燃气内燃机污染物排放特性及全生命周期碳排放研究

国旭涛，韩高岩，刘 虎，孙五一，李金芳

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

现阶段，由于日益严重的环境问题和能源消耗问题，分布式能源系统已成为目前能源发展的一大热点[1]。天然气作为清洁高效的低碳能源，可有效改善环境、减少碳排放、优化能源结构，因此，国家发改委发布的《关于加快推进天然气利用的意见》明确要求了大力发展天然气分布式能源示范项目。

通过燃气内燃机组燃烧发电、余热利用溴化锂制冷机组等设备进行回收利用是能源实现梯级利用的方式之一[2-4]，也是目前数据中心、医院等用户的主要供能方式[5-6]。在燃气内燃机组运行过程中，主要产生的大气污染物是NOX（氮氧化物），伴随有少量SO2和CH4等气体。而随着我国从“十二五”开始NOX，NOX和SO2已成为内燃机重要的大气污染物控制指标，同时，CO 和CH4是表征内燃机燃烧状态的气体成分。

为了改善内燃机的大气污染物排放情况，很多学者对内燃机的大气污染物控制措施进行了研究。方敬学[7]对内燃机的CO2，NOX，SOX和碳氢化合物等大气污染物的排放控制措施进行了深度分析。曹艳芳[8]对瓦斯电站燃气内燃机烟气脱硝方案进行了技术对比。楚育纯等人[9]研究了氨-丙烷双燃料在往复式四冲程发动机中的排放产物，结果表明，丙烷作为助燃剂时的CO2排放与柴油、汽油相比更低，而且掺氨可以减少丙烷47%～55%的CO2排放，主要取决于掺氨的比例。王纪晔等人[10]比较了过量空气、烟气、水蒸气3种稀释剂对天然气扩散燃烧的影响，发现随着稀释剂吸热功率的增加，NOX生成量减少。朱庚富等人[11]采用AERMOD 烟羽扩散模式模拟了燃气内燃机NOX等污染物排放对周边建筑物不同楼层的影响，发现对近距离高于排气筒高度一定范围内的楼层，NOX的排放影响较大。

以上学者的研究大多集中在内燃机大气污染物的控制与治理方面，未对燃气内燃机组的NOX，SO2的排放状态和燃料气的燃烧情况进行分析。因此，本文对不同负荷率、不同缸温条件下的烟气中NOX，SO2，CO 和CH4含量进行了测量分析，并讨论了天然气分布式冷电联供、“煤+电”和光伏发电3 种不同供能方式下的全生命周期能耗与二氧化碳排放情况。

1 机组概况与试验

1.1 机组概况

某能源站有1×4 275 kW 级燃气内燃机（以下简称“内燃机”），配套1×4 505 kW 级烟气热水型双效溴化锂吸收式制冷机（以下简称“溴化锂”），机组主要技术参数如表1 所示。

使用日本Horiba 生产的PG-350 烟气分析仪和德国MRU 生产的NOVA 烟气分析仪分别测定内燃机不同负荷（50%，75%和100%）、不同缸温（288 ℃，285 ℃，283 ℃和279 ℃）下排放的NOX，SO2，CO，CO2，O2及HC（进入脱硝装置前），并计算内燃机的发电效率。试验工况如表2 所示。

1.2 天然气气体组分分析

天然气是一种复杂的混合物，主要包含CH4，C2H6等可燃气体，还有极少量N2和CO2等不可燃气体。天然气气质分析结果如表3 所示。CH4是天然气中主要的可燃成分，其辛烷值高、抗爆性能强，可使用较大的压缩比来获得较高的热效率，但是火焰传播速度小，燃烧速度慢，燃烧持续周期延长[12-13]。

表1 机组主要技术参数

表2 试验工况

表3 天然气气质分析结果

2 试验结果与分析

2.1 不同负荷率对污染物排放的影响

内燃机所消耗空气或燃料中的氮都是以无机物N2的形式存在，分子键能高，需要高温工作环境才能使氮分子分解成氮原子[14]。根据Zeldovich提出的热力型NOX生成机理，当温度T>1 300 ℃时，热力型NOX的反应速率将随温度T 的升高而按指数规律增加。内燃机缸内最高火焰温度可达1 500～1 800 ℃，主要产生的是热力型NOX。经过研究，瞬时性NOX对内燃机整个NOX的生成过程贡献不大[15]。因此，影响内燃机NOX生成的3个主要因素是燃烧温度、氧气浓度和高温富氧持续的时间[16]。内燃机排放的NOX中NO 占主导地位，但受烟气中O2影响，极易反应生成NO2，因此采用NOX进行表征。

