分布式能源在NOx方面的优势及SCR烟气脱硝

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一、NOx的生成机理
1、热力型NOx
热力型NOx是燃烧时空气中氮在高温下氧化产生，其中NO的生成过程是一个不分支连锁反应。
随着反应温度的升高，反应速率按指数规律增加。当温度小于1300度时，热力型NOx生成量很少，而当稳定高于1300度时，温度每增加100度，反应速率增加6~7倍，因此，温度影响是所有影响热力型NOx因素中强烈的，甚至超过了氧浓度和反应时间的影响。
2、燃料型NOx
燃料型NOx是由燃料中的氮化物在燃烧中氧化而成。在煤粉燃烧中，由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600~800度时就会生成燃料型NOx，它在煤粉燃烧NOx产物中占60~80%。
3、快速型NOx
快速型NOx又称瞬态NOx，由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和H，再进一步与氧气反应已极快的速度生成NOx，其形成时间只需要60ms，生成NOx的量与炉膛压力有关，与反应温度关系不大。
二、影响NOx排放的主要因素
由上述NOx的生成机理可以看出，影响NOx排放量的主要因素包括燃料成分、反应温度、过量空气系数、配风比、设备运行方式等。
由于天然气中的氮含量很低，燃烧过程中所生成的燃料型氮氧化物很少，一般忽略不计。因为，天然气燃烧过程中生成的氮氧化合物主要是热力型和快速型两部分。天然气作为燃煤、燃油的清洁替代燃料，近年来在全球一次能源结构中的比重逐年上升，且有加速发展的趋势。
三、对于燃气锅炉的研究
基于中国环境科学研究院标准研究所的文章《燃用天然气锅炉氮氧化物的排放特征与管理控制》，该文章中以64台燃用天然气锅炉（≤30MW）氮氧化物的排放特征：通过对比分析，结果表明氮氧化物的平均排放浓度为243mg/m³，基于燃料消耗量的平均排放因子为27.83kg/10⁴m³,基于燃料发热量的平均排放因子为76.89mg/J，与欧美发达国家相比，我国燃用天然气锅炉NOx的排放控制还具有相当的潜力和距离。建议采取分阶段控制的方式，逐步提高氮氧化物的排放限制，从而实现控源减排目标。
四、国内外关于内燃机氮氧化物排放量的规定
1、上海市
参照上海天然气三联供燃气内燃机废气排放标准《上海市工程建设规范—分布式功能系统工程技术规程》（DG/TJ08-115-2008J10602-2008）的条文说明中关于大气污染防治方面的具体规范如下所示：

