内燃式油田伴生气发电机组三效催化转化脱硝系统的试验研究

康见见，何封足

(1.重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130000)

1 引言

油田伴生气别名油田气，又叫做瓦斯，是在石油的开采过程中从油井逸出的一种天然气。其主要成分为77%的甲烷，其余为乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等低分子烷烃，是一种易燃易爆且有毒的气体。以往国内的环境保护政策宽松，油田伴生气大多直接燃烧排放，大量能源被浪费，同时排出大量的未经过处理的有害气体污染空气。近年来，利用油田伴生气作为内燃机发电机组的燃料进行能量回收，运用内燃机排放与控制技术净化尾气逐渐成为石油伴生气发电领域的热点[1]。

内燃式发电机组可有效利用油田伴生气，减少主电站的燃料消耗，是一种行之有效的节能减排措施[2]。但伴生气发电机组尾气中含有大量的NOx，须对尾气进行脱硝处理。解决稀薄燃烧的天然气发动机在富氧的环境下NOx排放难以控制的问题，是实现稀薄燃烧天然气发动机发电产业化的关键。

近年来，稀薄燃烧催化器的研发工作已经有了相当的进展,但离大规模应用依然有不小的差距[3]。在一般的稀薄燃烧条件下，三效催化器转化器对NOx的转化效率急剧降低，由于伴生气发电机组排放中O2含量很高，目前没有材料能吸附这么多的O2，但结合油田项目现场有足够的燃气和H2来源，可以作为还原剂来还原NOx。考虑到H2的安全性问题，故考虑使用燃气喷射方案。

2 实验装置和实验方法

2.1 实验装置

实验发电机组类型为两台功率500kW，带余热能回收装置的天然气发电机。按照“旁通式后处理”架构对主排气管路进行改造、安装(图1)。在后处理入口、旁通管路入口处需分别设置耐高温(800°C)通断阀(蝶阀、格栅阀)。

图1 旁通式后处理系统安装示意

实验系统的主要技术参数如表1所示。

表1 实验系统的主要技术参数

2.2 实验方法

三效催化转化器(TWC)测试分两次进行，第一次，在不喷射HC条件下测试发电机组自身的波动状态，第二次，在喷射HC条件下，进行对比测试。利用NOx传感器记录NOx排放值，持续时间5～10 min。同时记录HC喷射控制系统中检测的TWC前后NOx的数据。

3 实验结果与分析

3.1 HC喷射系统对NOx转化效率的影响

图2所示为未喷射HC时，由发动机自身运行状态波动，尾气经过三效催化转换器的NOx浓度变化。分析可知，未喷射HC时，过量空气系数超过1.2,尾气中的NOx浓度几乎未发生变化。这是因为未喷射HC，过量空气系数远大于1，三效催化器对NOx没有起催化转化作用。

图2 喷射HC前过量空气系数-NOx浓度

图3所示为催化剂运行温度处于450～550 ℃区间喷射HC后，三效催化转换器对尾气NOx转化效率的影响。分析可知，当过量空气系数接近1时，其尾气中的NOx转化效率最高达到了95.4%；当过量空气系数小于1时，随着喷射HC喷射量的增加，混合气总体过量空气系数减小，其尾气中的NOx转化效率逐渐衰减至65%左右；当过量空气系数大于1时，随着混合气总体过量空气系数增大，其尾气中的NOx转化效率急剧下降，过量空气系数超过1.1时,NOx转化效接近于0。通过对比尾气处理系统喷射HC前后NOx的浓度变化可知，适当喷射HC至尾气处理系统调整混合气总体过量空气系数到目标值1附近可有效催化NOx进行转化，达到净化尾气的目的[4，5]。

图3 喷射HC后过量空气系数-NOx转化效率

4 结论

实验结果表明：

(1)当催化剂运行温度处于450～550 ℃，喷射HC燃料将尾气过量空气系数控制1附近时，可以有效降低经过三效催化器后的NOx含量，NOx转化效率可达到95%。

(2)向三效催化器前端喷射HC以调整过量空气系数达到减排的措施,在稀薄燃烧的三效催化器方面仍未实现产业化应用,对后续石油伴生气发电机组的减排应用具有重要的经济和实用价值。