固定式内燃机发电机组尾气脱硝SCR系统设计
发布时间：
2019-07-09
随着排放法规日益严格，燃气发电机组的NOx排放也被列入治理范围。针对固定式燃气发电机组特点，提出一种介于火电SCR系统与车用SCR系统的中间方案，设计了尿素喷射子系统、测量与控制子系统与催化消声器，建立了尿素喷射量开环与闭环控制的算法，为燃气内燃机发电机组的NOx排放技术提供一种经济的解决方案
固定式内燃机发电机组尾气脱硝SCR系统设计
摘要：随着排放法规日益严格，燃气发电机组的NOx排放也被列入治理范围。针对固定式燃气发电机组特点，提出一种介于火电SCR系统与车用SCR系统的中间方案，设计了尿素喷射子系统、测量与控制子系统与催化消声器，建立了尿素喷射量开环与闭环控制的算法，为燃气内燃机发电机组的NOx排放技术提供一种经济的解决方案。
关键词：固定源；燃气发电机；SCR系统；控制策略
引言
内燃机发电机组在通讯、电力、交通运输、资源开发、国防等部门得到广泛的应用，是一种不可替代的电源设备，且在全球城市化的发展中扮演重要的能源供应角色。燃气内燃机发电机组因其具有发电效率高、余热回收利用率高、能安装在建筑楼宇内或楼宇近旁的机房内、维护保养简便等优势，在国内外的分布式能源项目中得到普遍采用[1]。
在燃气内燃机发电机组运行过程中，产生的二次污染物主要为烟气氮氧化物（NOx）。随着环保法规的加严，建筑物中的备用发电机组、实验室发动机、分布式发电机组等尾气排放均列入了整治范围。资料显示，国外内燃机NOx排放浓度一般在250～500mg/m3，国产内燃机NOx排放浓度一般为600-800mg/m3，部分工况超过1000mg/m3（基于5%氧含量），而依照北京市《固定往复活塞式内燃机大气污染物排放标准》要求，烟气中氮氧化物的排放不高于75mg /m[2]。随着我国从“十二五”开始重点治理NOx排放并将其列入总量控制指标，燃气内燃机发电机组的NOx排放状况成为本领域中的一个关注点[3]。
以往我国对燃气内燃机发电机组的研究主要集中发电效率的研究和热电冷多联供系统技术研究，而在烟气排放方面的研究还不是很多。燃气内燃机氮氧化物排放浓度和燃气轮机、燃气锅炉等燃气设备相比，燃气内燃机NOx排放浓度的总体偏高。实现燃气内燃机的烟气脱硝，一方面减少氮氧化物排放量可以减轻其对外环境的影响，另一方面建设单位减少排污费的缴纳，实现企业和环境双赢。
选择性催化还原技术（SCR）能够大幅降低NOx排放，并可作为排放升级研发的持续性技术平台，被国内多数发动机企业作为作为降低NOx排放量的主流技术。目前车用SCR系统经历了从开环控制到闭环控制的研究历程[4]。固定式燃气发电机组尾气脱硝SCR系统目前并无固定的技术设计方案，在工程界尚无成熟案例可供参考。为此，本文针对燃气内燃机发电机组的特点，研究一种开环尿素喷射量算法，满足变负荷工况时尿素喷射量的自动计算与排放监测。同时控制系统对机组负载时刻监测，当判断机组进入稳态工况时，切换为闭环计算尿素喷射量的控制策略，设计出一种满足工程实际需求的脱硝系统，以目标排放浓度作为指标，使得SCR系统在满足法规的技术上以更经济的方式运行。
1 燃气内燃机发电机组特点及SCR系统工作原理
SCR技术的基本原理是通过向排气管内喷入还原剂（32.5%的尿素水溶液），尿素经过热解、水解产生NH3和CO2，NH3与排气中的NOx反应生成N2排出，从而降低排气中的NOx浓度，以达到法规要求。尿素SCR的基本反应有：
1）尿素的分解反应
HN2-CO-NH2→NH3+NHCO （1）
HNCO+H2O →NH3+CO2 （2）
2）NH3与NOx的选择催化反应
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （3）
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O （4）
8NH3+6NO2→7N2+12H2O （5）
其中式（3）为标准SCR反应。式(4)为快速SCR反应。发动机尾气中NOx的主要成分为NO，快速SCR反应在低温环境下的反应速率是SCR标准反应的17倍，为提高NOx的转化效率，常在催化器上游安装一个预氧化装置将部分NO先氧化成NO2[11]。当NO2与NO的摩尔比例为1:1时发生式（4）为主的反应；当NOx中NO2的比例过高时，反而会导致NOx转化效率的下降，将主要按式（5）进行[5]。
