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淺談中國內燃發電機組尾氣後處理現狀和發展方向

作者:
來源:
2017/05/21 20:14

  前 言

  内燃机的使用历史悠久,它具有热能利用率高,功率范围广,结构紧凑,启动快等特点,是目前使用率最高的热机。通过上百年的技术革新,使得内燃机作为动力机械的心脏应用于各个领域,其中与交流发电机匹配加上控制系统生产成各式发电机组,成为重要的电力供给和应急电源补充。在电力能源较为充足的地方,作为应急用电柴油發電機组是兼具可靠、经济、便捷特性的重要供电设施。但随之而来的内燃机尾气治理,却常被人们所忽视。全球变暖,大气污染,雾霾的反复出现,也促使我们开始思考中国目前内燃机为动力主力或者应急备用电源尾气后处理的现状和发展方向。

  目錄

  一、應用領域的分類

  二、發電機組主要市場分布

  三、排放法規關注什麽?

  四、應急電源尾氣治理現狀

  五、燃油對後處理的影響

  六、後處理的技術特點

  七、市場上的主流解決方案

  八、綠谷優于市場同類産品的尾氣治理七大方案

  一、應用領域的分類

  內燃機應急備用電源,即應急發電機組,

  從發電機組使用的燃料上主要分爲:柴油,汽油,燃氣三種;

  從發電機組使用的工況上分爲:常用機組,應急備用;

  從發電機組使用的場景上分爲:各種建築,醫院,學校,數據中心,機場,高鐵站,隧道,廠房,工礦油田,野外施工,熱電冷聯供,船舶,黑啓動,電源車等

  市場上較爲倡導的環保燃氣機組,從氣源上又分爲:天然氣,沼氣,煤層氣等。

  二、發電機組主要市場分布

  當前發電機組使用在各行各業,相對來說較爲分散。

  陆用方面,主要是指那些适用于陆地环境的柴油發電機组设备,随着国家电网的日益健全,曾经的主力担当不间断使用发电机组已经退居二线,逐渐成为对市电检修或者故障时一种补充。各种楼宇建筑的备用发电机组保障电梯和消防,工业厂房的发电机组保障生产过程的不断电,还有前述“一”中谈到各种应用场景,特别需要提出的是近年云计算、大数据的急剧发展引发数据中心的建设浪潮,数据中心是能源消耗大户,应急备用发电机组呈现台数多,单机功率超过1600kW居多,10.5kV高压输出等特点。一线城市的机场改扩建对应急发电机组需求方面也呈现功率大台数多高压输出等特点,也是一个功率范围在约在4kW-2.4MW;

  船用方面,推进动力用的发动机,船用电力包括常用船用柴油發電機组、应急船用柴油發電機组。

  電源車,使用在工況和不具備市電的場景下,電源車采用非電啓動及空氣爲冷卻介質的發動機,不但免除了蓄電池及風扇水箱的維護以及加注冷卻液的煩惱,而且能在極高、低溫和沙塵等惡劣的環境下工作。

  主力运行方面,岛礁、石油钻进平台和野外采矿施工方面,这些场景都是柴油發電機组作为主要电源供给来主力运行。

  三、排放法規關注什麽?

  目前國V柴油含量10ppm以下,柴油機尾氣中的SOx可以不用考慮,尾氣治理主要從C顆粒物;CO;HC;NOx四類汙染物入手,針對性采取三種不同手段進行治理,並確保發動機安全工作,不産生二次汙染。

  其中,去除CO;HC;NOx采用貴金屬催化劑在一定溫度下促使有害氣體進行適當的化學反應,汽車行業稱爲三元催化。

  PM碳顆粒物采用DPF物理過濾的方式去除,被動再生去除積碳時涉及催化氧化反應。

  四、應急電源尾氣治理現狀

  1、水喷淋箱和老机房改造:水喷淋箱作为传统柴油發電機组机房安装的标配,主要去除发动机尾气中部分颗粒物,存在生锈腐蚀、能耗大、效率低、形成严重二次污染、安全隐患大等问题。伴随着国家大气污染排放政策日益严格和人们环保意识的上升,各地纷纷开始将水喷淋改造为更加彻底且无二次污染的干式颗粒捕集器;

  2、排放要求促使柴油机排放升级:过去三十年,国内市场所累积下来的柴油發電機组保有量惊人,面对国家在2016年4月1日正式废止《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量办法(中国I,II阶段)》,国内新一轮的排放升级拉开帷幕,传统的去黑烟已经不能满足中国第III和将要执行的第IV 和V阶段排放法规要求,需要分别对发动机尾气中的PM ,CO ,HC ,NOx等进行单独或者综合治理。

  3、脱硝:燃氣發電機组尾气中的NOx处理。新兴的分布式能源燃气电站和煤层气、生物质沼气等燃氣發電機组在工作过程中产生的氮氧化合物NOx通常≥500mg/m³,现行的国家排放标准要求是在≤120mg/m³,这使得每台燃气机组都必须加装脱销后处理装置。

  五、燃油對後處理的影響

  國三標准柴油硫含量350ppm以下,國四標准柴油硫含量50ppm以下,國五標准柴油含硫量是10ppm,但有些地方柴油含硫量仍然高于2000ppm。我國已經于2017年1月1日起強制執行柴油國五標准。

  強調柴油油品的主要原因是,含硫量高的燃油燃燒産生的SOx,發動機尾氣處理裝置表面塗覆的貴金屬催化劑對SOx極其敏感,如SOx超標,將導致催化劑中毒,嚴重影響催化劑的工作效果,同時大大縮短催化劑使用壽命。

