固定式內(nèi)燃機發(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)設(shè)計
?
?
固定式內(nèi)燃機發(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)設(shè)計
?
摘要：隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，燃?xì)獍l(fā)電機組的NOx排放也被列入治理范圍。針對固定式燃?xì)獍l(fā)電機組特點，提出一種介于火電SCR系統(tǒng)與車用SCR系統(tǒng)的中間方案，設(shè)計了尿素噴射子系統(tǒng)、測量與控制子系統(tǒng)與催化消聲器，建立了尿素噴射量開環(huán)與閉環(huán)控制的算法，為燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組的NOx排放技術(shù)提供一種經(jīng)濟的解決方案。
關(guān)鍵詞：固定源；燃?xì)獍l(fā)電機；SCR系統(tǒng)；控制策略
?
引言
? ? ? ?內(nèi)燃機發(fā)電機組在通訊、電力、交通運輸、資源開發(fā)、國防等部門得到廣泛的應(yīng)用，是一種不可替代的電源設(shè)備，且在全球城市化的發(fā)展中扮演重要的能源供應(yīng)角色。燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組因其具有發(fā)電效率高、余熱回收利用率高、能安裝在建筑樓宇內(nèi)或樓宇近旁的機房內(nèi)、維護保養(yǎng)簡便等優(yōu)勢，在國內(nèi)外的分布式能源項目中得到普遍采用[1]。
? ? ? ?在燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組運行過程中，產(chǎn)生的二次污染物主要為煙氣氮氧化物（NOx）。隨著環(huán)保法規(guī)的加嚴(yán)，建筑物中的備用發(fā)電機組、實驗室發(fā)動機、分布式發(fā)電機組等尾氣排放均列入了整治范圍。資料顯示，國外內(nèi)燃機NOx排放濃度一般在250～500mg/m3，國產(chǎn)內(nèi)燃機NOx排放濃度一般為600-800mg/m3，部分工況超過1000mg/m3（基于5%氧含量），而依照北京市《固定往復(fù)活塞式內(nèi)燃機大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，煙氣中氮氧化物的排放不高于75mg /m[2]。隨著我國從“十二五”開始重點治理NOx排放并將其列入總量控制指標(biāo)，燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組的NOx排放狀況成為本領(lǐng)域中的一個關(guān)注點[3]。
? ? ? ?以往我國對燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組的研究主要集中發(fā)電效率的研究和熱電冷多聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)研究，而在煙氣排放方面的研究還不是很多。燃?xì)鈨?nèi)燃機氮氧化物排放濃度和燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t等燃?xì)庠O(shè)備相比，燃?xì)鈨?nèi)燃機NOx排放濃度的總體偏高。實現(xiàn)燃?xì)鈨?nèi)燃機的煙氣脫硝，一方面減少氮氧化物排放量可以減輕其對外環(huán)境的影響，另一方面建設(shè)單位減少排污費的繳納，實現(xiàn)企業(yè)和環(huán)境雙贏。
? ? ? ?選擇性催化還原技術(shù)（SCR）能夠大幅降低NOx排放，并可作為排放升級研發(fā)的持續(xù)性技術(shù)平臺，被國內(nèi)多數(shù)發(fā)動機企業(yè)作為作為降低NOx排放量的主流技術(shù)。目前車用SCR系統(tǒng)經(jīng)歷了從開環(huán)控制到閉環(huán)控制的研究歷程[4]。固定式燃?xì)獍l(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)目前并無固定的技術(shù)設(shè)計方案，在工程界尚無成熟案例可供參考。為此，本文針對燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組的特點，研究一種開環(huán)尿素噴射量算法，滿足變負(fù)荷工況時尿素噴射量的自動計算與排放監(jiān)測。同時控制系統(tǒng)對機組負(fù)載時刻監(jiān)測，當(dāng)判斷機組進入穩(wěn)態(tài)工況時，切換為閉環(huán)計算尿素噴射量的控制策略，設(shè)計出一種滿足工程實際需求的脫硝系統(tǒng)，以目標(biāo)排放濃度作為指標(biāo)，使得SCR系統(tǒng)在滿足法規(guī)的技術(shù)上以更經(jīng)濟的方式運行。
