降低至283 ℃，CO 和CH4排放量變化不大；但是當缸溫由283 ℃降低至279 ℃時，CO 和CH4排放量分別增加8.34%和28.05%。這說明，當100%負荷率工況時進一步降低內(nèi)燃機缸溫，雖然增加混合氣氧量加強了對CO 和CH4的氧化過程，但是冷激效應(yīng)、狹隙效應(yīng)等發(fā)生的可能性增大導(dǎo)致CO和CH4生成率提高，并且高溫富氧持續(xù)時間的減少一定程度上也加重了燃料不完全燃燒的情況，從而增大了CO 及CH4的排放量。

2.4 全生命周期節(jié)能和GHG（溫室氣體）減排分析

現(xiàn)行國家污染物排放標準中還沒有適用于燃氣內(nèi)燃機的大氣污染物排放標準，根據(jù)地方標準（北京）《固定式內(nèi)燃機大氣污染物排放標準》（DB11—1056—2013），內(nèi)燃機的大氣污染物排放標準如表4 所示。

表4 內(nèi)燃機大氣污染物最高允許排放濃度 mg/m3

不同工況下燃氣內(nèi)燃機的CO 排放濃度均滿足排放限值要求。當燃氣內(nèi)燃機處于部分負荷時，NOX排放濃度明顯高于排放限值，無法滿足現(xiàn)有標準要求。不同工況下內(nèi)燃機的大氣污染物排放濃度與限值的比較情況如表5 所示。

2.5 全生命周期節(jié)能和GHG 減排分析

以全生命周期分析方法對天然氣分布式冷電聯(lián)供、“煤+電”和光伏3 種供能方式進行能效和環(huán)境影響的比較。A，B，C 3 種供能方式設(shè)計情況如表6 所示。計算相關(guān)數(shù)據(jù)與假設(shè)如表7 所示。以Ding N 等人[20]對區(qū)分一次能源類型、溫室氣體類型的能耗和GHG 排放系數(shù)為參考，根據(jù)公式（1）—（2）計算A，B，C 3 種供能方式的節(jié)能和GHG 減排率。

表5 不同工況下大氣污染物排放濃度與限值比較

表6 分析供能方式設(shè)計

表7 供能方式研究的相關(guān)數(shù)據(jù)與假設(shè)

A，B，C 3 種不同供能方式的全生命周期節(jié)能和GHG 減排對比如圖6 所示。供能方式A 與傳統(tǒng)情景B 相比，節(jié)能率可達24%，GHG 減排率也達到了46%，說明采用天然氣冷電聯(lián)供方式在減排方式上有較大的優(yōu)勢。與光伏發(fā)電為主的供能方式C 相比，供能方式A 的節(jié)能率和GHG 減排率分別為供能方式C 的35.53%和2.19。這是因為光伏發(fā)電的全生命周期GHG 值受生產(chǎn)等環(huán)節(jié)影響，溫室氣體排放當量較高。

圖6 不同情境下的全生命周期節(jié)能和減排率對比

由以上試驗分析可以得出：

（1）提高內(nèi)燃機負荷率能有效降低缸內(nèi)NOX的產(chǎn)生；負荷率不變情況下，適當降低缸溫也可以降低缸內(nèi)NOX的產(chǎn)生，其主要利用增加空氣過量系數(shù)、減少高溫富氧燃燒時間以實現(xiàn)NOX排放量的減少。

（2）使缸內(nèi)的混合氣燃燒充分，天然氣和空氣均勻混合，精確控制空燃比都是能夠降低CO和CH4的有效措施。

（3）相比傳統(tǒng)燃煤供能方式，天然氣分布式冷電聯(lián)供可以實現(xiàn)節(jié)能和GHG 減排的目的；相比可再生能源光伏發(fā)電供能方式，天然氣分布式冷電聯(lián)供依然有較好的GHG 減排能力。

3 結(jié)語

對某能源站內(nèi)燃機不同負荷率、不同缸溫下的NOX，SO2，CO 和CH4等氣體的排放狀況進行檢測，并比較天然氣分布式冷電聯(lián)供、“煤+電”和光伏3 種供能方式的能效和環(huán)境影響。結(jié)果表明，機組負荷率與缸溫都對NOX，SO2，CO 和CH4等有較大的影響，當機組滿負荷時，降低機組缸溫可以有效降低NOX排放量，這有利于內(nèi)燃機組更好地開展煙氣脫硝治理工作，以便其達到我國煙氣NOX排放濃度控制標準。相比傳統(tǒng)燃煤供能方式，天然氣分布式冷電聯(lián)供的全生命周期節(jié)能效果和GHG 減排效果優(yōu)勢更大，節(jié)能率和GHG減排率分別為27%和46%。