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浅谈中国内燃发电机组尾气后处理现状和发展方向

作者:
来源:
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,作为应急用电柴油发电机组是兼具可靠、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。

  目录

  一、应用领域的分类

  二、发电机组主要市场分布

  三、排放法规关注什么?

  四、应急电源尾气治理现状

  五、燃油对后处理的影响

  六、后处理的技术特点

  七、市场上的主流解决方案

  八、绿谷优于市场同类产品的尾气治理七大方案

  一、应用领域的分类

  内燃机应急备用电源,即应急发电机组,

  从发电机组使用的燃料上主要分为:柴油,汽油,燃气三种;

  从发电机组使用的工况上分为:常用机组,应急备用;

  从发电机组使用的场景上分为:各种建筑,医院,学校,数据中心,机场,高铁站,隧道,厂房,工矿油田,野外施工,热电冷联供,船舶,黑启动,电源车等

  市场上较为倡导的环保燃气机组,从气源上又分为:天然气,沼气,煤层气等。

  二、发电机组主要市场分布

  当前发电机组使用在各行各业,相对来说较为分散。

  陆用方面,主要是指那些适用于陆地环境的柴油发电机组设备,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发电机组、应急船用柴油发电机组。

  电源车,使用在工况和不具备市电的场景下,电源车采用非电启动及空气为冷却介质的发动机,不但免除了蓄电池及风扇水箱的维护以及加注冷却液的烦恼,而且能在极高、低温和沙尘等恶劣的环境下工作。

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

  三、排放法规关注什么?

  目前国V柴油含量10ppm以下,柴油机尾气中的SOx可以不用考虑,尾气治理主要从C颗粒物;CO;HC;NOx四类污染物入手,针对性采取三种不同手段进行治理,并确保发动机安全工作,不产生二次污染。

  其中,去除CO;HC;NOx采用贵金属催化剂在一定温度下促使有害气体进行适当的化学反应,汽车行业称为三元催化。

  PM碳颗粒物采用DPF物理过滤的方式去除,被动再生去除积碳时涉及催化氧化反应。

  四、应急电源尾气治理现状

  1、水喷淋箱和老机房改造:水喷淋箱作为传统柴油发电机组机房安装的标配,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发电机组保有量惊人,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:燃气发电机组尾气中的NOx处理。新兴的分布式能源燃气电站和煤层气、生物质沼气等燃气发电机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、燃油对后处理的影响

  国三标准柴油硫含量350ppm以下,国四标准柴油硫含量50ppm以下,国五标准柴油含硫量是10ppm,但有些地方柴油含硫量仍然高于2000ppm。我国已经于2017年1月1日起强制执行柴油国五标准。

  强调柴油油品的主要原因是,含硫量高的燃油燃烧产生的SOx,发动机尾气处理装置表面涂覆的贵金属催化剂对SOx极其敏感,如SOx超标,将导致催化剂中毒,严重影响催化剂的工作效果,同时大大缩短催化剂使用寿命。

  在排放要求严格的地区,要求对发动机尾气进行治理,建议柴油发电机组使用国四以上柴油。

  六、后处理的技术特点

  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涂覆特殊配方的贵金属催化剂,在合适的温度情况下,DOC单元产生的NO2与DPF中的C产生化学反应

  反应的化学方程式如下:C+2NO2=CO2+2NO

  C+O2=CO2

  其中在DOC单元中去除CO和HC反应化学方程式如下:

  主要反应方程式如下:

  4HC+5O2=2H2O+4CO

  SOF+O2=H2O+CO

  2CO+O2=2CO2

  2NO+O2=2NO2

  C+O2=CO2

  2、高硫对催化剂的影响:如上述五里提到的,尾气硫含量过高,将对催化剂的工作产生极大的影响,需要保证柴油品质或者提前脱硫;

  3、低温状况下的再生:首先,柴油机排气产生的黑烟,即PM碳颗粒物,再次燃点是600℃,备用发电机组是没有办法达到该温度的,这时候可以采取两种方法,一种是电加热,将温度升高到PM碳颗粒再次的起燃点,一种是DOC+cDPF,利用贵金属催化剂,降低碳颗粒物CO,HC等物质的反应温度,达到350℃即可。其次,NOx处理也需要温度,排气温度在200℃时催化剂起活,在250-400℃区间时效果最佳。温度对尾气治理能够达到的效果至关重要。

  七、市场上的主流解决方案

  1、陶瓷DPF:通常采用壁流式堇青石蜂窝陶瓷载体,纯粹的物理过滤,陶瓷DPF体积至少是发动机排气量的2-2.5倍,否则启动背压过大将导致发动机功率亏损,同时对发动机造成损伤,且陶瓷DPF在被PM碳颗粒物堵塞后清理较为麻烦;

  2、DOC+DPF:DOC作用是在排气温度超过250℃后,在催化剂作用下与废气中PM,HC和CO等有害气体发生氧化反应,同时有些厂家会在DPF表面涂覆贵金属催化剂,这些都需要发电机组具有较高的排气温度。

  特别提示:

  贵金属催化剂是主要的技术门槛之一,国内绝大多数从业者没有催化剂的设计、研发、实验和涂覆能力,没有合理配方,造成处理效率大大降低;

  3、SCR脱硝:在200℃温度下,尿素分解成NH3,在催化剂作用下,还原剂NH3在290-400℃下有选择的将

  NO和NO2还原成N2,而几乎不发生NH3与O2的氧化反应,从而提高了N2的选择性,SCR系统由氨供应系统、氨气喷射系统、温度传感系统、催化反应系统以及控制系统等组成。

  低温情况下的脱硝是世界性难题。

  经绿谷技术和市场团队长达一年多的多方调研,在目前国内电加热系统还不成熟的前提下,众多的靠在DPF前端加装电加热器来燃烧碳颗粒,涂覆催化剂助力反应,SCR脱硝系统,陶瓷DPF反吹再生等手段,都不能在备用应急电源的排气温度比较低的情况下有良好的表现。

  八、绿谷优于市场同类产品的尾气治理七大方案

  绿谷净化整合国内发动机和发电机组及欧美国家发动机排放研究相关领域的优质技术和市场资源,核心技术催化剂团队从事发动机后处理研究超过二十余年,针对当前国内外主力和应急发电机组尾气治理提出了七大方案。

  九、未来市场的展望

  中国目前对内燃机应急电源尾气治理并没有一个统一的国家排放标准,虽然北京上海等地已经出台了一些地方标准,但落地执行起来又是有所出入。国家当前强制执行的是《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III阶段)》,也就是我们常听说的非道路国三,市场上保有和仍在售出的直喷柴油机都不能满足该排放要求,需要从源头上改装为电喷机或者加装后处理装置。

  不久的将来,非道路国四和国五标准也即将袭来,主要考核NOx排放,已是电喷的内燃机也需要加装尾气后处理才可以达到排放要求。非道路国五排放对内燃机的尾气治理将有更严格的标准。这些政策将推动新一轮的旧机尾气改造和新出厂发动机加装尾气后处理装置。

  国家对于环保的重视和人民环保意识的提高,将会引领国内外发动机行业在后处理领域的不断革新,内燃机和内燃发电机组行业的排放升级已经迫在眉睫,绿谷净化希望和所有行业同仁,一起推动内燃应发电机组产业的绿色健康发展,为恢复地球青山绿水,拯救我们人类自己贡献一份力量!