不同负荷率下内燃机的NOX和SO2排放情况如图1 所示，NOX和SO2排放量均已折算至5%氧量情况下。由图1 看出，随着负荷率从50%增加至100%，NOX排放量（含氧量5%） 下降63.85%，SO2排放量（含氧量5%）增加22.80%。当机组中高负荷时，虽然温度和高温富氧持续时间都随负荷增加有所提高，但是氧浓度的下降限制了NOX的生成速率，从而导致NOX生成量降低。烟气中SO2来源于燃料中H2S 组分，而经过净化处理，天然气中所含H2S 含量极低。SO2排放量的变化可能是由于高温富氧持续时间增加造成SO2生成率提高所致[17]。

图1 负荷率对内燃机排放的影响

2.2 不同负荷率对CO 和CH4 气体的影响

对于内燃机排放的CO 和CH4，CO 来自燃料的不完全燃烧，CH4来自燃料中未燃尽的CH4。因此，可以使用CO 和CH4排放量分析内燃机内燃料的燃烧情况。在混合均匀、气相燃烧的点燃式内燃机中，生成CH4的主要因素为：壁面火焰淬熄、冷启动、暖机及怠速等工况下未燃CH4。由狭隙效应造成的CH4等排放可占总量的50%～70%[18]。

综上所述，我国的社会主义经济发展正处于极为关键的时刻，保证电力系统的安全生产不仅关系到国家的发展，更关系到我国社会居民日常生活中的各个方面。电力公司应该根据不同的问题作出针对性的解决方案，采用不同的措施展开电力生产安全监督和管理。要进一步加大对电力生产的监督力度，严格执行公司内部制定的安全生产管理规范，做到赏罚分明，提高电力安全生产监督管理工作的科学性、实用性和规范性。保障电力供应，也是我国发展的重要保障之一，应该受到电力公司以及国家的重视，而电力系统安全生产过程监督管理机制是整个电力事业发展的重中之重。只有足够的重视这一机制，我国的电力事业才能够得到长远的发展。

由图2 可以看出，不同负荷工况下内燃机的CH4排放值比较低，仅有0.08%～0.90%，这是由天然气燃料的特性所决定的。天然气与空气形成良好的混合气，燃烧比较充分，不存在油膜吸附等问题，同时，天然气分子量比较小，使得造成CH4排放的冷激效应、狭隙效应等发生的可能性降低。随着内燃机负荷从50%负荷率提高到100%负荷率，排放的CO 和CH4含量呈现下降趋势，减少幅度分别为13.51%和89.34%。这是因为：中低负荷时，混合气燃烧不完全导致部分CH4未参加燃烧直接排出气缸，同时混合气的不完全燃烧导致CO 生成率较高；随着负荷的增大，内燃机缸内气体燃烧趋于完全，致使CH4的含量和CO的生成率下降。并且，当控制缸温不变且增大内燃机负荷时，会进一步增加过量空气系数以控制缸温，这使得内燃机缸内混合气中氧量增加，燃烧更充分、燃烧温度更高。氧浓度的提高和燃烧温度的增加都加强了排气过程中的氧化作用，进而降低了CO 和CH4的含量。不同负荷率工况下内燃机的CO 和CH4排放情况如图2 所示（CO 和CH4排放量均已折算至5%氧量情况下）。不同负荷率下的O2含量情况如图3 所示。

图2 负荷率对CO 和CH4 的影响

图3 不同负荷率工况下的O2 含量情况

2.3 不同缸温对污染物排放和CO，CH4 气体的影响

100%负荷率、不同缸温工况下的内燃机NOX及SO2污染物排放情况如图4 所示，内燃机CO，CH4以及O2排放含量分别如图5（a）（b）所示，图4 和图5 中相关气体排放量均已折算至5%氧量情况下。

