数据中心备用的柴油发电机组尾气SCR催化装置的设计方法

黄浩程

（中国移动通信集团上海有限公司，上海 200060）

1 备用柴油发电机组尾气排放的现状

国家标准GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》，地方标准(上海市)DB31/933-2015《上海市大气污染综合排放标准》，对氮氧化物NOx的排放都有明确要求。氮氧化物在废气污染物排放中居首位[1]。

柴油发电机组是数据中心保障通讯设施正常工作的重要应急电源设备[2]，保有量大。但这种柴油机大多为老旧机器或者排放标准要求不高的柴油机，其尾气排放中的氮氧化物NOx的浓度高，无法满足环保法规的要求，所排尾气对大气环境造成污染，对人们身心健康带来危害，因此数据中心用大型柴油发电机组尾气排放需要进行净化处理[3]。

2 SCR 系统应用的必要性

通常采用选择性催化还原SCR 催化设备（Selective Catalytic Reduction）来处理柴油发动机尾气中的氮氧化物NOx。SCR 技术是国际上通用的消除氮氧化物最有效的技术之一，该技术具有NOx转化效率高、环境适用性强、易使用、易维护的特点[4-5]。一套完整的SCR 系统主要包括SCR 催化装置、尿素喷射装置、尿素罐、控制器及其他一些附件等（图1），其中SCR 催化装置是整个SCR 系统的关键部件之一[6]。

图1 SCR 系统的组成

针对不同的柴油发电机组的排放特点、排放目标限值、安装边界条件及实际应用要求，在进行SCR 催化装置的设计中，做好催化剂的选择及控制转化率、设计空速、计算催化剂体积、设计布置方式等，并结合实际应用，总结出一套实用、可行的设计方法，满足NOx目标排放、排气背压、设备现场的安装空间等要求，以达到最佳的应用效果。

3 SCR 催化装置的设计方法

3.1 排气温度与催化剂类型

排气温度是SCR 催化反应的重要影响因素，决定了NOx的转化效率和催化反应速度[7-9]。根据柴油发电机组的排气温度进行SCR 催化剂类型的选择，要涵盖发电机组所有工作负载状态下的温度范围。当排气温度在250～450 ℃之间，采用中温型催化剂，如钒钛钨型（V-W-Ti 作为催化活性物质）；当排气温度的低温段在160～200 ℃范围之内时，选用低温型的催化剂，如铜基分子筛型（采用铜离子交换的分子筛作为催化活性成分）；当排气温度的高温段在500～600 ℃范围之内，则采用高温型的催化剂，如铁基分子筛型（采用铁离子交换的分子筛作为催化活性成分）[10-11]。

不同类型催化剂的转化效率温度窗口曲线如图2 所示。

图2 不同催化剂的转化效率温度窗口

3.2 NOx 转化效率与空速设计

NOx转化效率是设计SCR 催化装置最重要的目标之一，根据初始NOx浓度以及目标NOx限值浓度，经计算可得所需的转化效率[12]。计算式如下：

式中：η为NOx转化效率（%），Cin为原始NOx浓度（mg/Nm3），Cout为目标NOx浓度（mg/Nm3）。根据NOx转化效率的要求，来设计相对应的空速（Space Velocity）。空速是排气流量与催化剂载体总体积的比值，表征了排气气体分子与催化剂活性物质接触时间的长短。空速越大，接触时间越短，催化转化效果越差；空速越小，接触时间越长，催化转化效果越好。当排气流量一定时，空速与催化剂载体总体积成反比。

结合NOx转化效率的要求，综合设计空速，根据图3 所示确定空速范围。确定了空速之后，再根据柴油发动机排气流量，计算催化剂载体的总体积。工况流量（单位m3/h）需要转化成标况流量（单位Nm3/h）。

