摘　要：對微型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的排放特性(針對氮氧化物)進行分析，當使用場所對氮氧化物排放指標要求較嚴格時，后者需設置煙氣脫硝裝置。結(jié)合工程實例，對配置燃氣內(nèi)燃機組的分布式能源系統(tǒng)煙氣脫硝方案進行了探討。

關(guān)鍵詞：天然氣分布式能源系統(tǒng)；  煙氣脫硝；微型燃氣輪機；  燃氣內(nèi)燃機

Flue Gas Denitrification Scheme for Natural Gas Distributed Energy System

Abstract：The emission characteristics of nitrogen oxides from micro gas turbine generator unit and gas engine generator unit are analyzed．The gas engine generator unit needs to install the flue gas denitrification device when the Lise place has stricter requirements for nitrogen oxide emission．The flue gas denitrification scheme for distributed energy system equipped with gas engine generator unit is discussed combined with an engineering example．

Keywords：natural gas distributed energy system；flue gas denitrification；micro gas turbine；gas engine

我國大氣環(huán)境保護形勢嚴峻，以可吸入顆粒物(PMIO)、細顆粒物(PM2.5)為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出，損害人民群眾身體健康。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進，能源資源消耗持續(xù)增加，大氣污染防治壓力繼續(xù)加大。為切實改善空氣質(zhì)量，國家及地方陸續(xù)出臺了相應措施。天然氣分布式能源系統(tǒng)(以下簡稱分布系統(tǒng))作為天然氣的一種清潔高效利用方式，并作為改善大氣質(zhì)量的一種有力措施逐漸得到認可^[1-5]。分布系統(tǒng)一般安裝在用戶附近，因此污染物排放情況成為用戶的關(guān)注焦點。本文分別對微型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組(以下分別簡稱微燃機組、內(nèi)燃機組)的排放特性(針對氮氧化物)進行分析，并對內(nèi)燃機組的煙氣脫硝方案進行探討。

1　排放特性

①微燃機組

微燃機組的基本工作原理是空氣經(jīng)壓縮機增壓后與天然氣在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓煙氣推動透平做功帶動發(fā)電機發(fā)電。作為最早研發(fā)也是目前最成功的微燃機組之一——Capstone系列微燃機組，集透平、高效回熱器、空氣軸承、高速永磁發(fā)電、超低排放、高度集成的數(shù)字電力轉(zhuǎn)換技術(shù)于一體。該系列微燃機組只有一個運動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，采用空氣冷卻，無需潤滑油及冷卻液，運行維護費用低，燃料適應性強，可實現(xiàn)模塊化組裝，煙氣余熱具有較高的利用價值。由于采用稀薄燃燒技術(shù)，使得氮氧化物排放體積分數(shù)低于9×10^-6，可滿足嚴格的環(huán)保要求，無需進行脫硝處理。Capstone系列微燃機組氮氧化物排放體積分數(shù)見表1。

②內(nèi)燃機組

內(nèi)燃機組的基本工作原理是將燃氣與空氣混合，在氣缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓煙氣推動活塞做功，再通過曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將機械功輸出，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。往復活塞式內(nèi)燃機組的組成部分主要有曲柄連桿機構(gòu)、缸體和缸蓋、配氣機構(gòu)、進排氣系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置、發(fā)電機等，若為增壓內(nèi)燃機組還配有增壓系統(tǒng)。標準機型內(nèi)燃機組的氮氧化物排放質(zhì)量濃度(以煙氣中含氧量為5％計算，以下計算條件相同)為500mg／m³，若采用稀薄燃燒技術(shù)，控制氣缸內(nèi)溫度，氮氧化物排放質(zhì)量濃度可控制在250mg／m³左右。GB l6297—1996《大氣污染物綜合排放標準》規(guī)定，新污染源氮氧化物最高允許排放質(zhì)量濃度為240mg／m³，新污染源解釋為：1997年1月1日起設立(包括新建、擴建、改建)的污染源。因此，對于氮氧化物排放指標要求較高的場所(如醫(yī)院、商務區(qū)、居住區(qū)等)，需要增設煙氣脫硝裝置。

2　脫硝方案

以MWM TCG2032V12型內(nèi)燃機組(以下簡稱MWM內(nèi)燃機組)在某能源中心項目的應用為例，內(nèi)燃機組的發(fā)電功率為3199kW，氮氧化物排放質(zhì)量濃度為250mg／m³。

①氮氧化物排放速率限值

根據(jù)GB 3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》規(guī)定，該項目所在地為二類區(qū)(城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、一般工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū))，應執(zhí)行二級標準。根據(jù)GB 16297—1996規(guī)定，執(zhí)行二級標準時不同高度煙囪對應的氮氧化物排放速率限值見表2。

該項目煙囪設計高度為28m，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插法計算得到高度為28m的煙囪對應的氮氧化物排放速率限值為3.78kg／h。

