中國固定式燃氣內燃機環境管理的形勢、問題和對策*

吳曉清 熊立國 高 薦 趙亞笛 田 勝# 宋光武 燕 瀟

(1.北京燃氣能源發展有限公司,北京 100012;2.北京市生態環境保護科學研究院,國家城市環境污染控制工程技術研究中心,北京 100037)

為順應全球綠色低碳發展趨勢,2020年我國提出CO2排放力爭2030年前達到峰值、2060年前實現碳中和的目標。以固定式燃氣內燃機(以下簡稱固定式內燃機)為原動機的分布式能源具有綜合能效高、節能環保等優點,是實現碳達峰碳中和富有成效的技術方案之一[1]。一方面,系統能源綜合利用效率高,由于燃氣內燃機兼備發電、供熱、供冷等多種能源同時服務功能,可有效實現能源的梯級利用,能源綜合轉化效率達70%以上;另一方面,能量損耗低,分布式內燃機布置在用戶附近,無需建設大電網即可實現高壓輸電,減少線損,降低能源消耗[2-5]。

國家和地方層面也制定一系列政策來推廣固定式內燃機,在政策的刺激下,固定式內燃機已廣泛應用于辦公樓、醫院、商場、酒店等場所。據不完全統計,截至2020年底,我國天然氣分布式能源項目(單機容量不超過50 MW、總裝機容量200 MW以下)共計632個,總裝機容量達2 274萬kW[6]。其中,總裝機規模的18%采用燃氣內燃機為動力設備,主要滿足酒店、醫院和數據中心等負荷較小且波動范圍較大的用戶需求[7]。但相應的環境管理略滯后,部分燃氣內燃機因在非正常時段(例如啟停機)存在排放濃度超過標準限值的情況,而受到行政處罰,間接提高了內燃機運營成本,不利于其推廣應用。本研究梳理了固定式內燃機的管理現狀,分析排放現狀,重點對超標情況進行分析,最終從環境管理政策、技術更新方向等多方面提出建議與對策,為生態環境部門提高固定式內燃機NOx排放監管的科學性、有效性提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 機組概況

某數據中心項目位于北京市,項目采用固定式內燃機為核心的冷熱電三聯供系統,以燃氣為一次能源用于發電,并利用發電后產生的余熱進行制冷或供熱,通過對能量的梯級利用向用戶輸出電、熱(冷)。項目配置5臺燃氣內燃發電機組(以下簡稱機組),設計4用1備,單臺機組發電功率為3 349 kW,每臺機組配套1臺制冷功率2 910 kW、供熱功率2 557 kW的余熱直燃機及2臺4.2 MW燃氣鍋爐,主要為該數據中心及園區周邊提供冷、熱、電。采用稀薄燃燒技術結合選擇性催化還原技術(SCR)控制NOx排放,脫硝劑為尿素溶液。

機組運行較為規律,峰、平電時段(7：00—23：00)2臺機組運行,與市政電網相互支撐,谷電時段(23：00至次日7：00)停機。一般情況下單臺機組啟停機1次/d。其余3臺機組常年處于熱備狀態(即機組不切斷水電氣),確保市政斷電8 min內實現電力帶載,啟動后30 min穩定滿載運行,保障供能連續性及應急用電。

1.2 數據收集與測試

主要針對機組運行過程的排放特征進行研究,通過調取機組實時監控數據,獲取了2022年1月1#機組的煙氣自動監控系統(CEMS)信息。經數據識別,剔除因信息傳輸故障、監測儀器故障、停機過程中空氣過程系數較高導致折算濃度失真等因素引起的數據無效情況,采集到NOx、CO排放濃度有效的數據623組。

采用納氏試劑分光光度法測量煙氣中的NH3濃度。利用吸收裝置(由兩只串聯的裝有吸收液的250 mL多孔玻璃吸收瓶組成)采集煙氣中的NH3,且采集3個不同時段的煙氣組分。采樣流量為1 L/min,采樣30 min后,密封保存,回實驗室采用紫外可見分光光度計(UV-752)在波長420 nm處以水作參比,測定吸光度,根據校準曲線得出實測濃度,并折算為煙氣含氧量5%(體積分數)時的排放濃度。

1.3 運行方式的情景設置

通過調整運行方式,即固定式內燃機由“調峰模式”(情景1)改為“降負荷不停機”(情景2),考察運行方式對NOx排放量的影響。場景與運行基本參數設定見表1。

表1 運行方式的情景設置Table 1 The setting of simulated scenario

1.4 排放量核算方法

1.4.1 排放量

NOx排放量核算方法見式(1)和式(2)。

E=Ev×t×10-6

(1)