2、中国火电厂污染物的排放标准

3、国际上内燃机的排放标准

五、分布式系统的优势
相对于燃煤分产系统的减排效果，对于燃气内燃机的NOx减排量，冬季NOx整体排放量比燃煤锅炉和燃煤发电厂减少2.3-9g/Nm³,与燃气锅炉相比，燃气内燃机在一般情况下会减少整体排放量。对于缓解整体的环境污染，天然气冷热电联供系统优于燃气锅炉，且发电效率越高的天然气冷热电联供系统减排效果越好。
下面可以通过一组数据对比来看出燃气锅炉和内燃机在NOx方面的区别：
分别考虑分布式能源和供热依靠燃气锅炉而供电依靠市电供给两种模式。
1、分布式能源（依靠内燃机提供）
发电部分：按照发电效率为40%计算，供给50kWh的电量需要提供449.6MJ的热量，单纯靠天然气需要12.66m³（每立方米天然气供给35.53MJ热量）。
供热部分：按照能量梯级利用原理,热利用效率为35%计算，可以供给157MJ的热量(折合43.75kWh的能量)。
即消耗12.66m³天然气，可以提供50kWh的电量和43.75kWh的热量。按照德国氮氧化物的排放标准500mg/m³（过量空气系数为1）计算，得到总共的氮氧化物排放量为12.66g。如果按照瑞士和澳大利亚的氮氧化物排放标准250mg/m³（过量空气系数为1）计算，得到总共的氮氧化物排放量为6.33g。
2、燃气锅炉+市电
供热部分（燃气锅炉提供）：按照锅炉效率为90%计算，供给43.75kWh的热量，需要天然气4.92 m³（每立方米天然气供给35.53MJ热量）。按照我国氮氧化物的排放标准100mg/m³（过量空气系数为1）计算，得到总共的氮氧化物排放量为984.3mg。
用电部分（市电提供）：总共需要负荷50kWh，根据相关数据，选用360g／（kWh）的煤耗量核算，得到耗用的煤量为18kg，按照下面的计算公式：
国家环保总局《关于排污费征收核定有关工作的通知》（环发[2003]64号）中氮氧化物的计算方法假设了燃烧1kg煤产生10m³烟气。
G_NOx=1.63×B×（N×β+0.000938）
G_NOx—氮氧化物排放量，kg；B–消耗的燃煤（油）量，kg；
N–燃料中的含氮量，%；取0.85%。
β—燃料中氮的转化率，%。取70%
得出其氮氧化物的产生量为202.09g，再加上供热部分得到的氮氧化物排放量984.3mg，其采用此种方法总共产生的氮氧化物排放量为203.08g。
综上所述，通过以上两种数据的计算对比得出：采用分布式能源在氮氧化物排放方面具有绝对的优势，对于国家的节能减排政策具有积极的意义。
六、烟气中氮氧化物处理
由燃气内燃发电机发电的原理知道，空气与燃气在燃烧时是有一定的比例的，假若按照这个理论配比进行燃烧或是在这个理论配比中空气更多一些，那么排放的尾气中的几种气体的含量就会发生变化，如下图所示，当采用稀薄燃烧的时候，尾气中碳氢化合物、碳氧化合物及氮氧化合物的含量相对是较低的，而目前国际上比较先进的燃气发电技术就是利用稀薄燃烧，使燃料能得以充分燃烧，并且使之尽可能的降低尾气中有害气体的排放。而按理论配比进行燃烧时，这几种化合物的含量相对来说是较高的，在目前对排放要求越来越严的情况下，稀薄燃烧无疑会成为一种更加符合现代要求的技术。

图2-10 空气、燃气配比与尾气的排放曲线

实验相关研究表明：在采用稀薄燃烧并使用SCR/OXI技术时，尾气中氮氧化合物的含量是较低的。在运用稀薄燃烧并采用SCR/OXI技术时，可以将尾气中氮氧化物的含量降到100 mg/Nm³以下，基本对大气没有污染。SCR系统组成：SCR本体、执行系统、采样系统、控制系统、储存系统等组成。SCR/OXI系统中的反应可以用以下几个方程式表达：
6NO + 4NH₃ = 5N₂ + 6H₂O 4N + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O
6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O 2NO₂ + 4NH₃ + O₂ = 3N₂ + 6H₂O
NO + NO₂ +2NH₃ = 2N₂ + 3H₂OCO+O₂=CO₂
2C₂H₂+3O₂=2CO₂+2H₂O

典型的燃气内燃机尾气处理SCR系统原理图

典型的燃气内燃机尾气处理SCR系统示意图

由上图可以看出，SCR技术中很重要的一个环节就是尿素喷淋，而尿素喷淋量的多少对烟气中氮氧化物的含量影响很大，这其中的关系可以用下图表示：

尿素喷淋量对烟气中氮氧化物含量的影响

由上图可以看出，当发电机组排出的烟气为2000gr时，只有在NH3的喷洒量为2000gr时，最后尾气中氮氧化物的含量才为零，也就是只有比例为1:1时，效果好。在经过SCR/OXI系统处理之后，尾气中所有有害气体的含量相对处理之前都有了一个大幅度的降低，这种尾气不仅能够满足世界各国的排放标准，而且非常环保。
七、高温烟气的利用
从燃气内燃机发电机组出来的烟气在经过SCR/OXI技术处理后，尾气中的主要成分变成了二氧化碳，而在烟气进入SCR/OXI系统之前，必须进行降温处理，保证进入系统的烟气的温度不能超过500摄氏度，烟气在经过各系统前后的温度变化如下图所示。

烟气在经过各系统前后的温度变化

由上图可以看出，烟气的温度变化有两次，而其实在烟气温度降低的过程中也包含了能量利用的过程，而且最后尾气中富含的二氧化碳也是可以加以利用的。通过对温度进行梯级利用，实现能源利用较大化，达到节能减排的目的。
汉蓝万纯固定源脱硝系统