1 燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組特點及SCR系統(tǒng)工作原理
? ? ? SCR技術(shù)的基本原理是通過向排氣管內(nèi)噴入還原劑（32.5%的尿素水溶液），尿素經(jīng)過熱解、水解產(chǎn)生NH3和CO2，NH3與排氣中的NOx反應(yīng)生成N2排出，從而降低排氣中的NOx濃度，以達(dá)到法規(guī)要求。尿素SCR的基本反應(yīng)有：
1）尿素的分解反應(yīng)
HN2-CO-NH2→NH3+NHCO ???????????（1）
HNCO+H2O →NH3+CO2??????????????（2）
2）NH3與NOx的選擇催化反應(yīng)
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O ???????????（3）
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O ???????????（4）
8NH3+6NO2→7N2+12H2O ????????????（5）
? ? ? ?其中式（3）為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。式(4)為快速SCR反應(yīng)。發(fā)動機尾氣中NOx的主要成分為NO，快速SCR反應(yīng)在低溫環(huán)境下的反應(yīng)速率是SCR標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)的17倍，為提高NOx的轉(zhuǎn)化效率，常在催化器上游安裝一個預(yù)氧化裝置將部分NO先氧化成NO2[11]。當(dāng)NO2與NO的摩爾比例為1:1時發(fā)生式（4）為主的反應(yīng)；當(dāng)NOx中NO2的比例過高時，反而會導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率的下降，將主要按式（5）進行[5]。
? ? ? ?燃?xì)獍l(fā)發(fā)電機組具有排氣溫度高（>450℃）、運行時間長（>8000h）、余熱需要利用等特點。與燃油發(fā)動機相比，尾氣溫度要高100～150℃[6]，因此須采用SCR催化劑需要耐高溫、壽命長。有余熱回收的情況下，須注意分段回收，否則煙氣溫度過低，無法滿足中溫催化劑的工作窗口。
2 固定式燃?xì)獍l(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)設(shè)計
? ? ? ?固定式燃?xì)獍l(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)目前并無固定的技術(shù)設(shè)計方案，一般認(rèn)為其技術(shù)是介于火電SCR系統(tǒng)與車用SCR系統(tǒng)的一種中間方案。催化反應(yīng)器內(nèi)采用方塊形催化劑拼裝，可采用涂覆式或擠出式。催化器裝有前后排氣溫度傳感器、NOx/O2傳感器，噴射罐、計量泵與控制單元集成在一個機柜內(nèi)，可選裝背壓傳感器和尿素自動補充系統(tǒng)。尿素噴射子系統(tǒng)、測量與控制子系統(tǒng)與催化消聲器是其三大核心部件。典型的燃?xì)獍l(fā)電機組SCR系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 典型燃?xì)獍l(fā)電機組SCR系統(tǒng)
2.1尿素噴射子系統(tǒng)
? ? ? ?尿素噴射子系統(tǒng)是SCR系統(tǒng)中關(guān)鍵部分，根據(jù)原機排放濃度與排氣流量，計算出最大NH3需求量，進而推算出32.5%尿素噴射量，根據(jù)噴射量確定尿素計量泵型號。根據(jù)功率的不同，目前一般有采用車用尿素計量泵，或化工行業(yè)的機械隔膜泵，隔膜泵一般用于較大噴射量需求的場所（>15L/h），如小型鍋爐脫硝或船用發(fā)動機脫硝。
2.2 測量與控制子系統(tǒng)
? ? ? ?SCR系統(tǒng)中典型的信號有尿素噴射罐液位信號、排氣管背壓信號、機組功率信號、催化器前、后排溫信號，催化器前、后NOx/O2濃度信號等。其中，液位信號、背壓信號、排氣溫度信號通過模擬量方式采集，機組功率信號通過485通訊方式采集，NOx/O2信號通過CAN通訊方式采集。
? ? ? ?尿素計量泵通過CAN通訊控制與反饋狀態(tài)，尿素補充泵與報警燈通過數(shù)字量輸出經(jīng)繼電器控制。主控制器可采用PLC或485智能模塊，人機界面采用7寸真彩觸摸屏，典型的控制系統(tǒng)圖如4。
圖4 控制系統(tǒng)圖
? ? ? ?因固定源發(fā)電機組發(fā)動機排氣管直徑都較大，本系統(tǒng)采用的溫度傳感器，通過加長加粗，以滿足伸入排氣管1/3～1/2的長度和抗氣流沖擊的要求；NOx/O2傳感器采用車用24VSCR系統(tǒng)用傳感器，該NOx傳感器為德國進口品牌，其性能參數(shù)如表1。
?
