黃浩程

（中國移動通信集團上海有限公司，上海 200060）

1 備用柴油發(fā)電機組尾氣排放的現(xiàn)狀

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]。

2 SCR 系統(tǒng)應用的必要性

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。

3 SCR 催化裝置的設計方法

3.1 排氣溫度與催化劑類型

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

3.2 NOx 轉(zhuǎn)化效率與空速設計

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。

3.3 背壓控制與催化裝置

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。

4 柴油發(fā)電機組尾氣SCR 催化裝置設計的驗證

4.1 柴油發(fā)動機參數(shù)

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。

4.2 目標要求

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。

4.3 設計方案

（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

4.4 測試結(jié)果

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。

5 結(jié)語

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。