4275kW 级燃气内燃机组SCR 烟气脱硝超低排放性能评估

吕洪炳，蒋 楠，刘春红，胡晨晖，卓佐西，杜凯敏，祁志福

（1.浙江浙能兴源节能科技有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江天地环保科技股份有限公司，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121；4.浙江省白马湖实验室有限公司，浙江 杭州310051）

0 引 言

随着国家“双碳”目标节点日益临近，各地节能降碳压力剧增，清洁能源项目加速推进。燃气分布式能源因综合能效普遍在70%以上，节能降碳成效显著，近年来，大中型城市里燃气内燃机装机容量不断增加。但是，燃气内燃机组不能实现低氮燃烧，排烟中氮氧化物（NOX）浓度较高，严重影响到城市大气质量的改善[1-3]。目前，燃气内燃机组NOX排放标准(≤240 mg/m3)主要参照《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)，这显然不符合我国环保发展新要求[4]。可以预见，随着环保法规日趋严格，国内燃气内燃机NOX排放限值将会越来越低，目前已有地区将天然气内燃机尾气NOX排放限制值调整为75 mg/m3[5]。

国内部分燃气内燃机采用钒钨钛催化剂脱硝，但都存在钒挥发带来的重金属二次污染[6-8]、无法实现长时间高温脱硝[9]、牺牲燃机效率以实现达标排放等问题。国外燃气内燃机脱硝普遍采用新型分子筛脱硝催化剂，该体系具有耐高温（～750℃）、高效（装填量仅为钒钨钛的50%）、绿色（不含有毒金属）等优点，但相关分子筛催化剂技术，尤其是优质分子筛载体制造技术、分子筛催化剂脱硝运行技术被国外垄断，国内一般采用进口分子筛脱硝催化剂，存在脱硝成本高、运行维护困难等问题[10-14]。现阶段国内高温分子筛脱硝催化剂多处在研发阶段，催化剂载体水热稳定性低，整体式催化剂在典型机组上没有实现工程示范应用，对内燃机不同负荷、不同缸温的适应性尚不清楚，这些因素不利于实现国产分子筛催化剂的推广应用。

浙江浙能技术研究院有限公司和浙江天地环保科技股份公司自主设计开发了国产分子筛脱硝催化剂，并在为某燃气内燃机组上率先开展了超低排放脱硝工程示范，研究了分子筛催化剂在不同负荷、不同缸温和连续运行时的脱硝性能，揭示了烟温、流速、喷氨和脱硝排放之间的规律，实现了国产催化剂在典型燃气内燃机组高效发电下SCR 烟气脱硝超低排放，相关研究成果可以推广到燃气轮机、畜禽粪便/餐厨沼气发电、低浓度煤矿瓦斯发电、氢氨燃机等高温脱硝场合。

1 试验条件与方法

本次示范应用的5 号机组，能源综合利用效率≥86.3%，满负荷燃气内燃机运行功率为4275 kW，实际稳定运行负荷为4000 kW。目前NOX排放执行的标准为《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271-2014，150 mg/m3）[15]。机组烟气参数设计如下表1 所示：

5 号机组烟道内装填的浙能自研的蜂窝分子筛高温脱硝催化剂，最小单元尺寸150 mm×150 mm×150 mm，孔径为200 目，共装填催化剂体积约为1.5 m3。图1 为5 号内燃机机组烟气流向及脱硝工艺流程图。性能评估时，在SCR 反应器入口处布置高温采样系统T1，烟气排烟出口处布置常规采样检测系统T2，通过T1、T2 系统采样值来测定烟气组分含量，通过排放口CEMS 来监测整个示范过程中NOX的排放情况。按照T2 处监测的下列两个排放值分别开展实验：

图1 示范机组脱硝平台工艺流程

(1)排放值1：NOX≤80 mg/m3；

(2)排放值2：NOX≤40 mg/m3。

不同负荷下基本试验过程为：调整内燃机功率至4000 kW（95%工况，缸温300 ℃），待机组稳定运行30 min 后，观察SCR 出入口的温度差值。当差值基本稳定时，根据CEMS 监测的NOX排放值调整喷氨量，当达到排放值1 时，在此喷氨量下稳定运行15 min 后，T1、T2 系统同时采样，记录流量、温度、浓度、湿度、含氧量等数据；然后继续调整喷氨量，当CEMS 监测的NOX浓度达到排放值2 时，在此喷氨量下稳定运行15 min 后，T1、T2 系统同时采样，记录相关数据。95%工况完成后，调整燃气内燃机功率，稳定后依次开展75%、50%、40%负荷下性能试验。