燃气发发电机组具有排气温度高（>450℃）、运行时间长（>8000h）、余热需要利用等特点。与燃油发动机相比，尾气温度要高100～150℃[6]，因此须采用SCR催化剂需要耐高温、寿命长。有余热回收的情况下，须注意分段回收，否则烟气温度过低，无法满足中温催化剂的工作窗口。
2 固定式燃气发电机组尾气脱硝SCR系统设计
固定式燃气发电机组尾气脱硝SCR系统目前并无固定的技术设计方案，一般认为其技术是介于火电SCR系统与车用SCR系统的一种中间方案。催化反应器内采用方块形催化剂拼装，可采用涂覆式或挤出式。催化器装有前后排气温度传感器、NOx/O2传感器，喷射罐、计量泵与控制单元集成在一个机柜内，可选装背压传感器和尿素自动补充系统。尿素喷射子系统、测量与控制子系统与催化消声器是其三大核心部件。典型的燃气发电机组SCR系统如图1所示。
图1 典型燃气发电机组SCR系统
2.1尿素喷射子系统
尿素喷射子系统是SCR系统中关键部分，根据原机排放浓度与排气流量，计算出最大NH3需求量，进而推算出32.5%尿素喷射量，根据喷射量确定尿素计量泵型号。根据功率的不同，目前一般有采用车用尿素计量泵，或化工行业的机械隔膜泵，隔膜泵一般用于较大喷射量需求的场所（>15L/h），如小型锅炉脱硝或船用发动机脱硝。
2.2 测量与控制子系统
SCR系统中典型的信号有尿素喷射罐液位信号、排气管背压信号、机组功率信号、催化器前、后排温信号，催化器前、后NOx/O2浓度信号等。其中，液位信号、背压信号、排气温度信号通过模拟量方式采集，机组功率信号通过485通讯方式采集，NOx/O2信号通过CAN通讯方式采集。
尿素计量泵通过CAN通讯控制与反馈状态，尿素补充泵与报警灯通过数字量输出经继电器控制。主控制器可采用PLC或485智能模块，人机界面采用7寸真彩触摸屏，典型的控制系统图如4。
图4 控制系统图
因固定源发电机组发动机排气管直径都较大，本系统采用的温度传感器，通过加长加粗，以满足伸入排气管1/3～1/2的长度和抗气流冲击的要求；NOx/O2传感器采用车用24VSCR系统用传感器，该NOx传感器为德国进口品牌，其性能参数如表1。
表1 NOx传感器性能参数表
|
参数 |
测量范围 |
精度 |
响应时间 （33～66%） |
刷新率 |
|
NOx |
0～3000ppm |
@0ppm： ±10ppm @100～1500ppm:±10% @1500～3000ppm:不明确 |
1300ms(新鲜态) 1650ms(老化态) |
50ms间隔 波特率250kbps |
|
O2 |
0-20.9% |
@λ=0.90：±1.4%（新鲜态） @0%（λ=1.00）：±0.13%（新鲜态） @0%（λ=1.00）：±0.25%（老化态） @13%（λ=2.65）：±0.32%（新鲜态） |
1000ms（新鲜态） 1300ms（老化态） |
另外，NOx/O2传感器的探头很短，如果直接测量，只能测量到边界层附近的尾气中NOx浓度，没有代表性，会造成尿素喷射误差。为消除这种现象，本文采用均流探杆的方案，通过探杆测量管道中心部分的NOx浓度，作为控制策略的计算基准之一。
烟气流量的测量：
理论上烟气流量的测量有多种方式，但受到现实多种因素制约，能方便实施的往往只有两种。一种是通过在后处理管道直管段上安装排气流量计测量，或通过测量实时电功率和排气流量的对应关系获得排气流量。排气流量计能满足高温测量条件的有弯管流量计、靶式流量计、阿牛巴流量计、孔板流量计与锥形流量计；从体积、排气阻力、成本上考虑本系统选用阿牛巴流量计测量实时尾气流量。电功率反推尾气流量测量法是从发电机控制器上通过485读取电功率或自行安装电压、电流变送器测算电功率。另一种是通过实时测量尾气中的NOx浓度，并根据排气流量，计算出NOx的总含量。
控制系统是脱硝系统的核心，与车用内燃机采用MAP标定尿素喷射量不同，大功率发动机难以用MAP法，原因在于机型多且杂，没有批量作为支撑，标定一个NOx排放表格成本高，费钱费力。此外各地气源成分与品质差异，也会造成排放数据差异。因此往往采用催化器前、后各1个NOx传感器和温度传感器的方案。
