黃浩程

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，上海 200060）

1 備用柴油發(fā)電機(jī)組尾氣排放的現(xiàn)狀

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，地方標(biāo)準(zhǔn)(上海市)DB31/933-2015《上海市大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)氮氧化物NOx的排放都有明確要求。氮氧化物在廢氣污染物排放中居首位[1]。

柴油發(fā)電機(jī)組是數(shù)據(jù)中心保障通訊設(shè)施正常工作的重要應(yīng)急電源設(shè)備[2]，保有量大。但這種柴油機(jī)大多為老舊機(jī)器或者排放標(biāo)準(zhǔn)要求不高的柴油機(jī)，其尾氣排放中的氮氧化物NOx的濃度高，無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)保法規(guī)的要求，所排尾氣對(duì)大氣環(huán)境造成污染，對(duì)人們身心健康帶來(lái)危害，因此數(shù)據(jù)中心用大型柴油發(fā)電機(jī)組尾氣排放需要進(jìn)行凈化處理[3]。

2 SCR 系統(tǒng)應(yīng)用的必要性

通常采用選擇性催化還原SCR 催化設(shè)備（Selective Catalytic Reduction）來(lái)處理柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物NOx。SCR 技術(shù)是國(guó)際上通用的消除氮氧化物最有效的技術(shù)之一，該技術(shù)具有NOx轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境適用性強(qiáng)、易使用、易維護(hù)的特點(diǎn)[4-5]。一套完整的SCR 系統(tǒng)主要包括SCR 催化裝置、尿素噴射裝置、尿素罐、控制器及其他一些附件等（圖1），其中SCR 催化裝置是整個(gè)SCR 系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一[6]。

圖1 SCR 系統(tǒng)的組成

針對(duì)不同的柴油發(fā)電機(jī)組的排放特點(diǎn)、排放目標(biāo)限值、安裝邊界條件及實(shí)際應(yīng)用要求，在進(jìn)行SCR 催化裝置的設(shè)計(jì)中，做好催化劑的選擇及控制轉(zhuǎn)化率、設(shè)計(jì)空速、計(jì)算催化劑體積、設(shè)計(jì)布置方式等，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出一套實(shí)用、可行的設(shè)計(jì)方法，滿(mǎn)足NOx目標(biāo)排放、排氣背壓、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的安裝空間等要求，以達(dá)到最佳的應(yīng)用效果。

3 SCR 催化裝置的設(shè)計(jì)方法

3.1 排氣溫度與催化劑類(lèi)型

排氣溫度是SCR 催化反應(yīng)的重要影響因素，決定了NOx的轉(zhuǎn)化效率和催化反應(yīng)速度[7-9]。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的排氣溫度進(jìn)行SCR 催化劑類(lèi)型的選擇，要涵蓋發(fā)電機(jī)組所有工作負(fù)載狀態(tài)下的溫度范圍。當(dāng)排氣溫度在250～450 ℃之間，采用中溫型催化劑，如釩鈦鎢型（V-W-Ti 作為催化活性物質(zhì)）；當(dāng)排氣溫度的低溫段在160～200 ℃范圍之內(nèi)時(shí)，選用低溫型的催化劑，如銅基分子篩型（采用銅離子交換的分子篩作為催化活性成分）；當(dāng)排氣溫度的高溫段在500～600 ℃范圍之內(nèi)，則采用高溫型的催化劑，如鐵基分子篩型（采用鐵離子交換的分子篩作為催化活性成分）[10-11]。

不同類(lèi)型催化劑的轉(zhuǎn)化效率溫度窗口曲線(xiàn)如圖2 所示。

圖2 不同催化劑的轉(zhuǎn)化效率溫度窗口

3.2 NOx 轉(zhuǎn)化效率與空速設(shè)計(jì)

NOx轉(zhuǎn)化效率是設(shè)計(jì)SCR 催化裝置最重要的目標(biāo)之一，根據(jù)初始NOx濃度以及目標(biāo)NOx限值濃度，經(jīng)計(jì)算可得所需的轉(zhuǎn)化效率[12]。計(jì)算式如下：

式中：η為NOx轉(zhuǎn)化效率（%），Cin為原始NOx濃度（mg/Nm3），Cout為目標(biāo)NOx濃度（mg/Nm3）。根據(jù)NOx轉(zhuǎn)化效率的要求，來(lái)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的空速（Space Velocity）。空速是排氣流量與催化劑載體總體積的比值，表征了排氣氣體分子與催化劑活性物質(zhì)接觸時(shí)間的長(zhǎng)短。空速越大，接觸時(shí)間越短，催化轉(zhuǎn)化效果越差；空速越小，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，催化轉(zhuǎn)化效果越好。當(dāng)排氣流量一定時(shí)，空速與催化劑載體總體積成反比。

結(jié)合NOx轉(zhuǎn)化效率的要求，綜合設(shè)計(jì)空速，根據(jù)圖3 所示確定空速范圍。確定了空速之后，再根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量，計(jì)算催化劑載體的總體積。工況流量（單位m3/h）需要轉(zhuǎn)化成標(biāo)況流量（單位Nm3/h）。