不同缸温试验：维持内燃机机组负荷在95%不变，依次提高内燃机运行缸温（308 ℃、320 ℃、325 ℃）来提高SCR 入口NOX浓度。调试喷氨流量，按照排放值1、排放值2 要求测试。

72h 连续试运行：在机组负荷95%、缸温308 ℃的运行工况下，根据出口浓度调整喷氨量，在满足排放口浓度要求NOX≤40 mg/m3时，保持该运行工况和喷氨量，连续运行至少72 h，其间每隔一定时间记录出口排放数据和入口浓度数据，根据72 h 运行数据来评估催化剂稳定性。

根据上述试验结果，按照负荷和缸温实验性能，开展第三方现场监测。

2 实验结果与讨论

2.1 不同负荷下分子筛催化剂脱硝性能

表2 是不同负荷条件下分子筛催化剂脱硝性能。可以看出，低负荷下（40%～50%），入口烟气温度在510～525℃，实测浓度750～830 mg/m3，分子筛催化剂脱硝效率在96%以上，出口折算浓度满足超低排放要求（37.9 mg/m3）；随着负荷增加，烟温降低，烟气流速增加，尽管入口NOX浓度降低，但NOX总量增大，因此喷氨总量增加。内燃机负荷从40%提升到95%时，烟温范围440～525℃，出口NOX排放均能满足超低排放标准，表明分子筛催化剂具备高温下全负荷燃气内燃机超低排放脱硝能力，可以适应燃气内燃机不同负荷工况。

表2 不同负荷条件下分子筛催化剂脱硝性能

与传统中温钒钨钛催化剂（270～420℃）相比，分子筛催化剂耐高温主要有以下原因：一是分子筛脱硝催化剂载体是三维十二元环孔结构的耐高温高硅沸石，而钒钨钛催化剂载体为锐钛矿二氧化钛，高温容易转成金红石相而降低活性[16]；二是分子筛催化剂孔道内的金属铁离子，在高温下形成的[HO-Fe-O-Fe-OH]2+是SCR 反应的活性中心，即使在800 ℃高温下仍可稳定存在[17-19]，而钒钨钛催化剂表面起催化作用的物种为V5+-OH和V=O，高温下不稳定，会聚集长大进而失活。

2.2 不同缸温下分子筛催化剂脱硝性能

燃气内燃机NOX排放浓度与内燃机负荷、缸温密切相关。正常稳定负荷运行下，内燃机缸温高，燃机效率高，但同时烟气中NOX浓度也高（入口温度、流量不变）。以4275kW 典型燃机为例，效率最优时NOX浓度约1000 mg/m3（5%O2）；使用钒钨钛催化剂时，通过增大填装量和喷氨量均无法达到超低排放要求，此时，需要通过降低缸温以牺牲燃机效率，进而降低脱硝入口NOX的排放浓度来实现出口NOX的达标排放。

表3 是95%负荷时不同缸温下分子筛催化剂性能测试结果。可以看出，随着缸温增加，入口实测NOX浓度增加，喷氨量随之增加，出口NOX折算浓度均满足设定的两个排放指标时，脱硝效率达到93%以上，即使在最高缸温325℃下，出口排放仍能满足超低排放标准。这表明分子筛脱硝催化剂对内燃机提升缸温后的适应性较强，可以在保持较高燃机效率、较高NOX浓度的情况下，达到超低排放要求。这主要是因为分子筛催化剂比表面积520 m2/g，是钒钨钛催化剂10 倍之多，更易于活性组分分散，其丰富的微孔孔道结构为催化反应提供更优的限域反应空间，催化效率更高，填装量更低，本次示范用催化剂装填量仅为钒钨钛催化剂的1/2。

表3 不同缸温下分子筛催化剂脱硝性能

提高缸温，分子筛催化剂可以在较高内燃机发电效率下实现超低排放，节能和环保双重效益明显。以现有5 号机95%负荷、300 ℃缸温运行为基准，当负荷不变、缸温调至320 ℃时，在满足超低排放标准下，采用分子筛催化剂脱硝，初步估算每台机组能节省燃气至少10 m3/h，每台年节省燃气费用35.5 万以上，能源综合利用效率提高了2%。

