中国固定式燃气内燃机环境管理的形势、问题和对策*

2024-02-27吴晓清熊立国赵亚笛宋光武

环境污染与防治 2024年2期

吴晓清熊立国高荐赵亚笛田胜# 宋光武燕潇

(1.北京燃气能源发展有限公司,北京 100012;2.北京市生态环境保护科学研究院,国家城市环境污染控制工程技术研究中心,北京 100037)

为顺应全球绿色低碳发展趋势,2020年我国提出CO2排放力争2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和的目标。以固定式燃气内燃机(以下简称固定式内燃机)为原动机的分布式能源具有综合能效高、节能环保等优点,是实现碳达峰碳中和富有成效的技术方案之一[1]。一方面,系统能源综合利用效率高,由于燃气内燃机兼备发电、供热、供冷等多种能源同时服务功能,可有效实现能源的梯级利用,能源综合转化效率达70%以上;另一方面,能量损耗低,分布式内燃机布置在用户附近,无需建设大电网即可实现高压输电,减少线损,降低能源消耗[2-5]。

国家和地方层面也制定一系列政策来推广固定式内燃机,在政策的刺激下,固定式内燃机已广泛应用于办公楼、医院、商场、酒店等场所。据不完全统计,截至2020年底,我国天然气分布式能源项目(单机容量不超过50 MW、总装机容量200 MW以下)共计632个,总装机容量达2 274万kW[6]。其中,总装机规模的18%采用燃气内燃机为动力设备,主要满足酒店、医院和数据中心等负荷较小且波动范围较大的用户需求[7]。但相应的环境管理略滞后,部分燃气内燃机因在非正常时段(例如启停机)存在排放浓度超过标准限值的情况,而受到行政处罚,间接提高了内燃机运营成本,不利于其推广应用。本研究梳理了固定式内燃机的管理现状,分析排放现状,重点对超标情况进行分析,最终从环境管理政策、技术更新方向等多方面提出建议与对策,为生态环境部门提高固定式内燃机NOx排放监管的科学性、有效性提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 机组概况

某数据中心项目位于北京市,项目采用固定式内燃机为核心的冷热电三联供系统,以燃气为一次能源用于发电,并利用发电后产生的余热进行制冷或供热,通过对能量的梯级利用向用户输出电、热(冷)。项目配置5台燃气内燃发电机组(以下简称机组),设计4用1备,单台机组发电功率为3 349 kW,每台机组配套1台制冷功率2 910 kW、供热功率2 557 kW的余热直燃机及2台4.2 MW燃气锅炉,主要为该数据中心及园区周边提供冷、热、电。采用稀薄燃烧技术结合选择性催化还原技术(SCR)控制NOx排放,脱硝剂为尿素溶液。

机组运行较为规律,峰、平电时段(7：00—23：00)2台机组运行,与市政电网相互支撑,谷电时段(23：00至次日7：00)停机。一般情况下单台机组启停机1次/d。其余3台机组常年处于热备状态(即机组不切断水电气),确保市政断电8 min内实现电力带载,启动后30 min稳定满载运行,保障供能连续性及应急用电。

1.2 数据收集与测试

主要针对机组运行过程的排放特征进行研究,通过调取机组实时监控数据,获取了2022年1月1#机组的烟气自动监控系统(CEMS)信息。经数据识别,剔除因信息传输故障、监测仪器故障、停机过程中空气过程系数较高导致折算浓度失真等因素引起的数据无效情况,采集到NOx、CO排放浓度有效的数据623组。

采用纳氏试剂分光光度法测量烟气中的NH3浓度。利用吸收装置(由两只串联的装有吸收液的250 mL多孔玻璃吸收瓶组成)采集烟气中的NH3,且采集3个不同时段的烟气组分。采样流量为1 L/min,采样30 min后,密封保存,回实验室采用紫外可见分光光度计(UV-752)在波长420 nm处以水作参比,测定吸光度,根据校准曲线得出实测浓度,并折算为烟气含氧量5%(体积分数)时的排放浓度。

