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產(chǎn)品與服務(wù)

分布式能源在NOx方面的優(yōu)勢及SCR煙氣脫硝

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分布式能源在NOx方面的優(yōu)勢及SCR煙氣脫硝

一、NOx的生成機理
1、熱力型NOx
熱力型NOx是燃燒時空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生，其中NO的生成過程是一個不分支連鎖反應(yīng)。
隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)溫度小于1300度時，熱力型NOx生成量很少，而當(dāng)穩(wěn)定高于1300度時，溫度每增加100度，反應(yīng)速率增加6~7倍，因此，溫度影響是所有影響熱力型NOx因素中強烈的，甚至超過了氧濃度和反應(yīng)時間的影響。
2、燃料型NOx
燃料型NOx是由燃料中的氮化物在燃燒中氧化而成。在煤粉燃燒中，由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600~800度時就會生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60~80%。
3、快速型NOx
快速型NOx又稱瞬態(tài)NOx，由于燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基可以和空氣中氮氣反應(yīng)生成HCN和H，再進(jìn)一步與氧氣反應(yīng)已極快的速度生成NOx，其形成時間只需要60ms，生成NOx的量與爐膛壓力有關(guān)，與反應(yīng)溫度關(guān)系不大。
二、影響NOx排放的主要因素
由上述NOx的生成機理可以看出，影響NOx排放量的主要因素包括燃料成分、反應(yīng)溫度、過量空氣系數(shù)、配風(fēng)比、設(shè)備運行方式等。
由于天然氣中的氮含量很低，燃燒過程中所生成的燃料型氮氧化物很少，一般忽略不計。因為，天然氣燃燒過程中生成的氮氧化合物主要是熱力型和快速型兩部分。天然氣作為燃煤、燃油的清潔替代燃料，近年來在全球一次能源結(jié)構(gòu)中的比重逐年上升，且有加速發(fā)展的趨勢。
三、對于燃?xì)忮仩t的研究
基于中國環(huán)境科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)研究所的文章《燃用天然氣鍋爐氮氧化物的排放特征與管理控制》，該文章中以64臺燃用天然氣鍋爐（≤30MW）氮氧化物的排放特征：通過對比分析，結(jié)果表明氮氧化物的平均排放濃度為243mg/m³，基于燃料消耗量的平均排放因子為27.83kg/10⁴m³,基于燃料發(fā)熱量的平均排放因子為76.89mg/J，與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國燃用天然氣鍋爐NOx的排放控制還具有相當(dāng)?shù)臐摿途嚯x。建議采取分階段控制的方式，逐步提高氮氧化物的排放限制，從而實現(xiàn)控源減排目標(biāo)。
四、國內(nèi)外關(guān)于內(nèi)燃機氮氧化物排放量的規(guī)定
1、上海市
參照上海天然氣三聯(lián)供燃?xì)鈨?nèi)燃機廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)《上海市工程建設(shè)規(guī)范—分布式功能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-115-2008J10602-2008）的條文說明中關(guān)于大氣污染防治方面的具體規(guī)范如下所示：

2、中國火電廠污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)

3、國際上內(nèi)燃機的排放標(biāo)準(zhǔn)