按GB 16297—1996規(guī)定，氮氧化物排放速率除執(zhí)行表2給定的限值外，煙囪高度還應高出周圍200m半徑范圍內(nèi)的建筑5m以上，若該項目煙囪高度不滿足要求時，氮氧化物排放速率限值按煙囪高度對應的氮氧化物排放速率限值折減50％執(zhí)行。由于該項目煙囪高度不滿足以上要求，氮氧化物排放速率限值按1.89kg／h執(zhí)行。

②煙氣脫硝方案

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)脫硝技術(shù)是目前國際上應用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)之一^[6]，在日本、歐洲、美國等國家地區(qū)的大多數(shù)電廠都有應用。SCR脫硝工藝沒有副產(chǎn)物，不形成二次污染，裝置結(jié)構(gòu)簡單，脫硝效率較高(可達90％以上)，運行可靠，便于維護。SCR脫硝原理為：在催化劑作用下，向煙氣中噴入氨水或尿素作為還原劑，煙氣與還原劑均勻混合后一起通過填充有催化劑的反應器，氮氧化物與還原劑在反應器中發(fā)生還原反應，生成N2、H2O。由于內(nèi)燃機組排煙溫度較高(458～550℃)，為了使煙氣溫度符合催化劑活性溫度要求(350～400℃)，考慮采用以下兩種方案：方案1，SCR脫硝單元前設置煙氣—水換熱器；方案2，SCR脫硝單元前設置送風機。

a．方案1

方案1系統(tǒng)流程見圖1。內(nèi)燃機組煙氣經(jīng)煙氣—水換熱器后進入SCR脫硝單元，脫硝后進入煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組(以下簡稱吸收式機組)，放熱后與過剩煙氣一同排放。缸套冷卻水分別經(jīng)兩級換熱器降溫后，再吸收潤滑油部分熱量，最終回到內(nèi)燃機組缸套。

b．方案2

方案2系統(tǒng)流程見圖2。與方案l不同之處在于，方案2采用送風機將外部空氣送入煙管內(nèi)，將煙氣溫度降至符合催化劑活性要求的溫度，缸套冷卻水不再與煙氣進行換熱。

③煙氣系統(tǒng)阻力分析

方案2煙氣系統(tǒng)阻力包括SCR脫硝單元、吸收式機組、消聲器阻力等，方案1除包括方案2煙氣系統(tǒng)阻力外，還包括煙氣一水換熱器阻力。雖然方案1煙氣系統(tǒng)增加了煙氣一水換熱器，但由于方案2煙氣流速增大，導致煙氣系統(tǒng)總阻力大于方案1。經(jīng)計算，方案1、2的煙氣系統(tǒng)總阻力分別為4666、4838Pa，MWM內(nèi)燃機組排氣(煙氣)背壓為5000Pa。因此，對于方案1、2，MWM內(nèi)燃機組排氣背壓均能克服煙氣系統(tǒng)總阻力。

3　結(jié)論

①對于微燃機組分布系統(tǒng)，由于氮氧化物排放指標低，無需增設煙氣脫硝裝置。對于內(nèi)燃機組分布系統(tǒng)，當使用場所對氮氧化物排放指標要求較嚴格時，需要增設煙氣脫硝裝置。

②內(nèi)燃機組分布系統(tǒng)煙氣脫硝可采用SCR脫硝技術(shù)，為滿足SCR脫硝單元催化劑活性溫度要求，可采取設置煙氣一水換熱器、送風機降低進入SCR脫硝單元的煙氣溫度，并注意校核計算內(nèi)燃機組排氣背壓是否能克服改造后煙氣系統(tǒng)總阻力。

參考文獻：

[1]霍小亮，周偉國，阮應君，等．不同氣候條件下樓宇分布式供能系統(tǒng)性能分析[J]．煤氣與熱力，2009，29(11)：A04-A07．

[2]胡小堅，王忠平，張雪梅，等．分布式天然氣CCHP系統(tǒng)應用研究現(xiàn)狀與前景[J]．煤氣與熱力，2011，31(4)：A04-A09．

[3]柴沁虎，耿克成，付林，等．我國發(fā)展燃氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的探討[J]．煤氣與熱力，2006，26(6)：53-54．

[4]蘭麗，張泠，顧登峰．建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展[J]．煤氣與熱力，2006，26(1)：49-53．

[5]龔希武，李艷紅，胡國新，等．我國天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展及障礙[J]．煤氣與熱力，2004，24(6)：350-352．

[6]徐俊西，劉新哲，李鳳，等．SCR脫硝系統(tǒng)液氨氣化器和混合器設計與測試[J]．煤氣與熱力，2009，29(12)：A01-A04．

本文作者：郭甲生  李巡案  徐振華  張丹

作者單位：上海航天能源股份有限公司