(2)

式中：E為排放量,t;t為運行時間,min;Ev為排放速率,g/min;V0為基準煙氣量,m3/h;C’為未開啟SCR時出口NOx折算質量濃度,mg/m3,滿負荷運行時取240 mg/m3,根據負荷變化,NOx折算質量濃度也會產生變化(見圖1(b))。

圖1 機組運行與NOx折算質量濃度曲線Fig.1 The characteristics of electric generator operation and converted NOx mass concentration

SCR系統穩定之后NOx折算質量濃度按式(3)計算。

Cout=(1-η)×C’

(3)

式中：Cout為SCR系統穩定后出口NOx折算質量濃度,mg/m3;η為SCR脫硝效率,考慮到SCR系統對NOx的轉化率為60%～90%[8],取75%。

1.4.2 煙氣量

該項目采用的氣源為陜甘寧天然氣,含94.70%(體積分數,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,低位熱值與高位熱值分別為34.16、37.98 MJ/m3[9]。為簡化計算,假設市政管道天然氣成分全部為CH4,采用CH4進行理論計算;燃氣設施產生的煙氣含氧量為x;空氣中O2體積分數為21%,其余為N2。根據式(4),設1 mol CH4燃燒需要4.76amol空氣,則煙氣中含氧量x可表示為式(5)。

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

(4)

(5)

由式(5)可得出式(6)。

(6)

則煙氣量可按照式(7)和式(8)計算。

(7)

(8)

式中：S為天然氣消耗量,m3/h;P為輸出功率,kW;38%為發電效率,采用文獻[10]中的經驗參數;0.1為折算系數,1 kW內燃機的天然氣消耗量為0.1 m3/h。

2 環境管理現狀

2.1 排放標準

關于內燃機的排放標準,國家層面只針對車用內燃機發布了標準,尚未制定固定式內燃機的相關標準。據原國家環境保護總局《關于內燃機瓦斯發電項目環境影響評價標準請示的復函》(環函〔2006〕359號)要求,使用《車用點燃式發動機及裝用點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》(GB 14762—2002)第二階段和《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB 17691—2005)中的大氣污染物排放控制要求進行環境影響評價,但以上兩項標準目前已廢止,且與固定污染源的管理存在明顯差異,指標體系混亂。

為適應北京市環境管理的需求,在缺少國標的前提下,原北京市環境保護局率先針對固定式內燃機排放和控制技術開展研究,并制定了《固定式內燃機大氣污染物排放標準》(DB11/ 1056—2013)。該標準執行后,北京市固定式內燃機項目通過再調試采用了稀薄燃燒技術使NOx的初始排放得到了有效控制,結合SCR工程減排,實現達標排放。其他地區尚未制定固定式內燃氣相關排放標準,則執行大氣污染物綜合排放標準。

2.2 達標判定依據

DB11/ 1056—2013排放標準中設置了顆粒物、NOx、CO和NH3的排放限值要求,但未明確“非正常情況”下的達標判定依據。

排污許可體系相關技術規范率先提出“非正常情況”下的達標判定依據。除不涉及燃燒設施的行業外,既有涉氣行業(包括火電、鋼鐵、水泥、石化、煉焦、電鍍等共19個行業)的排污許可證申請與核發技術規范已將干法脫硫、SCR脫硝無法同步投運的時段納入考慮,并設定了適合行業特征的啟動時段SO2和NOx豁免時長。但是關于固定式內燃機,尚未頒布專項排污許可規范,執行《排污許可證申請與核發技術規范 總則》(HJ 942—2018),對于“非正常情況”下的排放濃度合規判定方法中,要求“其他非正常情況導致污染物超標排放的,應立即停產整改”,這明顯不適用于燃氣內燃機啟停機等非正常時段。因此,現行的排污許可證相關規范可能導致固定式內燃機在執行層面存在缺失“非正常情況達標判定依據”的問題。

生態環境部頒布的其他固定源大氣污染源排放標準也未明確“非正常情況”下的達標判定依據。但是部分地區固定源排放標準會對啟停機的排放進行豁免,例如江蘇省《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》(DB32/ 3967—2021)明確規定了豁免時段——“固定式燃氣輪機啟動、停機的時段”,為固定式內燃機“非正常情況”下的達標判定依據的制定做出示范。