圖3 NOx 轉(zhuǎn)化效率與空速的關(guān)系

載體體積的計(jì)算式為：

式中：V為載體總體積，m3；Q為排氣標(biāo)況流量，Nm3/h；SV為空速，km/h。

3.3 背壓控制與催化裝置

排氣系統(tǒng)的背壓會(huì)影響發(fā)電機(jī)組的有效功率，因此要盡量減少SCR 催化裝置的壓損，減少排氣系統(tǒng)的總體背壓。

在空速確定、載體總體積確定的情況下，載體的總長(zhǎng)度越短，背壓越??；反之越大，如圖4 的關(guān)系。同時(shí)，采用不同孔目數(shù)的載體，對(duì)背壓也有影響。載體的孔目數(shù)越小，則單位截面積上的孔數(shù)越少，背壓越小；反之越大，如圖5 的關(guān)系。

圖4 載體總長(zhǎng)度與背壓的關(guān)系

圖5 載體孔目數(shù)與背壓的關(guān)系

首先根據(jù)設(shè)計(jì)輸入的邊界條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定SCR 系統(tǒng)以及SCR 催化裝置的安裝空間尺寸，將空間利用率最大化，載體最大總長(zhǎng)度最好不超過(guò)1000 mm，即：對(duì)常規(guī)的150 mm × 150 mm × 150 mm的堇青石載體來(lái)說(shuō)，載體的最大裝填層數(shù)最大不超過(guò)6 層，正常2～4 層范圍之內(nèi)。此設(shè)計(jì)下的背壓范圍一般在300～1000 Pa 范圍以?xún)?nèi)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。

4 柴油發(fā)電機(jī)組尾氣SCR 催化裝置設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

4.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

用于試驗(yàn)驗(yàn)證的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如下。

品 牌：MTU，型 號(hào)：16 V4000G84，額定功率：2185 kW，額定轉(zhuǎn)速：1500 r/min，缸徑×行程：170 ×210 mm，氣缸數(shù)及排列方式：16 V，總排量：76.3 L，壓縮比：16.4∶1，排氣溫度：353 ℃（增壓器后），NOx初始排放濃度3386 mg/Nm3（已折算成標(biāo)方），排氣標(biāo)況流量12000 Nm3/h。

4.2 目標(biāo)要求

NOx目標(biāo)濃度：150 mg/Nm3，背壓要求：<800 Pa，SCR 催化裝置安裝截面邊界尺寸：2100 mm×2100 mm，長(zhǎng)度5000 mm。

4.3 設(shè)計(jì)方案

（1）分析排氣溫度，確定催化劑類(lèi)型。此案例中發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)顯示排氣溫度為353 ℃，故可采用中溫型的釩鈦鎢SCR 催化劑。

（2）計(jì)算NOx轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)NOx原始排放濃度及目標(biāo)排放濃度，經(jīng)計(jì)算，NOx凈化效率需達(dá)95.6%以上。

（3）根據(jù)NOx轉(zhuǎn)化效率的要求，空速設(shè)計(jì)需在7500～10000 h-1范圍內(nèi)，在根據(jù)排氣流量，計(jì)算可得催化劑載體總體積范圍為1200～1600 L。

（4）設(shè)計(jì)催化劑載體的布置方式。此案例規(guī)定SCR 催化裝置的安裝空間的截面為2100 × 2100 mm（安裝空間的長(zhǎng)度5000 mm，遠(yuǎn)大于SCR 催化裝置的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，因此長(zhǎng)度方向不考慮），采用150 mm ×150 mm × 150 mm 的載體，因此設(shè)計(jì)為每層12 × 12塊，共三層，串聯(lián)裝填方式，因此載體總長(zhǎng)度45 cm，計(jì)算載體總體積為1458 升，在上述的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)；催化裝置截面尺寸為1950 mm × 1950 mm（含載體封裝），在上述安裝邊界范圍之內(nèi)。

本案例的SCR 催化劑載體的設(shè)計(jì)布置方式如圖6 所示。催化裝置實(shí)物如圖7 所示。

圖6 催化劑載體的布置

圖7 催化裝置實(shí)物圖

4.4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試儀器：自動(dòng)煙塵煙氣測(cè)試儀（GH-60E）CLYQB-056。

采樣依據(jù)：固定污染源排氣中的顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法及修改單GB/T 16157-1996，固定源廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范HJ/T 397-2007。

測(cè)試方法依據(jù)：固定污染源廢氣氮氧化物的測(cè)定 定電位電解法HJ693-2014。

經(jīng)測(cè)試，SCR 催化裝置后NOx排放三次檢測(cè)值為70、85、26 mg/Nm3，平均值為60 mg/Nm3，滿(mǎn)足限值150 mg/m3要求；凈化裝置背壓值為420 Pa，滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

按照以上計(jì)算步驟和設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的SCR 催化裝置，滿(mǎn)足設(shè)定的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

柴油發(fā)電機(jī)組尾氣SCR 催化裝置設(shè)計(jì)中，結(jié)合了柴油機(jī)排放特性與SCR 催化劑的特性、空速與效率、載體特性與載體布置方式的影響因素，形成了一套柴油發(fā)電機(jī)組SCR 催化裝置的設(shè)計(jì)方法，按此方法設(shè)計(jì)的裝置經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，全部達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。提供了一套實(shí)用的SCR 催化裝置的設(shè)計(jì)方法，對(duì)數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組以及相關(guān)領(lǐng)域的SCR 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供幫助。