尿素水溶液的流向，当喷射罐液位低时，控制系统输出信号，启动补充泵，尿素水溶液从储罐补充到喷射罐中，达到设定的高液位时，控制系统切断补充泵的电源。
2.3催化消声器子系统
催化消声器是SCR系统中体积与成本最大的子系统，因燃气发动机排气温度高，普通钒钨态催化剂难以承受高温，因此往往采用分子筛高温催化剂。有余热回收的发电机组可采用中温钒钨态催化剂。燃气发电机组与完整的SCR系统，由管路（含传感器）、测控及喷射一体柜与催化反应器三大总成组成。
催化反应器采取可侧开盖抽取式设计，内部装多层催化剂，平时装用2层，当需排放设计时，加装1层；或经过长时间的使用，第1层衰退，补充加装1层以达到排放要求。如图9所示。
图9 SCR尾气后处理系统
本系统将尿素喷射罐、尿素计量泵、电控单元集成在一个1.6米的机柜内，机柜门上设有1块7英寸彩色触摸屏、报警灯与电源指示灯。传感器信号通过线束引进机柜、执行器通过线束与管路从机柜内引出。
图10 SCR喷射测控一体柜
3 固定式燃气发电机组尾气脱硝SCR系统控制策略
3.1 开环控制策略
开环控制策略是基于模型的喷射量计算策略，基本计算公式为：
尿素喷射量Q=排气流量×入口NOx浓度×氨氮比×当前温度下的催化剂效率。
对于恒功率运行的机组，一般采用直接输入进气流量或排气流量的办法，得到一个恒定的排气流量，再与其他系数相乘，计算出尿素喷射量。
变功率机组的排气流量可通过阿牛巴流量计测量尾气流量或通过读取机组当前功率计算排气流量（基于发动机经验公式）。当可以读取到机组功率时，为节约成本，一般不装阿牛巴流量计。
3.2 闭环控制策略
按开环控制策略进行喷射，当催化剂性能衰退时，还是按原方法计算喷射量，会造成脱硝率达不到目标脱硝率，而且未反应的NH3泄漏污染空气。在催化剂没衰退的情况下，也是按最佳性能进行喷射，有时排放数据会远低于环保要求，造成业主运行成本增加。
为了克服以上缺陷，闭环控制策略采用下游NOx传感器作为反馈，在控制系统中输入目标浓度。基于开环控制策略的公式计算出尿素喷射量初始值，再进入PID闭环调节控制，确保排放数据尽可能经济地达标。
需说明的事，因为NH3对NOx传感器存在交叉敏感干扰现象，当尾气中的NH3流过NOx传感器的测量腔时，会被传感器内部的高温将NH3氧化为NOx，根据排气温度的不同，浓度为a ppm的NH3流过NOx传感器测量腔时，NOx传感器反馈出来的读数在0.5～2.0a ppm之间，即NOx传感器不但会测出尾气中NOx的浓度，还会将尾气中0.5～2.0a ppm的NH3浓度也测出来。如果在低脱硝率下，控制系统认为脱硝率不足，会加大喷射量，喷射量越大，逃逸的NH3越多，下游NOx传感器的读数越大，控制系统又会进一步加大尿素喷射量，直至到尿素计量喷射泵的最大喷射能力。这种现象会造成严重的尿素浪费，管道结晶和催化器堵塞风险，而且会造成环境污染。
为了避免这种现象，本方案采用在测量探杆内装ASC催化剂的方案，对氨逃逸的干扰进行消除。在没有NH3干扰NOx传感器的情况下，进行PID闭环控制调节。同时，为防止尿素过喷超出ASC的处理能力，闭环控制策略内，对氨氮比进行限值，最大不超过1.2。
结论
针对固定式燃气发电机组脱硝系统无成熟工程案例的现状，提出一种基于SCR催化器压差计算排气流量的模型，结合前馈计算方案，设计出一种开环控制策略，判断机组进入稳态工况后，切换为闭环反馈控制策略，为燃气内燃机发电机组的NOx排放技术提供一种经济的解决方案。
采用本文设计的系统，解决了燃气发电机组排放超标的问题，峰值脱硝率>95%，有经济运行模式与效率运行模式。本文系统结构与控制策略也适用于柴油发电机组、垃圾填埋场沼气发电、柴油消防泵组、发动机台架试验室等场合。
参考文献
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基金项目：浙江农业商贸职业学院院级科研：固定式燃气发电机组尾气脱硝SCR系统设计（KY201712）
作者简介：叶燕仙（1982— ），女，讲师，硕士，汽车技术服务方向
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