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天然氣分布式能源系統(tǒng)煙氣脫硝方案
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 engineAbstract：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．
我國大氣環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻，以可吸入顆粒物(PMIO)、細(xì)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(jìn)，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(shí)改善空氣質(zhì)量，國家及地方陸續(xù)出臺(tái)了相應(yīng)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(rèn)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(diǎn)。本文分別對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(以下分別簡稱微燃機(jī)組、內(nèi)燃機(jī)組)的排放特性(針對(duì)氮氧化物)進(jìn)行分析，并對(duì)內(nèi)燃機(jī)組的煙氣脫硝方案進(jìn)行探討。
1 排放特性
①微燃機(jī)組
微燃機(jī)組的基本工作原理是空氣經(jīng)壓縮機(jī)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(dòng)透平做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作為較早研發(fā)也是目前成功的微燃機(jī)組之一——Capstone系列微燃機(jī)組，集透平、高效回?zé)崞?、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(jī)組只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，采用空氣冷卻，無需潤滑油及冷卻液，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，燃料適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)模塊化組裝，煙氣余熱具有較高的利用價(jià)值。由于采用稀薄燃燒技術(shù)，使得氮氧化物排放體積分?jǐn)?shù)低于9×10-6，可滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求，無需進(jìn)行脫硝處理。Capstone系列微燃機(jī)組氮氧化物排放體積分?jǐn)?shù)見表1。
②內(nèi)燃機(jī)組內(nèi)燃機(jī)組的基本工作原理是將燃?xì)馀c空氣混合，在氣缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓煙氣推動(dòng)活塞做功，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)組的組成部分主要有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、缸體和缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)等，若為增壓內(nèi)燃機(jī)組還配有增壓系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型內(nèi)燃機(jī)組的氮氧化物排放質(zhì)量濃度(以煙氣中含氧量為5％計(jì)算，以下計(jì)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(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，新污染源氮氧化物允許排放質(zhì)量濃度為240mg／m3，新污染源解釋為：1997年1月1日起設(shè)立(包括新建、擴(kuò)建、改建)的污染源。因此，對(duì)于氮氧化物排放指標(biāo)要求較高的場(chǎng)所(如醫(yī)院、商務(wù)區(qū)、居住區(qū)等)，需要增設(shè)煙氣脫硝裝置。
2 脫硝方案
以MWM TCG2032V12型內(nèi)燃機(jī)組(以下簡稱MWM內(nèi)燃機(jī)組)在某能源中心項(xiàng)目的應(yīng)用為例，內(nèi)燃機(jī)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(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，該項(xiàng)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(yīng)執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB 16297—1996規(guī)定，執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不同高度煙囪對(duì)應(yīng)的氮氧化物排放速率限值見表2。
該項(xiàng)目煙囪設(shè)計(jì)高度為28m，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插法計(jì)算得到高度為28m的煙囪對(duì)應(yīng)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(yīng)高出周圍200m半徑范圍內(nèi)的建筑5m以上，若該項(xiàng)目煙囪高度不滿足要求時(shí)，氮氧化物排放速率限值按煙囪高度對(duì)應(yīng)的氮氧化物排放速率限值折減50％執(zhí)行。由于該項(xiàng)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(yīng)用廣泛泛的煙氣脫硝技術(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(yīng)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(dá)90％以上)，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)。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(yīng)器，氮氧化物與還原劑在反應(yīng)器中發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2、H2O。由于內(nèi)燃機(jī)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(shè)置煙氣—水換熱器；方案2，SCR脫硝單元前設(shè)置送風(fēng)機(jī)。
a．方案1
方案1系統(tǒng)流程見圖1。內(nèi)燃機(jī)組煙氣經(jīng)煙氣—水換熱器后進(jìn)入SCR脫硝單元，脫硝后進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組(以下簡稱吸收式機(jī)組)，放熱后與過剩煙氣一同排放。缸套冷卻水分別經(jīng)兩級(jí)換熱器降溫后，再吸收潤滑油部分熱量，最終回到內(nèi)燃機(jī)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(fēng)機(jī)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(jìn)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(jī)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(dǎo)致煙氣系統(tǒng)總阻力大于方案1。經(jīng)計(jì)算，方案1、2的煙氣系統(tǒng)總阻力分別為4666、4838Pa，MWM內(nèi)燃機(jī)組排氣(煙氣)背壓為5000Pa。因此，對(duì)于方案1、2，MWM內(nèi)燃機(jī)組排氣背壓均能克服煙氣系統(tǒng)總阻力。
3 結(jié)論
①對(duì)于微燃機(jī)組分布系統(tǒng)，由于氮氧化物排放指標(biāo)低，無需增設(shè)煙氣脫硝裝置。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)組分布系統(tǒng)，當(dāng)使用場(chǎng)所對(duì)氮氧化物排放指標(biāo)要求較嚴(yán)格時(shí)，需要增設(shè)煙氣脫硝裝置。
②內(nèi)燃機(jī)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(shè)置煙氣一水換熱器、送風(fēng)機(jī)降低進(jìn)入SCR脫硝單元的煙氣溫度，并注意校核計(jì)算內(nèi)燃機(jī)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(xiàn)：
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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