表1 NOx傳感器性能參數(shù)表
|
參數(shù) |
測量范圍 |
精度 |
響應(yīng)時間 （33～66%） |
刷新率 |
|
NOx |
0～3000ppm |
@0ppm： ?±10ppm @100～1500ppm:±10% @1500～3000ppm:不明確 |
1300ms(新鮮態(tài)) 1650ms(老化態(tài)) |
50ms間隔 波特率250kbps |
|
O2 |
0-20.9% |
@λ=0.90：±1.4%（新鮮態(tài)） @0%（λ=1.00）：±0.13%（新鮮態(tài)） @0%（λ=1.00）：±0.25%（老化態(tài)） @13%（λ=2.65）：±0.32%（新鮮態(tài)） |
1000ms（新鮮態(tài)） 1300ms（老化態(tài)） |
? ? ? ?另外，NOx/O2傳感器的探頭很短，如果直接測量，只能測量到邊界層附近的尾氣中NOx濃度，沒有代表性，會造成尿素噴射誤差。為消除這種現(xiàn)象，本文采用均流探桿的方案，通過探桿測量管道中心部分的NOx濃度，作為控制策略的計算基準(zhǔn)之一。
煙氣流量的測量：
? ? ? ?理論上煙氣流量的測量有多種方式，但受到現(xiàn)實多種因素制約，能方便實施的往往只有兩種。一種是通過在后處理管道直管段上安裝排氣流量計測量，或通過測量實時電功率和排氣流量的對應(yīng)關(guān)系獲得排氣流量。排氣流量計能滿足高溫測量條件的有彎管流量計、靶式流量計、阿牛巴流量計、孔板流量計與錐形流量計；從體積、排氣阻力、成本上考慮本系統(tǒng)選用阿牛巴流量計測量實時尾氣流量。電功率反推尾氣流量測量法是從發(fā)電機控制器上通過485讀取電功率或自行安裝電壓、電流變送器測算電功率。另一種是通過實時測量尾氣中的NOx濃度，并根據(jù)排氣流量，計算出NOx的總含量。
? ? ? ?控制系統(tǒng)是脫硝系統(tǒng)的核心，與車用內(nèi)燃機采用MAP標(biāo)定尿素噴射量不同，大功率發(fā)動機難以用MAP法，原因在于機型多且雜，沒有批量作為支撐，標(biāo)定一個NOx排放表格成本高，費錢費力。此外各地氣源成分與品質(zhì)差異，也會造成排放數(shù)據(jù)差異。因此往往采用催化器前、后各1個NOx傳感器和溫度傳感器的方案。
? ? ? ?尿素水溶液的流向，當(dāng)噴射罐液位低時，控制系統(tǒng)輸出信號，啟動補充泵，尿素水溶液從儲罐補充到噴射罐中，達(dá)到設(shè)定的高液位時，控制系統(tǒng)切斷補充泵的電源。
?