  在排放要求严格的地区,要求对发动机尾气进行治理,建议柴油發電機组使用国四以上柴油。

  六、後處理的技術特點

  1、DPF再生:DPF(Diesel Particulate Filter )柴油机尾气颗粒物捕集器,DPF的再生是指积累碳颗粒可以清除,重复使用。DPF再生包括主动再生和被动再生两种技术:传统的主动再生技术包括喷射燃油助燃再生,电加热再生,微波加热再生,红外加热再生,反吹再生等几种方式;被动再生技术包括合金金属DPF可以用水洗方式;与DOC搭配,贵金属涂层cDPF(贵金属涂层利用排气高温和尾气中的碳颗粒,CH,CO等反应生成无害的CO2和水);

  在DPF塗覆特殊配方的貴金屬催化劑,在合適的溫度情況下,DOC單元産生的NO2與DPF中的C産生化學反應

  反應的化學方程式如下:C+2NO2=CO2+2NO

  C+O2=CO2

  其中在DOC單元中去除CO和HC反應化學方程式如下:

  主要反應方程式如下:

  4HC+5O2=2H2O+4CO

  SOF+O2=H2O+CO

  2CO+O2=2CO2

  2NO+O2=2NO2

  C+O2=CO2

  2、高硫對催化劑的影響:如上述五裏提到的,尾氣硫含量過高,將對催化劑的工作産生極大的影響,需要保證柴油品質或者提前脫硫;

  3、低溫狀況下的再生:首先,柴油機排氣産生的黑煙,即PM碳顆粒物,再次燃點是600℃,備用發電機組是沒有辦法達到該溫度的,這時候可以采取兩種方法,一種是電加熱,將溫度升高到PM碳顆粒再次的起燃點,一種是DOC+cDPF,利用貴金屬催化劑,降低碳顆粒物CO,HC等物質的反應溫度,達到350℃即可。其次,NOx處理也需要溫度,排氣溫度在200℃時催化劑起活,在250-400℃區間時效果最佳。溫度對尾氣治理能夠達到的效果至關重要。

  七、市場上的主流解決方案

  1、陶瓷DPF:通常采用壁流式堇青石蜂窩陶瓷載體,純粹的物理過濾,陶瓷DPF體積至少是發動機排氣量的2-2.5倍,否則啓動背壓過大將導致發動機功率虧損,同時對發動機造成損傷,且陶瓷DPF在被PM碳顆粒物堵塞後清理較爲麻煩;

  2、DOC+DPF:DOC作用是在排氣溫度超過250℃後,在催化劑作用下與廢氣中PM,HC和CO等有害氣體發生氧化反應,同時有些廠家會在DPF表面塗覆貴金屬催化劑,這些都需要發電機組具有較高的排氣溫度。

  特別提示:

  貴金屬催化劑是主要的技術門檻之一,國內絕大多數從業者沒有催化劑的設計、研發、實驗和塗覆能力,沒有合理配方,造成處理效率大大降低;

  3、SCR脫硝:在200℃溫度下,尿素分解成NH3,在催化劑作用下,還原劑NH3在290-400℃下有選擇的將

  NO和NO2還原成N2,而幾乎不發生NH3與O2的氧化反應,從而提高了N2的選擇性,SCR系統由氨供應系統、氨氣噴射系統、溫度傳感系統、催化反應系統以及控制系統等組成。

  低溫情況下的脫硝是世界性難題。

  經綠谷技術和市場團隊長達一年多的多方調研,在目前國內電加熱系統還不成熟的前提下,衆多的靠在DPF前端加裝電加熱器來燃燒碳顆粒,塗覆催化劑助力反應,SCR脫硝系統,陶瓷DPF反吹再生等手段,都不能在備用應急電源的排氣溫度比較低的情況下有良好的表現。

  八、綠谷優于市場同類産品的尾氣治理七大方案

  綠谷淨化整合國內發動機和發電機組及歐美國家發動機排放研究相關領域的優質技術和市場資源,核心技術催化劑團隊從事發動機後處理研究超過二十余年,針對當前國內外主力和應急發電機組尾氣治理提出了七大方案。

  九、未來市場的展望

  中國目前對內燃機應急電源尾氣治理並沒有一個統一的國家排放標准,雖然北京上海等地已經出台了一些地方標准,但落地執行起來又是有所出入。國家當前強制執行的是《非道路移動機械用柴油機排氣汙染物排放限值及測量辦法(中國III階段)》,也就是我們常聽說的非道路國三,市場上保有和仍在售出的直噴柴油機都不能滿足該排放要求,需要從源頭上改裝爲電噴機或者加裝後處理裝置。

  不久的將來,非道路國四和國五標准也即將襲來,主要考核NOx排放,已是電噴的內燃機也需要加裝尾氣後處理才可以達到排放要求。非道路國五排放對內燃機的尾氣治理將有更嚴格的標准。這些政策將推動新一輪的舊機尾氣改造和新出廠發動機加裝尾氣後處理裝置。

  國家對于環保的重視和人民環保意識的提高,將會引領國內外發動機行業在後處理領域的不斷革新,內燃機和內燃發電機組行業的排放升級已經迫在眉睫,綠谷淨化希望和所有行業同仁,一起推動內燃應發電機組産業的綠色健康發展,爲恢複地球青山綠水,拯救我們人類自己貢獻一份力量!