1.3 运行方式的情景设置

通过调整运行方式,即固定式内燃机由“调峰模式”(情景1)改为“降负荷不停机”(情景2),考察运行方式对NOx排放量的影响。场景与运行基本参数设定见表1。

表1 运行方式的情景设置Table 1 The setting of simulated scenario

1.4 排放量核算方法

1.4.1 排放量

NOx排放量核算方法见式(1)和式(2)。

E=Ev×t×10-6

(1)

(2)

式中：E为排放量,t;t为运行时间,min;Ev为排放速率,g/min;V0为基准烟气量,m3/h;C’为未开启SCR时出口NOx折算质量浓度,mg/m3,满负荷运行时取240 mg/m3,根据负荷变化,NOx折算质量浓度也会产生变化(见图1(b))。

图1 机组运行与NOx折算质量浓度曲线Fig.1 The characteristics of electric generator operation and converted NOx mass concentration

SCR系统稳定之后NOx折算质量浓度按式(3)计算。

Cout=(1-η)×C’

(3)

式中：Cout为SCR系统稳定后出口NOx折算质量浓度,mg/m3;η为SCR脱硝效率,考虑到SCR系统对NOx的转化率为60%～90%[8],取75%。

1.4.2 烟气量

该项目采用的气源为陕甘宁天然气,含94.70%(体积分数,下同) CH4、0.55% C2H4、0.08% C3H8、0.01% i-C4H10、0.01% n-C4H10、1.92% N2、2.71% CO2、0.02% He,低位热值与高位热值分别为34.16、37.98 MJ/m3[9]。为简化计算,假设市政管道天然气成分全部为CH4,采用CH4进行理论计算;燃气设施产生的烟气含氧量为x;空气中O2体积分数为21%,其余为N2。根据式(4),设1 mol CH4燃烧需要4.76amol空气,则烟气中含氧量x可表示为式(5)。

CH4+a(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+
(a-2)O2+3.76aN2

(4)

(5)

由式(5)可得出式(6)。

(6)

则烟气量可按照式(7)和式(8)计算。

(7)

(8)

式中：S为天然气消耗量,m3/h;P为输出功率,kW;38%为发电效率,采用文献[10]中的经验参数;0.1为折算系数,1 kW内燃机的天然气消耗量为0.1 m3/h。

2 环境管理现状

2.1 排放标准

关于内燃机的排放标准,国家层面只针对车用内燃机发布了标准,尚未制定固定式内燃机的相关标准。据原国家环境保护总局《关于内燃机瓦斯发电项目环境影响评价标准请示的复函》(环函〔2006〕359号)要求,使用《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》(GB 14762—2002)第二阶段和《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》(GB 17691—2005)中的大气污染物排放控制要求进行环境影响评价,但以上两项标准目前已废止,且与固定污染源的管理存在明显差异,指标体系混乱。

为适应北京市环境管理的需求,在缺少国标的前提下,原北京市环境保护局率先针对固定式内燃机排放和控制技术开展研究,并制定了《固定式内燃机大气污染物排放标准》(DB11/ 1056—2013)。该标准执行后,北京市固定式内燃机项目通过再调试采用了稀薄燃烧技术使NOx的初始排放得到了有效控制,结合SCR工程减排,实现达标排放。其他地区尚未制定固定式内燃气相关排放标准,则执行大气污染物综合排放标准。

2.2 达标判定依据

DB11/ 1056—2013排放标准中设置了颗粒物、NOx、CO和NH3的排放限值要求,但未明确“非正常情况”下的达标判定依据。

排污许可体系相关技术规范率先提出“非正常情况”下的达标判定依据。除不涉及燃烧设施的行业外,既有涉气行业(包括火电、钢铁、水泥、石化、炼焦、电镀等共19个行业)的排污许可证申请与核发技术规范已将干法脱硫、SCR脱硝无法同步投运的时段纳入考虑,并设定了适合行业特征的启动时段SO2和NOx豁免时长。但是关于固定式内燃机,尚未颁布专项排污许可规范,执行《排污许可证申请与核发技术规范总则》(HJ 942—2018),对于“非正常情况”下的排放浓度合规判定方法中,要求“其他非正常情况导致污染物超标排放的,应立即停产整改”,这明显不适用于燃气内燃机启停机等非正常时段。因此,现行的排污许可证相关规范可能导致固定式内燃机在执行层面存在缺失“非正常情况达标判定依据”的问题。

