分布式能源燃气内燃机发电机组氮氧化物排放研究

阮慧锋 刘心喜 贾小伟

摘  要：以燃气内燃机为原动机的小型分布式能源系统，以高效、节能及部分负荷特性在国内得到了越来越多的应用。为了解其启停机过程中烟气NOX排放状况，文章对300kW级燃气内燃机启停过程的排放性能进行了测试。以期为后续NOX排放的控制和脱除提供参考。

关键词：分布式能源;燃气内燃机;NOX排放

中图分类号：X773         文献标志码：A         文章编号：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

分布式能源系统是指分布在用户端的小型综合能源供应系统，通过模块化布置的方式，集供电、供热和供冷为一体，就近满足用户端冷、热、电的需求，实现能源的梯级利用[1]。

楼宇式分布式能源系统是分布式能源系统的主要形式之一，其原动机主要采用燃气内燃机。燃气内燃机具有能源转换效率高、发电负载波动适应性强及操作方便维护简单等特点。但由于燃气内燃机燃烧采用活塞压燃方式，机组本身不能实现低氮燃烧，导致排烟中NOX浓度较高，远超大气污染物排放要求。在大气污染物日益严峻的形势下，国家和地方也出台了相关内燃机发电机组NOX排放的要求，燃气内燃机发电机组的NOX排放状况成为了燃气分布式领域的重点关注内容。为了解燃气内燃机发电机组的NOX排放状况，本文对燃气内燃机在启停机过程中和不同发电功率下的烟气污染物进行了测量，掌握其污染物排放及其变化趋势，为后续NOX排放的控制及脫除提供分析参考。

1 实验对象及测量方法

1.1 实验对象

本次实验对象为日本三菱的315kW的燃气内燃机，型号为SGPM315，具体参数见表1。

1.2 测量方法

本次实验的烟气污染物浓度测量采用HORIBA便携式气体分析仪PG-350进行实时测量，测量参数包括烟气含氧量、NOX浓度、CO浓度及CO2浓度。燃气内燃机的相关运行参数，如排气温度、排气流量及发电功率等从DCS中直接获取。

2 NOX的生成机理

燃气内燃机排放烟气中的NOX主要是NO和NO2，大部分是NO，是N2和O2在高温燃烧下产生的[2]。

NO的生成主要与温度有关，大部分NO在离开火焰带的已燃气中发生，少部分在火焰带中产生。NO2基本认为是由NO在火焰区迅速转变而成，反应如下：

NO2又通过以下反应转变成NO：

天然气内燃机分布式供能系统的主要污染环节来自燃气内燃机对天然气的燃烧，天然气和空气的混合气被注入气缸内，由火花塞点燃，高温烟气膨胀后推动活塞做功，产生电能。由于缸内压力较高，特别是在燃烧后的定容准稳态过程，由于燃烧放热造成缸内压力迅速增加，使得燃烧的绝热火焰温度大幅上升。高温、高压的燃烧环境使得O2分子活化产生更多的O自由基，加速了O+N2-NO+N这一NO生成反应，从而使助燃空气中的N2向NO的转换。

3 结果与分析

3.1 结果

测试前对燃气内燃机使用的天然气成分进行了检测，各成分含量见表2。

燃气内燃机启机升负荷阶段大约持续30分钟，停机降负荷阶段大约持续了25分钟，过程中对其排烟温度、排气流量、烟气中的含氧量及污染物中NOX、CO、CO2的含量进行了测量记录，升负荷阶段测试结果见表3，降负荷阶段测试结果见表4。

3.2 分析

从测试结果可以看出，在启机过程中随着燃气内燃机负荷的增加，烟气中NOX的浓度迅速升高，特别是在高负荷阶段，NOX的浓度上升速度较快;烟气中的含氧量也随负荷的增加稳步上升，但在高负荷阶段烟气中含氧量上升趋势不明显。同时，启机过程中排烟温度随着负荷的增加而增加，但在高负荷阶段排烟温度变化不明显;在升负荷过程中内燃机负荷的增加，耗气量及空气进气量的增加，导致排气流量稳步上升。启机升负荷过程含氧量和NOX的变化趋势见图1，排烟温度和流量的变化趋势见图2。

停机降负荷过程中，烟气中NOX的浓度随内燃机负荷的降低呈线性下降，烟气中含氧量及排烟温度随内燃机减负荷过程略有下降，变化趋势不明显，烟气流量随内燃机负荷下降迅速减小。停机降负荷过程含氧量和NOX的变化趋势见图3，排烟温度和流量的变化趋势见图4。

4 结束语

本文对日本三菱的300kW级燃气内燃机在启停机过程中NOX的排放进行了测量分析，对其参数的随负荷变化的趋势进行了分析。结果表明燃气内燃机其NOX排放浓度随负荷的变化而变化明显，在满负荷运行时，NOX排放浓度处于偏高的水平，由此可见，对于开展燃气内燃机脱硝或烟气污染物治理工作有迫切的需求。

参考文献：

[1]王华.20kW天然气内燃机热电联供系统实验研究及经济性分析[D].华北电力大学，2018.

[2]黄椹.固定式燃气内燃机组环保性能及环境影响研究[D].南京信息工程大学，2016.