图3 NOx 转化效率与空速的关系

载体体积的计算式为：

式中：V为载体总体积，m3；Q为排气标况流量，Nm3/h；SV为空速，km/h。

3.3 背压控制与催化装置

排气系统的背压会影响发电机组的有效功率，因此要尽量减少SCR 催化装置的压损，减少排气系统的总体背压。

在空速确定、载体总体积确定的情况下，载体的总长度越短，背压越小；反之越大，如图4 的关系。同时，采用不同孔目数的载体，对背压也有影响。载体的孔目数越小，则单位截面积上的孔数越少，背压越小；反之越大，如图5 的关系。

图4 载体总长度与背压的关系

图5 载体孔目数与背压的关系

首先根据设计输入的边界条件，结合现场勘察，确定SCR 系统以及SCR 催化装置的安装空间尺寸，将空间利用率最大化，载体最大总长度最好不超过1000 mm，即：对常规的150 mm × 150 mm × 150 mm的堇青石载体来说，载体的最大装填层数最大不超过6 层，正常2～4 层范围之内。此设计下的背压范围一般在300～1000 Pa 范围以内，可根据实际应用需求进行调整。

4 柴油发电机组尾气SCR 催化装置设计的验证

4.1 柴油发动机参数

用于试验验证的柴油发动机参数如下。

品 牌：MTU，型 号：16 V4000G84，额定功率：2185 kW，额定转速：1500 r/min，缸径×行程：170 ×210 mm，气缸数及排列方式：16 V，总排量：76.3 L，压缩比：16.4∶1，排气温度：353 ℃（增压器后），NOx初始排放浓度3386 mg/Nm3（已折算成标方），排气标况流量12000 Nm3/h。

4.2 目标要求

NOx目标浓度：150 mg/Nm3，背压要求：<800 Pa，SCR 催化装置安装截面边界尺寸：2100 mm×2100 mm，长度5000 mm。

4.3 设计方案

（1）分析排气温度，确定催化剂类型。此案例中发动机参数显示排气温度为353 ℃，故可采用中温型的钒钛钨SCR 催化剂。

（2）计算NOx转化效率。根据NOx原始排放浓度及目标排放浓度，经计算，NOx净化效率需达95.6%以上。

（3）根据NOx转化效率的要求，空速设计需在7500～10000 h-1范围内，在根据排气流量，计算可得催化剂载体总体积范围为1200～1600 L。

（4）设计催化剂载体的布置方式。此案例规定SCR 催化装置的安装空间的截面为2100 × 2100 mm（安装空间的长度5000 mm，远大于SCR 催化装置的设计长度，因此长度方向不考虑），采用150 mm ×150 mm × 150 mm 的载体，因此设计为每层12 × 12块，共三层，串联装填方式，因此载体总长度45 cm，计算载体总体积为1458 升，在上述的设计范围之内；催化装置截面尺寸为1950 mm × 1950 mm（含载体封装），在上述安装边界范围之内。

本案例的SCR 催化剂载体的设计布置方式如图6 所示。催化装置实物如图7 所示。

图6 催化剂载体的布置

图7 催化装置实物图

4.4 测试结果

测试仪器：自动烟尘烟气测试仪（GH-60E）CLYQB-056。

采样依据：固定污染源排气中的颗粒物测定与气态污染物采样方法及修改单GB/T 16157-1996，固定源废气监测技术规范HJ/T 397-2007。

测试方法依据：固定污染源废气氮氧化物的测定 定电位电解法HJ693-2014。

经测试，SCR 催化装置后NOx排放三次检测值为70、85、26 mg/Nm3，平均值为60 mg/Nm3，满足限值150 mg/m3要求；净化装置背压值为420 Pa，满足目标要求。

按照以上计算步骤和设计方法设计的SCR 催化装置，满足设定的目标。

5 结语

柴油发电机组尾气SCR 催化装置设计中，结合了柴油机排放特性与SCR 催化剂的特性、空速与效率、载体特性与载体布置方式的影响因素，形成了一套柴油发电机组SCR 催化装置的设计方法，按此方法设计的装置经实际应用验证，全部达到设定目标。提供了一套实用的SCR 催化装置的设计方法，对数据中心柴油发电机组以及相关领域的SCR 系统的设计提供帮助。