內(nèi)燃式油田伴生氣發(fā)電機組三效催化轉化脫硝系統(tǒng)的試驗研究

康見見，何封足

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130000)

1 引言

油田伴生氣別名油田氣，又叫做瓦斯，是在石油的開采過程中從油井逸出的一種天然氣。其主要成分為77%的甲烷，其余為乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等低分子烷烴，是一種易燃易爆且有毒的氣體。以往國內(nèi)的環(huán)境保護政策寬松，油田伴生氣大多直接燃燒排放，大量能源被浪費，同時排出大量的未經(jīng)過處理的有害氣體污染空氣。近年來，利用油田伴生氣作為內(nèi)燃機發(fā)電機組的燃料進行能量回收，運用內(nèi)燃機排放與控制技術凈化尾氣逐漸成為石油伴生氣發(fā)電領域的熱點[1]。

內(nèi)燃式發(fā)電機組可有效利用油田伴生氣，減少主電站的燃料消耗，是一種行之有效的節(jié)能減排措施[2]。但伴生氣發(fā)電機組尾氣中含有大量的NOx，須對尾氣進行脫硝處理。解決稀薄燃燒的天然氣發(fā)動機在富氧的環(huán)境下NOx排放難以控制的問題，是實現(xiàn)稀薄燃燒天然氣發(fā)動機發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的關鍵。

近年來，稀薄燃燒催化器的研發(fā)工作已經(jīng)有了相當?shù)倪M展,但離大規(guī)模應用依然有不小的差距[3]。在一般的稀薄燃燒條件下，三效催化器轉化器對NOx的轉化效率急劇降低，由于伴生氣發(fā)電機組排放中O2含量很高，目前沒有材料能吸附這么多的O2，但結合油田項目現(xiàn)場有足夠的燃氣和H2來源，可以作為還原劑來還原NOx?？紤]到H2的安全性問題，故考慮使用燃氣噴射方案。

2 實驗裝置和實驗方法

2.1 實驗裝置

實驗發(fā)電機組類型為兩臺功率500kW，帶余熱能回收裝置的天然氣發(fā)電機。按照“旁通式后處理”架構對主排氣管路進行改造、安裝(圖1)。在后處理入口、旁通管路入口處需分別設置耐高溫(800°C)通斷閥(蝶閥、格柵閥)。

圖1 旁通式后處理系統(tǒng)安裝示意

實驗系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 實驗系統(tǒng)的主要技術參數(shù)

2.2 實驗方法

三效催化轉化器(TWC)測試分兩次進行，第一次，在不噴射HC條件下測試發(fā)電機組自身的波動狀態(tài)，第二次，在噴射HC條件下，進行對比測試。利用NOx傳感器記錄NOx排放值，持續(xù)時間5～10 min。同時記錄HC噴射控制系統(tǒng)中檢測的TWC前后NOx的數(shù)據(jù)。

3 實驗結果與分析

3.1 HC噴射系統(tǒng)對NOx轉化效率的影響

圖2所示為未噴射HC時，由發(fā)動機自身運行狀態(tài)波動，尾氣經(jīng)過三效催化轉換器的NOx濃度變化。分析可知，未噴射HC時，過量空氣系數(shù)超過1.2,尾氣中的NOx濃度幾乎未發(fā)生變化。這是因為未噴射HC，過量空氣系數(shù)遠大于1，三效催化器對NOx沒有起催化轉化作用。

圖2 噴射HC前過量空氣系數(shù)-NOx濃度

圖3所示為催化劑運行溫度處于450～550 ℃區(qū)間噴射HC后，三效催化轉換器對尾氣NOx轉化效率的影響。分析可知，當過量空氣系數(shù)接近1時，其尾氣中的NOx轉化效率最高達到了95.4%；當過量空氣系數(shù)小于1時，隨著噴射HC噴射量的增加，混合氣總體過量空氣系數(shù)減小，其尾氣中的NOx轉化效率逐漸衰減至65%左右；當過量空氣系數(shù)大于1時，隨著混合氣總體過量空氣系數(shù)增大，其尾氣中的NOx轉化效率急劇下降，過量空氣系數(shù)超過1.1時,NOx轉化效接近于0。通過對比尾氣處理系統(tǒng)噴射HC前后NOx的濃度變化可知，適當噴射HC至尾氣處理系統(tǒng)調(diào)整混合氣總體過量空氣系數(shù)到目標值1附近可有效催化NOx進行轉化，達到凈化尾氣的目的[4，5]。

圖3 噴射HC后過量空氣系數(shù)-NOx轉化效率

4 結論

實驗結果表明：

(1)當催化劑運行溫度處于450～550 ℃，噴射HC燃料將尾氣過量空氣系數(shù)控制1附近時，可以有效降低經(jīng)過三效催化器后的NOx含量，NOx轉化效率可達到95%。

(2)向三效催化器前端噴射HC以調(diào)整過量空氣系數(shù)達到減排的措施,在稀薄燃燒的三效催化器方面仍未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用,對后續(xù)石油伴生氣發(fā)電機組的減排應用具有重要的經(jīng)濟和實用價值。