3 排放現狀分析

3.1 歷史數據分析

根據DB11/ 1056—2013,北京市固定式內燃機處理設施后煙囪中NOx、CO的1 h排放限值分別為75、800 mg/m3,據此對1#機組的排放數據進行分析,結果如圖2所示。在機組運行過程中,NOx與CO排放超標小時數分別為61、4 h,分別占有效小時數的9.8%、0.6%,且CO超標時間段NOx必超標。因此,NOx排放超標是固定式內燃機關鍵問題,后續主要針對NOx排放超標情況進行重點分析。

注：虛線為排放限值,圖3和圖4同;“1”“2”“3”分別為啟動超標、停機超標、正常運行超標。圖2 NOx與CO排放數據分析Fig.2 The concentration characteristics of NOx and CO

因啟動超標、停機超標、正常運行NOx超標的小時數分別為20、9、32,占NOx超標總小時數的33%、15%、52%。NOx排放濃度有效數據中,NOx小時質量濃度介于0～305 mg/m3,月均值為47.1 mg/m3。其中,NOx小時質量濃度在40～60 mg/m3區間比例最高,占41%,其次為0～20 mg/m3區間,占27%,這兩個區間的數據均為機組停機過程采集。NOx排放濃度符合正態分布,95%置信區間為[43.69 mg/m3,50.55 mg/m3]。

對NH3排放的濃度進行分析,結果顯示煙氣中NH3排放質量濃度為0.94 mg/m3,滿足DB11/ 1056—2013排放限值要求(2.5 mg/m3),屬于達標排放。

3.2 超標情況分析

為分析啟停機時NOx超標的原因,選取典型的啟動升負荷階段、停機降負荷階段,對SCR系統煙氣溫度、NOx折算濃度隨啟停機時間的變化趨勢進行分析。機組啟動過程NOx排放與啟動前后的狀態(如因長時間停機后冷啟動、運行故障非正常停機后的熱啟動)密切相關[11]76。從圖3(a)和圖3(b)可看出,內燃機啟動過程中,CEMS具有滯后性,SCR出口處NOx濃度大約有3～5 min的測量延遲。隨著內燃機負荷的增加,煙氣中NOx濃度迅速升高,特別是在熱啟動過程中,NOx濃度上升速度較快。同時,在冷啟動初期,由于SCR系統入口煙氣溫度低于催化劑的溫度窗口(320～550 ℃)下限,造成SCR系統啟動時間滯后于生產設備啟動時間。隨著煙氣溫度的提高,接近SCR反應溫度,噴氨系統啟動,調整過程中需經煙氣濃度檢測和氨制備等環節,造成一定延遲,本研究中約為3 min,隨后NOx濃度急速下降,實現達標排放。通常情況下,采用熱啟動且無調峰或調試、試驗需要時,機組能夠快速提升負荷,煙氣溫度迅速升高到SCR系統投運條件,縮短NOx超標排放的時長[11]80。

圖3 冷啟動、熱啟動與停機階段NOx隨時間變化趨勢Fig.3 NOx concentration characteristics during the cold-start-up,hot-start-up and shut down stages

為防止尿素溶液過噴結晶堵塞造成設備損壞,內燃機的關停滯后于SCR系統,造成停機過程中產生的煙氣與煙道內剩余的煙氣未經過SCR系統直接排放。從圖3(c)可看出,SCR系統關停后T1時間段煙氣濃度維持低位,達標排放,主要因為SCR系統至CEMS煙道內煙氣有所滯留,造成約5 min遲滯。T2時間段煙氣濃度大幅上升,主要因為內燃機至SCR系統煙道內煙氣排放至CEMS,由于SCR系統關閉,煙氣直排,NOx維持高位(約為450 mg/m3),且隨煙氣的排出逐步下降。

在正常運行狀態下也存在NOx超標,經分析,疑似為SCR催化劑老化,部分活性降低,從而導致NOx穿透催化劑層,致使NOx排放不穩定。

4 整改方案及評估

4.1 系統優化

針對啟動階段SCR不同步投運的問題,由于SCR催化劑本身具有一定的熱惰性,要達到溫度窗口下限需要一定的預熱時間,且如降低SCR的運行溫度至溫度窗口下限以下,煙氣主體中的硫酸氫銨蒸氣會在催化劑表面產生凝結,堵塞SCR催化劑表面吸附孔徑,造成催化劑失活。因此,SCR系統的啟動階段NOx排放超標現象會不可避免地產生。針對停機階段與正常運行狀態超標問題,減少NOx超標情況的控制策略如下：1)優化SCR系統停機控制邏輯調整,解決SCR不同步投運問題。在防止停機過程中出現尿素過噴的前提下,依據停機功率曲線對停機過程尿素噴量進行預測、校核,將功率信號接入SCR系統對尿素泵流量進行控制,實現SCR與內燃機停機連鎖,以確保停機過程中NOx始終達標排放。2)改造SCR系統,減少穩定工況超標情況。為減少穩定運行工況下超標情況,對SCR系統主體進行改造升級,通過增加SCR催化床層厚度,提高NH3/NO反應時間,提升SCR系統脫硝效率,減少NOx穿透。3)加強機組日常維護,減少故障停機。對機組進行預防性保養,最大程度減少故障停機次數。對容易影響機組初始NOx排放的火花塞、預燃室部件、增壓器等部件,縮短保養周期,降低故障停機頻率。