五、分布式系統(tǒng)的優(yōu)勢
相對于燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)的減排效果，對于燃?xì)鈨?nèi)燃機的NOx減排量，冬季NOx整體排放量比燃煤鍋爐和燃煤發(fā)電廠減少2.3-9g/Nm³,與燃?xì)忮仩t相比，燃?xì)鈨?nèi)燃機在一般情況下會減少整體排放量。對于緩解整體的環(huán)境污染，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)于燃?xì)忮仩t，且發(fā)電效率越高的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)減排效果越好。
下面可以通過一組數(shù)據(jù)對比來看出燃?xì)忮仩t和內(nèi)燃機在NOx方面的區(qū)別：
分別考慮分布式能源和供熱依靠燃?xì)忮仩t而供電依靠市電供給兩種模式。
1、分布式能源（依靠內(nèi)燃機提供）
發(fā)電部分：按照發(fā)電效率為40%計算，供給50kWh的電量需要提供449.6MJ的熱量，單純靠天然氣需要12.66m³（每立方米天然氣供給35.53MJ熱量）。
供熱部分：按照能量梯級利用原理,熱利用效率為35%計算，可以供給157MJ的熱量(折合43.75kWh的能量)。
即消耗12.66m³天然氣，可以提供50kWh的電量和43.75kWh的熱量。按照德國氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)500mg/m³（過量空氣系數(shù)為1）計算，得到總共的氮氧化物排放量為12.66g。如果按照瑞士和澳大利亞的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)250mg/m³（過量空氣系數(shù)為1）計算，得到總共的氮氧化物排放量為6.33g。
2、燃?xì)忮仩t+市電
供熱部分（燃?xì)忮仩t提供）：按照鍋爐效率為90%計算，供給43.75kWh的熱量，需要天然氣4.92 m³（每立方米天然氣供給35.53MJ熱量）。按照我國氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)100mg/m³（過量空氣系數(shù)為1）計算，得到總共的氮氧化物排放量為984.3mg。
用電部分（市電提供）：總共需要負(fù)荷50kWh，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，選用360g／（kWh）的煤耗量核算，得到耗用的煤量為18kg，按照下面的計算公式：
國家環(huán)?？偩帧蛾P(guān)于排污費征收核定有關(guān)工作的通知》（環(huán)發(fā)[2003]64號）中氮氧化物的計算方法假設(shè)了燃燒1kg煤產(chǎn)生10m³煙氣。
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—燃料中氮的轉(zhuǎn)化率，%。取70%
得出其氮氧化物的產(chǎn)生量為202.09g，再加上供熱部分得到的氮氧化物排放量984.3mg，其采用此種方法總共產(chǎn)生的氮氧化物排放量為203.08g。
綜上所述，通過以上兩種數(shù)據(jù)的計算對比得出：采用分布式能源在氮氧化物排放方面具有絕對的優(yōu)勢，對于國家的節(jié)能減排政策具有積極的意義。
六、煙氣中氮氧化物處理
由燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機發(fā)電的原理知道，空氣與燃?xì)庠谌紵龝r是有一定的比例的，假若按照這個理論配比進(jìn)行燃燒或是在這個理論配比中空氣更多一些，那么排放的尾氣中的幾種氣體的含量就會發(fā)生變化，如下圖所示，當(dāng)采用稀薄燃燒的時候，尾氣中碳?xì)浠衔?、碳氧化合物及氮氧化合物的含量相對是較低的，而目前國際上比較先進(jìn)的燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)就是利用稀薄燃燒，使燃料能得以充分燃燒，并且使之盡可能的降低尾氣中有害氣體的排放。而按理論配比進(jìn)行燃燒時，這幾種化合物的含量相對來說是較高的，在目前對排放要求越來越嚴(yán)的情況下，稀薄燃燒無疑會成為一種更加符合現(xiàn)代要求的技術(shù)。

圖2-10 空氣、燃?xì)馀浔扰c尾氣的排放曲線

實驗相關(guān)研究表明：在采用稀薄燃燒并使用SCR/OXI技術(shù)時，尾氣中氮氧化合物的含量是較低的。在運用稀薄燃燒并采用SCR/OXI技術(shù)時，可以將尾氣中氮氧化物的含量降到100 mg/Nm³以下，基本對大氣沒有污染。SCR系統(tǒng)組成：SCR本體、執(zhí)行系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)等組成。SCR/OXI系統(tǒng)中的反應(yīng)可以用以下幾個方程式表達(dá)：
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?xì)鈨?nèi)燃機尾氣處理SCR系統(tǒng)原理圖

典型的燃?xì)鈨?nèi)燃機尾氣處理SCR系統(tǒng)示意圖

由上圖可以看出，SCR技術(shù)中很重要的一個環(huán)節(jié)就是尿素噴淋，而尿素噴淋量的多少對煙氣中氮氧化物的含量影響很大，這其中的關(guān)系可以用下圖表示：

尿素噴淋量對煙氣中氮氧化物含量的影響

由上圖可以看出，當(dāng)發(fā)電機組排出的煙氣為2000gr時，只有在NH3的噴灑量為2000gr時，最后尾氣中氮氧化物的含量才為零，也就是只有比例為1:1時，效果好。在經(jīng)過SCR/OXI系統(tǒng)處理之后，尾氣中所有有害氣體的含量相對處理之前都有了一個大幅度的降低，這種尾氣不僅能夠滿足世界各國的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且非常環(huán)保。
七、高溫?zé)煔獾睦?br /> 從燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電機組出來的煙氣在經(jīng)過SCR/OXI技術(shù)處理后，尾氣中的主要成分變成了二氧化碳，而在煙氣進(jìn)入SCR/OXI系統(tǒng)之前，必須進(jìn)行降溫處理，保證進(jìn)入系統(tǒng)的煙氣的溫度不能超過500攝氏度，煙氣在經(jīng)過各系統(tǒng)前后的溫度變化如下圖所示。

煙氣在經(jīng)過各系統(tǒng)前后的溫度變化

由上圖可以看出，煙氣的溫度變化有兩次，而其實在煙氣溫度降低的過程中也包含了能量利用的過程，而且最后尾氣中富含的二氧化碳也是可以加以利用的。通過對溫度進(jìn)行梯級利用，實現(xiàn)能源利用較大化，達(dá)到節(jié)能減排的目的。
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