阮慧鋒 劉心喜 賈小偉

摘 ?要：以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的小型分布式能源系統(tǒng)，以高效、節(jié)能及部分負(fù)荷特性在國(guó)內(nèi)得到了越來越多的應(yīng)用。為了解其啟停機(jī)過程中煙氣NOX排放狀況，文章對(duì)300kW級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)啟停過程的排放性能進(jìn)行了測(cè)試。以期為后續(xù)NOX排放的控制和脫除提供參考。

關(guān)鍵詞：分布式能源;燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī);NOX排放

中圖分類號(hào)：X773 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(yīng)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(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)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(dòng)機(jī)主要采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有能源轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電負(fù)載波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)及操作方便維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒采用活塞壓燃方式，機(jī)組本身不能實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，導(dǎo)致排煙中NOX濃度較高，遠(yuǎn)超大氣污染物排放要求。在大氣污染物日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，國(guó)家和地方也出臺(tái)了相關(guān)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組NOX排放的要求，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的NOX排放狀況成為了燃?xì)夥植际筋I(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。為了解燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的NOX排放狀況，本文對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在啟停機(jī)過程中和不同發(fā)電功率下的煙氣污染物進(jìn)行了測(cè)量，掌握其污染物排放及其變化趨勢(shì)，為后續(xù)NOX排放的控制及脫除提供分析參考。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為日本三菱的315kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，型號(hào)為SGPM315，具體參數(shù)見表1。

1.2 測(cè)量方法

本次實(shí)驗(yàn)的煙氣污染物濃度測(cè)量采用HORIBA便攜式氣體分析儀PG-350進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量參數(shù)包括煙氣含氧量、NOX濃度、CO濃度及CO2濃度。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，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(jī)理

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(chǎn)生的[2]。

NO的生成主要與溫度有關(guān)，大部分NO在離開火焰帶的已燃?xì)庵邪l(fā)生，少部分在火焰帶中產(chǎn)生。NO2基本認(rèn)為是由NO在火焰區(qū)迅速轉(zhuǎn)變而成，反應(yīng)如下：

NO2又通過以下反應(yīng)轉(zhuǎn)變成NO：

天然氣內(nèi)燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)的主要污染環(huán)節(jié)來自燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)天然氣的燃燒，天然氣和空氣的混合氣被注入氣缸內(nèi)，由火花塞點(diǎn)燃，高溫?zé)煔馀蛎浐笸苿?dòng)活塞做功，產(chǎn)生電能。由于缸內(nèi)壓力較高，特別是在燃燒后的定容準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，由于燃燒放熱造成缸內(nèi)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(chǎn)生更多的O自由基，加速了O+N2-NO+N這一NO生成反應(yīng)，從而使助燃空氣中的N2向NO的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

測(cè)試前對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)使用的天然氣成分進(jìn)行了檢測(cè)，各成分含量見表2。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)啟機(jī)升負(fù)荷階段大約持續(xù)30分鐘，停機(jī)降負(fù)荷階段大約持續(xù)了25分鐘，過程中對(duì)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(jìn)行了測(cè)量記錄，升負(fù)荷階段測(cè)試結(jié)果見表3，降負(fù)荷階段測(cè)試結(jié)果見表4。

3.2 分析

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在啟機(jī)過程中隨著燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)負(fù)荷的增加，煙氣中NOX的濃度迅速升高，特別是在高負(fù)荷階段，NOX的濃度上升速度較快;煙氣中的含氧量也隨負(fù)荷的增加穩(wěn)步上升，但在高負(fù)荷階段煙氣中含氧量上升趨勢(shì)不明顯。同時(shí)，啟機(jī)過程中排煙溫度隨著負(fù)荷的增加而增加，但在高負(fù)荷階段排煙溫度變化不明顯;在升負(fù)荷過程中內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的增加，耗氣量及空氣進(jìn)氣量的增加，導(dǎo)致排氣流量穩(wěn)步上升。啟機(jī)升負(fù)荷過程含氧量和NOX的變化趨勢(shì)見圖1，排煙溫度和流量的變化趨勢(shì)見圖2。

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

4 結(jié)束語

本文對(duì)日本三菱的300kW級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在啟停機(jī)過程中NOX的排放進(jìn)行了測(cè)量分析，對(duì)其參數(shù)的隨負(fù)荷變化的趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)其NOX排放濃度隨負(fù)荷的變化而變化明顯，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，NOX排放濃度處于偏高的水平，由此可見，對(duì)于開展燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)脫硝或煙氣污染物治理工作有迫切的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王華.20kW天然氣內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及經(jīng)濟(jì)性分析[D].華北電力大學(xué)，2018.

[2]黃椹.固定式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組環(huán)保性能及環(huán)境影響研究[D].南京信息工程大學(xué)，2016.