2.3催化消聲器子系統(tǒng)
? ? ? ?催化消聲器是SCR系統(tǒng)中體積與成本最大的子系統(tǒng)，因燃?xì)獍l(fā)動機排氣溫度高，普通釩鎢態(tài)催化劑難以承受高溫，因此往往采用分子篩高溫催化劑。有余熱回收的發(fā)電機組可采用中溫釩鎢態(tài)催化劑。燃?xì)獍l(fā)電機組與完整的SCR系統(tǒng)，由管路（含傳感器）、測控及噴射一體柜與催化反應(yīng)器三大總成組成。
?
? ? ? 催化反應(yīng)器采取可側(cè)開蓋抽取式設(shè)計，內(nèi)部裝多層催化劑，平時裝用2層，當(dāng)需排放設(shè)計時，加裝1層；或經(jīng)過長時間的使用，第1層衰退，補充加裝1層以達(dá)到排放要求。如圖9所示。
圖9??SCR尾氣后處理系統(tǒng)
? ? ? ?本系統(tǒng)將尿素噴射罐、尿素計量泵、電控單元集成在一個1.6米的機柜內(nèi)，機柜門上設(shè)有1塊7英寸彩色觸摸屏、報警燈與電源指示燈。傳感器信號通過線束引進機柜、執(zhí)行器通過線束與管路從機柜內(nèi)引出。
圖10??SCR噴射測控一體柜
3?固定式燃?xì)獍l(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)控制策略
3.1?開環(huán)控制策略
? ? ? ?開環(huán)控制策略是基于模型的噴射量計算策略，基本計算公式為：
? ? ? ?尿素噴射量Q=排氣流量×入口NOx濃度×氨氮比×當(dāng)前溫度下的催化劑效率。
? ? ? ?對于恒功率運行的機組，一般采用直接輸入進氣流量或排氣流量的辦法，得到一個恒定的排氣流量，再與其他系數(shù)相乘，計算出尿素噴射量。
? ? ? ?變功率機組的排氣流量可通過阿牛巴流量計測量尾氣流量或通過讀取機組當(dāng)前功率計算排氣流量（基于發(fā)動機經(jīng)驗公式）。當(dāng)可以讀取到機組功率時，為節(jié)約成本，一般不裝阿牛巴流量計。
?
3.2 閉環(huán)控制策略
? ? ? ?按開環(huán)控制策略進行噴射，當(dāng)催化劑性能衰退時，還是按原方法計算噴射量，會造成脫硝率達(dá)不到目標(biāo)脫硝率，而且未反應(yīng)的NH3泄漏污染空氣。在催化劑沒衰退的情況下，也是按最佳性能進行噴射，有時排放數(shù)據(jù)會遠(yuǎn)低于環(huán)保要求，造成業(yè)主運行成本增加。
? ? ? ?為了克服以上缺陷，閉環(huán)控制策略采用下游NOx傳感器作為反饋，在控制系統(tǒng)中輸入目標(biāo)濃度?；陂_環(huán)控制策略的公式計算出尿素噴射量初始值，再進入PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，確保排放數(shù)據(jù)盡可能經(jīng)濟地達(dá)標(biāo)。
? ? ? ?需說明的事，因為NH3對NOx傳感器存在交叉敏感干擾現(xiàn)象，當(dāng)尾氣中的NH3流過NOx傳感器的測量腔時，會被傳感器內(nèi)部的高溫將NH3氧化為NOx，根據(jù)排氣溫度的不同，濃度為a ppm的NH3流過NOx傳感器測量腔時，NOx傳感器反饋出來的讀數(shù)在0.5～2.0a ppm之間，即NOx傳感器不但會測出尾氣中NOx的濃度，還會將尾氣中0.5～2.0a ppm的NH3濃度也測出來。如果在低脫硝率下，控制系統(tǒng)認(rèn)為脫硝率不足，會加大噴射量，噴射量越大，逃逸的NH3越多，下游NOx傳感器的讀數(shù)越大，控制系統(tǒng)又會進一步加大尿素噴射量，直至到尿素計量噴射泵的最大噴射能力。這種現(xiàn)象會造成嚴(yán)重的尿素浪費，管道結(jié)晶和催化器堵塞風(fēng)險，而且會造成環(huán)境污染。
? ? ? ?為了避免這種現(xiàn)象，本方案采用在測量探桿內(nèi)裝ASC催化劑的方案，對氨逃逸的干擾進行消除。在沒有NH3干擾NOx傳感器的情況下，進行PID閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。同時，為防止尿素過噴超出ASC的處理能力，閉環(huán)控制策略內(nèi)，對氨氮比進行限值，最大不超過1.2。
?
