黃浩程
(中國移動通信集團上海有限公司,上海 200060)
國家標準GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》,地方標準(上海市)DB31/933-2015《上海市大氣污染綜合排放標準》,對氮氧化物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)電機組是數(shù)據(jù)中心保障通訊設施正常工作的重要應急電源設備[2],保有量大。但這種柴油機大多為老舊機器或者排放標準要求不高的柴油機,其尾氣排放中的氮氧化物NOx的濃度高,無法滿足環(huán)保法規(guī)的要求,所排尾氣對大氣環(huán)境造成污染,對人們身心健康帶來危害,因此數(shù)據(jù)中心用大型柴油發(fā)電機組尾氣排放需要進行凈化處理[3]。
通常采用選擇性催化還原SCR 催化設備(Selective Catalytic Reduction)來處理柴油發(fā)動機尾氣中的氮氧化物NOx。SCR 技術(shù)是國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、易使用、易維護的特點[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SCR 系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一[6]。
圖1 SCR 系統(tǒng)的組成
針對不同的柴油發(fā)電機組的排放特點、排放目標限值、安裝邊界條件及實際應用要求,在進行SCR 催化裝置的設計中,做好催化劑的選擇及控制轉(zhuǎn)化率、設計空速、計算催化劑體積、設計布置方式等,并結(jié)合實際應用,總結(jié)出一套實用、可行的設計方法,滿足NOx目標排放、排氣背壓、設備現(xiàn)場的安裝空間等要求,以達到最佳的應用效果。
排氣溫度是SCR 催化反應的重要影響因素,決定了NOx的轉(zhuǎn)化效率和催化反應速度[7-9]。根據(jù)柴油發(fā)電機組的排氣溫度進行SCR 催化劑類型的選擇,要涵蓋發(fā)電機組所有工作負載狀態(tài)下的溫度范圍。當排氣溫度在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));當排氣溫度的低溫段在160~200 ℃范圍之內(nèi)時,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]。
不同類型催化劑的轉(zhuǎn)化效率溫度窗口曲線如圖2 所示。
圖2 不同催化劑的轉(zhuǎn)化效率溫度窗口
NOx轉(zhuǎn)化效率是設計SCR 催化裝置最重要的目標之一,根據(jù)初始NOx濃度以及目標NOx限值濃度,經(jīng)計算可得所需的轉(zhuǎn)化效率[12]。計算式如下:
式中:η為NOx轉(zhuǎn)化效率(%),Cin為原始NOx濃度(mg/Nm3),Cout為目標NOx濃度(mg/Nm3)。根據(jù)NOx轉(zhuǎn)化效率的要求,來設計相對應的空速(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)接觸時間的長短??账僭酱?,接觸時間越短,催化轉(zhuǎn)化效果越差;空速越小,接觸時間越長,催化轉(zhuǎn)化效果越好。當排氣流量一定時,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,綜合設計空速,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)動機排氣流量,計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
載體體積的計算式為:
式中:V為載體總體積,m3;Q為排氣標況流量,Nm3/h;SV為空速,km/h。
排氣系統(tǒng)的背壓會影響發(fā)電機組的有效功率,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,載體的總長度越短,背壓越小;反之越大,如圖4 的關(guān)系。同時,采用不同孔目數(shù)的載體,對背壓也有影響。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??;反之越大,如圖5 的關(guān)系。
圖4 載體總長度與背壓的關(guān)系
圖5 載體孔目數(shù)與背壓的關(guān)系
首先根據(jù)設計輸入的邊界條件,結(jié)合現(xiàn)場勘察,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,載體最大總長度最好不超過1000 mm,即:對常規(guī)的150 mm × 150 mm × 150 mm的堇青石載體來說,載體的最大裝填層數(shù)最大不超過6 層,正常2~4 層范圍之內(nèi)。此設計下的背壓范圍一般在300~1000 Pa 范圍以內(nèi),可根據(jù)實際應用需求進行調(diào)整。
用于試驗驗證的柴油發(fā)動機參數(shù)如下。
品 牌:MTU,型 號: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(已折算成標方),排氣標況流量12000 Nm3/h。
NOx目標濃度: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,長度5000 mm。
(1)分析排氣溫度,確定催化劑類型。此案例中發(fā)動機參數(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)計算NOx轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)NOx原始排放濃度及目標排放濃度,經(jīng)計算,NOx凈化效率需達95.6%以上。
(3)根據(jù)NOx轉(zhuǎn)化效率的要求,空速設計需在7500~10000 h-1范圍內(nèi),在根據(jù)排氣流量,計算可得催化劑載體總體積范圍為1200~1600 L。
(4)設計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(安裝空間的長度5000 mm,遠大于SCR 催化裝置的設計長度,因此長度方向不考慮),采用150 mm ×150 mm × 150 mm 的載體,因此設計為每層12 × 12塊,共三層,串聯(lián)裝填方式,因此載體總長度45 cm,計算載體總體積為1458 升,在上述的設計范圍之內(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 催化劑載體的設計布置方式如圖6 所示。催化裝置實物如圖7 所示。
圖6 催化劑載體的布置
圖7 催化裝置實物圖
測試儀器:自動煙塵煙氣測試儀(GH-60E)CLYQB-056。
采樣依據(jù):固定污染源排氣中的顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法及修改單GB/T 16157-1996,固定源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T 397-2007。
測試方法依據(jù):固定污染源廢氣氮氧化物的測定 定電位電解法HJ693-2014。
經(jīng)測試,SCR 催化裝置后NOx排放三次檢測值為70、85、26 mg/Nm3,平均值為60 mg/Nm3,滿足限值150 mg/m3要求;凈化裝置背壓值為420 Pa,滿足目標要求。
按照以上計算步驟和設計方法設計的SCR 催化裝置,滿足設定的目標。
柴油發(fā)電機組尾氣SCR 催化裝置設計中,結(jié)合了柴油機排放特性與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)電機組SCR 催化裝置的設計方法,按此方法設計的裝置經(jīng)實際應用驗證,全部達到設定目標。提供了一套實用的SCR 催化裝置的設計方法,對數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組以及相關(guān)領(lǐng)域的SCR 系統(tǒng)的設計提供幫助。