图4 不同缸温对内燃机排放的影响

图5 不同缸温对CO，CH4 和O2 的影响

由图4 可看出，随着缸温从288 ℃降至279℃，NOX排放量整体上呈现下降趋势，SO2排放量整体上呈现升高趋势。缸温降低使得内燃机通过开大空气门来增加过量空气系数，以降低缸温，这导致氧气浓度一定程度上有所增加，但是高温富氧持续时间和温度的降低限制了NOX生成速率，从而导致NOX生成量减少。虽然高温富氧持续时间有所减少，但是氧气浓度提高，从而导致SO2排放量增加。

由图5 可看出，随着内燃机缸温由288 ℃降低至283 ℃，CO 和CH4排放量变化不大；但是当缸温由283 ℃降低至279 ℃时，CO 和CH4排放量分别增加8.34%和28.05%。这说明，当100%负荷率工况时进一步降低内燃机缸温，虽然增加混合气氧量加强了对CO 和CH4的氧化过程，但是冷激效应、狭隙效应等发生的可能性增大导致CO和CH4生成率提高，并且高温富氧持续时间的减少一定程度上也加重了燃料不完全燃烧的情况，从而增大了CO 及CH4的排放量。

2.4 全生命周期节能和GHG（温室气体）减排分析

现行国家污染物排放标准中还没有适用于燃气内燃机的大气污染物排放标准，根据地方标准（北京）《固定式内燃机大气污染物排放标准》（DB11—1056—2013），内燃机的大气污染物排放标准如表4 所示。

表4 内燃机大气污染物最高允许排放浓度 mg/m3

不同工况下燃气内燃机的CO 排放浓度均满足排放限值要求。当燃气内燃机处于部分负荷时，NOX排放浓度明显高于排放限值，无法满足现有标准要求。不同工况下内燃机的大气污染物排放浓度与限值的比较情况如表5 所示。

2.5 全生命周期节能和GHG 减排分析

以全生命周期分析方法对天然气分布式冷电联供、“煤+电”和光伏3 种供能方式进行能效和环境影响的比较。A，B，C 3 种供能方式设计情况如表6 所示。计算相关数据与假设如表7 所示。以Ding N 等人[20]对区分一次能源类型、温室气体类型的能耗和GHG 排放系数为参考，根据公式（1）—（2）计算A，B，C 3 种供能方式的节能和GHG 减排率。

表5 不同工况下大气污染物排放浓度与限值比较

表6 分析供能方式设计

表7 供能方式研究的相关数据与假设

A，B，C 3 种不同供能方式的全生命周期节能和GHG 减排对比如图6 所示。供能方式A 与传统情景B 相比，节能率可达24%，GHG 减排率也达到了46%，说明采用天然气冷电联供方式在减排方式上有较大的优势。与光伏发电为主的供能方式C 相比，供能方式A 的节能率和GHG 减排率分别为供能方式C 的35.53%和2.19。这是因为光伏发电的全生命周期GHG 值受生产等环节影响，温室气体排放当量较高。

图6 不同情境下的全生命周期节能和减排率对比

由以上试验分析可以得出：

（1）提高内燃机负荷率能有效降低缸内NOX的产生；负荷率不变情况下，适当降低缸温也可以降低缸内NOX的产生，其主要利用增加空气过量系数、减少高温富氧燃烧时间以实现NOX排放量的减少。

（2）使缸内的混合气燃烧充分，天然气和空气均匀混合，精确控制空燃比都是能够降低CO和CH4的有效措施。

（3）相比传统燃煤供能方式，天然气分布式冷电联供可以实现节能和GHG 减排的目的；相比可再生能源光伏发电供能方式，天然气分布式冷电联供依然有较好的GHG 减排能力。

3 结语

对某能源站内燃机不同负荷率、不同缸温下的NOX，SO2，CO 和CH4等气体的排放状况进行检测，并比较天然气分布式冷电联供、“煤+电”和光伏3 种供能方式的能效和环境影响。结果表明，机组负荷率与缸温都对NOX，SO2，CO 和CH4等有较大的影响，当机组满负荷时，降低机组缸温可以有效降低NOX排放量，这有利于内燃机组更好地开展烟气脱硝治理工作，以便其达到我国烟气NOX排放浓度控制标准。相比传统燃煤供能方式，天然气分布式冷电联供的全生命周期节能效果和GHG 减排效果优势更大，节能率和GHG减排率分别为27%和46%。