結(jié)論
? ? ? ?針對固定式燃?xì)獍l(fā)電機組脫硝系統(tǒng)無成熟工程案例的現(xiàn)狀，提出一種基于SCR催化器壓差計算排氣流量的模型，結(jié)合前饋計算方案，設(shè)計出一種開環(huán)控制策略，判斷機組進入穩(wěn)態(tài)工況后，切換為閉環(huán)反饋控制策略，為燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組的NOx排放技術(shù)提供一種經(jīng)濟的解決方案。
? ? ? ?采用本文設(shè)計的系統(tǒng)，解決了燃?xì)獍l(fā)電機組排放超標(biāo)的問題，峰值脫硝率>95%，有經(jīng)濟運行模式與效率運行模式。本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略也適用于柴油發(fā)電機組、垃圾填埋場沼氣發(fā)電、柴油消防泵組、發(fā)動機臺架試驗室等場合。
參考文獻
[1]何文深,陳建軍.固定源NOx排放控制技術(shù)研究進展[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2011,10:8-13.
[2]http://www.doc88.com/p-9949341192415.html
[3]孫李,喻志強.冷熱電聯(lián)供燃?xì)鈨?nèi)燃機分布式能源系統(tǒng)設(shè)計初探[J].低溫與超導(dǎo),2016,44(4)：67-78.
[4]王天田,顏伏伍,劉傳寶等.柴油機Urea_SCR系統(tǒng)尿素噴射控制策略研究[J].內(nèi)燃機工程,2015,36(4)：1-7.
[5]趙彥光.柴油機SCR技術(shù)尿素噴霧熱分解及氨存儲特性的試驗研究[D].北京:清華大學(xué),2012
[6]胡靜,趙彥光,陳婷等.重型柴油機尿素 SCR 后處理系統(tǒng)的控制策略研究[J].內(nèi)燃機工程,2011,32(2):1-5
[7]俞 妍，鄧成林，龐海龍等.基于模型的重型柴油車SCR 后處理系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略研究[J].車用發(fā)動機,2013,207(4):6-10.
[8]張丹,高頂云,郭甲生等.分布式能源系統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)電機組特性及選型原則[J].煤氣與熱力,2013,33(10):A20-A23.
[9]唐曉龍,,郝吉明,,徐文國等.固定源低溫選擇性催化還原NOx技術(shù)研究進展[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,25(10):1297-1305.
[10]龔惠娟,陳澤智,王夢秋.大功率垃圾填埋氣內(nèi)燃機發(fā)電機組氮氧化物排放研究[J].可再生能源,2015,33(4):604-607.
[11]胡杰,王立輝,王天田.柴油機Urea-SCR控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2016,47(2):349-356
基金項目：浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院院級科研：固定式燃?xì)獍l(fā)電機組尾氣脫硝SCR系統(tǒng)設(shè)計（KY201712）
作者簡介：葉燕仙（1982— ?），女，講師，碩士，汽車技術(shù)服務(wù)方向
?
?