生态环境部颁布的其他固定源大气污染源排放标准也未明确“非正常情况”下的达标判定依据。但是部分地区固定源排放标准会对启停机的排放进行豁免,例如江苏省《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》(DB32/ 3967—2021)明确规定了豁免时段——“固定式燃气轮机启动、停机的时段”,为固定式内燃机“非正常情况”下的达标判定依据的制定做出示范。

3 排放现状分析

3.1 历史数据分析

根据DB11/ 1056—2013,北京市固定式内燃机处理设施后烟囱中NOx、CO的1 h排放限值分别为75、800 mg/m3,据此对1#机组的排放数据进行分析,结果如图2所示。在机组运行过程中,NOx与CO排放超标小时数分别为61、4 h,分别占有效小时数的9.8%、0.6%,且CO超标时间段NOx必超标。因此,NOx排放超标是固定式内燃机关键问题,后续主要针对NOx排放超标情况进行重点分析。

注：虚线为排放限值,图3和图4同;“1”“2”“3”分别为启动超标、停机超标、正常运行超标。图2 NOx与CO排放数据分析Fig.2 The concentration characteristics of NOx and CO

因启动超标、停机超标、正常运行NOx超标的小时数分别为20、9、32,占NOx超标总小时数的33%、15%、52%。NOx排放浓度有效数据中,NOx小时质量浓度介于0～305 mg/m3,月均值为47.1 mg/m3。其中,NOx小时质量浓度在40～60 mg/m3区间比例最高,占41%,其次为0～20 mg/m3区间,占27%,这两个区间的数据均为机组停机过程采集。NOx排放浓度符合正态分布,95%置信区间为[43.69 mg/m3,50.55 mg/m3]。

对NH3排放的浓度进行分析,结果显示烟气中NH3排放质量浓度为0.94 mg/m3,满足DB11/ 1056—2013排放限值要求(2.5 mg/m3),属于达标排放。

3.2 超标情况分析

为分析启停机时NOx超标的原因,选取典型的启动升负荷阶段、停机降负荷阶段,对SCR系统烟气温度、NOx折算浓度随启停机时间的变化趋势进行分析。机组启动过程NOx排放与启动前后的状态(如因长时间停机后冷启动、运行故障非正常停机后的热启动)密切相关[11]76。从图3(a)和图3(b)可看出,内燃机启动过程中,CEMS具有滞后性,SCR出口处NOx浓度大约有3～5 min的测量延迟。随着内燃机负荷的增加,烟气中NOx浓度迅速升高,特别是在热启动过程中,NOx浓度上升速度较快。同时,在冷启动初期,由于SCR系统入口烟气温度低于催化剂的温度窗口(320～550 ℃)下限,造成SCR系统启动时间滞后于生产设备启动时间。随着烟气温度的提高,接近SCR反应温度,喷氨系统启动,调整过程中需经烟气浓度检测和氨制备等环节,造成一定延迟,本研究中约为3 min,随后NOx浓度急速下降,实现达标排放。通常情况下,采用热启动且无调峰或调试、试验需要时,机组能够快速提升负荷,烟气温度迅速升高到SCR系统投运条件,缩短NOx超标排放的时长[11]80。

图3 冷启动、热启动与停机阶段NOx随时间变化趋势Fig.3 NOx concentration characteristics during the cold-start-up,hot-start-up and shut down stages

为防止尿素溶液过喷结晶堵塞造成设备损坏,内燃机的关停滞后于SCR系统,造成停机过程中产生的烟气与烟道内剩余的烟气未经过SCR系统直接排放。从图3(c)可看出,SCR系统关停后T1时间段烟气浓度维持低位,达标排放,主要因为SCR系统至CEMS烟道内烟气有所滞留,造成约5 min迟滞。T2时间段烟气浓度大幅上升,主要因为内燃机至SCR系统烟道内烟气排放至CEMS,由于SCR系统关闭,烟气直排,NOx维持高位(约为450 mg/m3),且随烟气的排出逐步下降。

