山东济华燃气有限公司 山东济南 250000
摘要：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。燃气的内燃机具有了能量转换效率高、对于发电负荷的波动适应性比较强、操作维护比较方便等特点。然而，由于内燃机的活塞式压缩燃烧方式，机组的本身无法实现低氮燃烧，这样导致了排气烟雾当中氮氧化物浓度偏高。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排放的控制及脱除提供分析参考。
关键词：分布式能源；燃气内燃机；发电机组；氮氧化物排放
前言
分布式能源系统就是指分布在客户端的小型综合能源供应系统。模块化集供热、电源、制冷于一体，满足了客户的热、冷、电需求，这样实现了能源的梯级利用。分配系统通常安装在用户的附近，因此污染物的排放成为了用户所关注的焦点。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。
1排放特性
1.1微燃机组
高温高压的烟气驱动涡轮机工作，驱动发电机进行发电。作为最早与最成功的微燃烧装置之一，Capstone系列微燃烧的装置集涡轮机、空气轴承、高效的蓄热器、高速永磁体发电、超低排放与高度集成的数字变流技术技术于一体。该系列在微燃机组中只有一个活动部件，结构比较紧凑，空气比较冷却，无润滑油和冷却液，运行维护的成本比较低，燃料的适应性比较强，模块化组装，烟气余热的利用价值也比较高。由于采用稀薄的燃烧技术，氮氧化物排放的体积分数小于9X10，可以满足了严格的环保要求，不需要脱硝处理。
1.2内燃机组
内燃机组的基本工作原理就是将气体与空气混合，在气缸之内进行燃烧，产生的高温高压烟气推动了活塞工作，然后通过曲柄连杆的机构或者其他机构输出了机械功来驱动发电机进行发电。采用稀薄的燃烧技术控制了缸内温度之时，往复活塞式内燃机组的主要部件就是曲柄连杆机构、缸体、冷却系统、缸盖、分配机构、进排气系统、气体系统、点火系统、润滑系统、起动装置、发电机等，标准的内燃机组的nox排放质量浓度(按照烟气的含氧量5%计算，下列计算的条件相同)为500mg/m3，氮氧化物的排放质量浓度可以控制在250mg/1T13左右。GB16297-1996《空气污染物综合排放标准》规定，新污染源氮氧化物的最高允许排放的质量浓度是240毫克/立方米，新污染源被解释为污染源的建立(包括扩建、新建与重建)。所以，对于氮氧化物排放的指数比较高的地区(如居民区、医院、商业区等)，有必要增加其烟气的脱硝装置。
2实验对象及测量方法
2.1实验对象
本研究以日本三菱商事公司生产的SGPM315、315kw气体燃料电池为研究的对象。具体的参数如下表1。
表1燃气内燃机主要技术参数
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2.2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。
3NOX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。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：
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NO2又通过以下反应转变成NO：
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表2天然气主要成分含量
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表3内燃机启机升负荷阶段烟气排放测试结果 表4内燃机停机降负荷阶段烟气排放测试结果
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天然气的内燃机分布式能源在供应系统之中的主要污染环节就是天然气的燃烧。高温的烟气膨胀推动了活塞做功产生了电能。将空气与天然气的混合物注入到汽缸，并且用火花塞进行点燃。由于缸内的压力比较高，特别就是在燃烧之后的定容准稳态过程当中，由于燃烧放热，缸内的压力迅速增加，使绝热的火焰温度显著得到升高。高温高压的燃烧环境会激活氧分子产生了更多的氧自由基，从而加速了氧的反应,从而使助燃空气中的N2向NO的转换。
4结果与分析
4.1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。
4.2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，排烟温度和流量的变化趋势。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，排烟温度和流量的变化趋势。
5结语
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，在满负荷运行的时候，氮氧化物排放的浓度比较高。由此可见，燃气的内燃机脱硝或者烟气污染物中的控制已经迫在眉睫。
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.