2.3 分子筛催化剂72 h 试运行脱硝性能

天然气燃烧受天气因素（空气密度、含氧量、湿度等）影响较大，尤其在夜间，入口NO 浓度、温度、湿度等相关参数会发生明显波动，因此，对催化剂的稳定性尤其是水热稳定性要求较高。图2 是浙能自研的分子筛催化剂与进口分子筛催化剂水热处理后脱硝性能对比。可以看出，经过750 ℃、10% H2O 气氛下处理超过16 h，浙能自研的分子筛催化剂性能与进口分子筛催化剂一致，且低温区性能优于进口分子筛，可以实现进口替代。

图2 浙能自研的分子筛催化剂与进口分子筛催化剂稳定性对比

72 h 试运行期间，5 号机组在95%负荷、308 ℃缸温下以高NOX排放状态连续运行。图3是72 h 运行期间SCR 入口烟气温度和烟气实际流量。可以看出，试运行期间，入口温度和实际流量总体保持在440℃和26000 m3/h，并呈现一定周期规律波动。

图3 72h 运行时SCR 反应器入口烟气温度和烟气实际流量

图4、图5 分别为72 h 连续运行时SCR 出口NOX浓度和脱硝效率变化情况。图4 可以看出，出口NO 和NO2浓度也在一定范围呈相应规律波动。通过出口浓度反馈调节喷氨量，可以保持出口实测NO 和NO2浓度分别在≤20 mg/m3、≤3 mg/m3范围内，出口NOX折算浓度≤40 mg/m3，平均脱硝效率也维持在95%左右。72h 试运行结果表明分子筛催化剂具有较高的脱硝活性、较好的结构稳定性，对内燃机燃烧时空气密度、含氧量、温湿度变化适应性强。72h 试运行相关运行规律为分子筛脱硝催化剂后续长时间运行提供了技术支撑。

图4 72h 运行时烟气排放口NOX 浓度曲线

图5 72h 运行时分子筛催化剂的脱硝效率

2.4 第三方监测

示范机组目前NOX排放执行的标准为《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271-2014，150 mg/m3）。表4 为浙江省生态环境监测中心在不同负荷和缸温下监测的现场数据。可以看出，在不同负荷、不同缸温下，出口NOX排放浓度均能满足75 mg/m3及更低排放标准，脱硝效率高于93%。

表4 浙江省生态环境监测中心测试数据

结合北京地方标准《固定式内燃机大气污染物排放标准》（DB 11/1056 2013，NOX：75 mg/m3，NH3：2.5 mg/m3）和长三角标准《固定式内燃机大气污染物排放标准》（2020 年征求意见稿，NOX：80 mg/m3，NH3：2.5 mg/m3），在现场第三方监测中也加入了氨排放的监测（吸收法）。可以看出，低缸温时（300 ℃），随着负荷从50%增加95%，在出口NOX满足超低排放标准时，氨逃逸从17.8 mg/m3显著下降到4.2 mg/m3；当将缸温提升到308℃时，在出口NOX满足超低排放标准时，氨逃逸为3.35 mg/m3；继续提升缸温至320℃、按照75 mg/m3的排放标准，氨逃逸为2.90 mg/m3。这表明采用分子筛催化剂可以将燃气内燃机NOX和NH3排放浓度控制到更低的排放标准。根据第三方监测NOX和NH3的排放规律，试验结果表明，要同时将燃气内燃机NOX和NH3控制在最严标准，必须采用分子筛催化剂才能实现。

3 结语

某4275 kW 燃气内燃机5 号机组采用了浙能自主研发的分子筛高温脱硝催化剂，使燃气内燃机在正常稳定负荷和较高缸温下实现了NOX的超低排放，提高了燃机效率，经济效益和环保效益明显。分子筛脱硝催化剂具有环境友好、脱硝效率高、装填体积小等优点，适合高温、高NOX浓度和排放空间受限领域，是未来高温脱硝的重要发展方向。除燃气内燃机组外，分子筛脱硝催化剂还可推广到畜禽粪便/餐厨沼气发电、低浓度煤矿瓦斯发电、燃气轮机等高温排放场景。下一步将分子筛催化剂应用于不同燃气内燃机组，积累分子筛催化剂与高温烟气脱硝之间的规律基础数据，通过不同分布式能源尾气脱硝场景的应用，积累更多关于实际运行工况下脱硝性能数据，获得不同烟温区域、进气NOX浓度、烟气水含量、烟气硫含量、烟气有机物含量等条件下脱硝性能和运行寿命，最终形成大数据用于实际预测和判断。