在正常运行状态下也存在NOx超标,经分析,疑似为SCR催化剂老化,部分活性降低,从而导致NOx穿透催化剂层,致使NOx排放不稳定。

4 整改方案及评估

4.1 系统优化

针对启动阶段SCR不同步投运的问题,由于SCR催化剂本身具有一定的热惰性,要达到温度窗口下限需要一定的预热时间,且如降低SCR的运行温度至温度窗口下限以下,烟气主体中的硫酸氢铵蒸气会在催化剂表面产生凝结,堵塞SCR催化剂表面吸附孔径,造成催化剂失活。因此,SCR系统的启动阶段NOx排放超标现象会不可避免地产生。针对停机阶段与正常运行状态超标问题,减少NOx超标情况的控制策略如下：1)优化SCR系统停机控制逻辑调整,解决SCR不同步投运问题。在防止停机过程中出现尿素过喷的前提下,依据停机功率曲线对停机过程尿素喷量进行预测、校核,将功率信号接入SCR系统对尿素泵流量进行控制,实现SCR与内燃机停机连锁,以确保停机过程中NOx始终达标排放。2)改造SCR系统,减少稳定工况超标情况。为减少稳定运行工况下超标情况,对SCR系统主体进行改造升级,通过增加SCR催化床层厚度,提高NH3/NO反应时间,提升SCR系统脱硝效率,减少NOx穿透。3)加强机组日常维护,减少故障停机。对机组进行预防性保养,最大程度减少故障停机次数。对容易影响机组初始NOx排放的火花塞、预燃室部件、增压器等部件,缩短保养周期,降低故障停机频率。

经过上述优化后,NOx排放浓度整体较为稳定,偶有升高也控制在排放限值之内,日常运行工况下超标现象能得到有效控制。由图4可看出,输出功率下降过程约3 min,CESM存在5～6 min的时间滞后,而后NOx快速下降,NOx均达标排放,有效改善了改造前停机过程中NOx超标现象。

图4 系统优化后停机阶段NOx变化趋势Fig.4 NOx concentration characteristics during the shut down stages after system optimization

4.2 运行方式优化

针对启停机的环境问题,分别考察了表1中两种运行方式的排放速率,结果如图5所示。对排放速率进行积分,核算出情景1、情景2的NOx日排放量分别为9.5、11.4 kg。情景2通过不停机操作避免了启动时段的SCR不同步投运的问题,但在50%负荷下持续排放8 h,相比情景1造成了更多的NOx排放,并未提升环境效益。

图5 不同运行方式的模拟结果Fig.5 Simulation results using different mode

5 结论与建议

5.1 结论

1) 固定式内燃机得到了广泛应用,但环境管理政策相对滞后。除北京市外,从国家到地方,尚未制定固定式内燃机的相关标准。现行的排放标准、排污许可证技术规范并未明确“非正常情况”下的达标判定依据,导致固定式内燃机在执行层面存在缺失“非正常情况”达标判定依据的问题。

2) 调研期间,机组排放的NOx小时质量浓度介于0～305 mg/m3,月均值为47.1 mg/m3;NOx与CO均出现不同程度的超标现象,NOx与CO排放超标小时数分别为61、4 h,分别占有效小时数的9.8%、0.6%;NH3质量浓度为0.94 mg/m3,达标排放。SCR系统与生产设备不同步投运是造成内燃机启动、停机阶段超标的主要原因;正常运行状态下,NOx排放超标的原因为SCR催化剂老化,部分活性降低,导致NOx穿透催化剂层,超标排放。

3) 由于要达到SCR催化剂温度窗口下限需预热时间,且温度过低会导致硫酸氢铵凝结,造成催化剂失活。因此,SCR系统的启动阶段NOx排放超标现象会不可避免地产生。通过优化脱硝停机控制调整逻辑,可解决由于SCR不同步投运造成的停机过程NOx超标现象。通过增加SCR催化床层厚度可解决正常运行超标的问题。

4) “调峰模式”“调负荷不停机”两种运行方式的NOx日排放量分别为9.5、11.4 kg,后者的排放量略高于前者,主要原因是不停机操作避免了启动时段的SCR不同步投运的问题,但在50%负荷下持续排放8 h,造成了更多的NOx排放,并未提升环境效益。因此“调峰运行”仍为燃气内燃机环境效应最佳的运行方式。