經過上述優化后,NOx排放濃度整體較為穩定,偶有升高也控制在排放限值之內,日常運行工況下超標現象能得到有效控制。由圖4可看出,輸出功率下降過程約3 min,CESM存在5～6 min的時間滯后,而后NOx快速下降,NOx均達標排放,有效改善了改造前停機過程中NOx超標現象。

圖4 系統優化后停機階段NOx變化趨勢Fig.4 NOx concentration characteristics during the shut down stages after system optimization

4.2 運行方式優化

針對啟停機的環境問題,分別考察了表1中兩種運行方式的排放速率,結果如圖5所示。對排放速率進行積分,核算出情景1、情景2的NOx日排放量分別為9.5、11.4 kg。情景2通過不停機操作避免了啟動時段的SCR不同步投運的問題,但在50%負荷下持續排放8 h,相比情景1造成了更多的NOx排放,并未提升環境效益。

圖5 不同運行方式的模擬結果Fig.5 Simulation results using different mode

5 結論與建議

5.1 結 論

1) 固定式內燃機得到了廣泛應用,但環境管理政策相對滯后。除北京市外,從國家到地方,尚未制定固定式內燃機的相關標準?，F行的排放標準、排污許可證技術規范并未明確“非正常情況”下的達標判定依據,導致固定式內燃機在執行層面存在缺失“非正常情況”達標判定依據的問題。

2) 調研期間,機組排放的NOx小時質量濃度介于0～305 mg/m3,月均值為47.1 mg/m3;NOx與CO均出現不同程度的超標現象,NOx與CO排放超標小時數分別為61、4 h,分別占有效小時數的9.8%、0.6%;NH3質量濃度為0.94 mg/m3,達標排放。SCR系統與生產設備不同步投運是造成內燃機啟動、停機階段超標的主要原因;正常運行狀態下,NOx排放超標的原因為SCR催化劑老化,部分活性降低,導致NOx穿透催化劑層,超標排放。

3) 由于要達到SCR催化劑溫度窗口下限需預熱時間,且溫度過低會導致硫酸氫銨凝結,造成催化劑失活。因此,SCR系統的啟動階段NOx排放超標現象會不可避免地產生。通過優化脫硝停機控制調整邏輯,可解決由于SCR不同步投運造成的停機過程NOx超標現象。通過增加SCR催化床層厚度可解決正常運行超標的問題。

4) “調峰模式”“調負荷不停機”兩種運行方式的NOx日排放量分別為9.5、11.4 kg,后者的排放量略高于前者,主要原因是不停機操作避免了啟動時段的SCR不同步投運的問題,但在50%負荷下持續排放8 h,造成了更多的NOx排放,并未提升環境效益。因此“調峰運行”仍為燃氣內燃機環境效應最佳的運行方式。

5.2 建 議

1) 從戰略角度考慮,應盡快制定國家層面的固定式內燃機排放標準,為固定式內燃機的運行提供排放依據。同時,在排放標準與排污許可管理體系中,明確固定式內燃機“非正常情況”下的達標判定依據。

2) 加強對內燃機、SCR系統的監控、優化與運行管理。重點關注正常運行狀態下NOx排放超標現象,對催化劑進行定期檢查、維護,及時進行更新,避免因為催化劑失效造成的排放超標現象。加強機組日常維護,減少故障停機。

3) 進一步加強脫硝技術的研發與應用。通過優化SCR系統停機控制邏輯,實現SCR系統與內燃機停機連鎖,縮短停機過程中SCR系統與內燃機停機間隔,改善停機過程中NOx超標現象。繼續探索、加快寬溫催化劑的研發,拓寬SCR催化劑的溫度窗口,滿足開機低溫條件下SCR系統運行需要。

4) 優化“調峰運行”方式。滿足電網調峰需求的前提下,優化“調峰運行”方式,合理安排多臺機組運行負荷分配,保證各機組安全運行與SCR系統正常的前提下,需停機的機組盡快降負荷,迅速停爐,盡量減少啟停機階段NOx超標排放時長,降低超標幅度。