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柴油發(fā)電機尾氣凈化設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理 |
摘要：隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，非道路移動機械也加快了城市的發(fā)展，柴油發(fā)電機的排氣污染問題也日益突出。柴油發(fā)電機排氣污染物主要有：碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、黑煙顆粒物（PM）,柴油發(fā)電機排放的PM顆粒物是污染環(huán)境的最大來源，占到90%以上。眾所周知PM2.5對大氣污染的嚴重性，容易導致人體呼吸系統(tǒng)疾病。同時“十三五”將PM黑煙顆粒物的排放納入到大氣污染的總量控制中。環(huán)保檢測主要控制的指標是柴油發(fā)電機的煙度值，影響煙度值的主要指標是排氣中的PM，因此PM成為了治理的關(guān)鍵目標。
目前，非道路移動機械由于使用年限長、原排非常差、不易報廢、不方便監(jiān)控等原因，許多不達標柴油發(fā)電機一直在使用，有些柴油發(fā)電機連國II排放限值都未達到。為控制大氣PM2.5的指標，現(xiàn)急需治理排放不達標的柴油發(fā)電機，加裝康明斯BST系列DPF陶瓷載體顆粒捕集器能有效降低排氣污染物PM，凈化效率達95%以上，柴油發(fā)電機組排氣光吸收系數(shù)值可達≤0.5m-1或林格曼黑度值可滿足≤1級。加裝康明斯BST系列SCR氮氧化物催化還原裝置，NOX催化還原效率達80%-95%以上，滿足環(huán)保最新要求排放。
一、設(shè)計技術(shù)規(guī)范和標準
（1）《中華人民共和國大氣污染防治法》
（2）GB 16297-1996 《大氣污染物綜合排放標準》
（3）DB 44/27-2001 《大氣污染排放限值》
（4）GB 20891-2014 《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(第三、第四階段)》
（5）GB 36886-2018 《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》
（6）GB/T 17619-1998《機動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法》
（7）GB 2423 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗》
（8）GB 4208-2008 《外殼防護等級
（9）HJ 451-2008 《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求柴油機排氣后處理裝置》
（10）JB/T 1180.4-2014《柴油機選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)》
（11）HJ 2027-2013 《催化燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》
（12）GB/T 8190.4 《往復式內(nèi)燃機排放測量第4部分不同用途發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)》
（13）GB/T 16157 《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》
（14）GB 5226 《機械安全 機械電氣設(shè)備第1部分：通用技術(shù)條件》
（15）GB J 232 《電器裝置安裝工程及驗收規(guī)程》
（16）GB J 54-83 《低壓配電裝置及線路設(shè)計規(guī)范》
（17）GB J 93-1986 《工業(yè)自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》
（18）GB 50254-1996 《電氣裝置安裝工程低壓電氣施工和驗收規(guī)范》
（19）GB 50217-1994 《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》
二、DPF顆粒捕集器
柴油發(fā)電機上安裝的DPF柴油顆粒捕集器，是一種安裝在柴油發(fā)動機排放系統(tǒng)中的陶瓷過濾器，可以在微粒排放物質(zhì)進入大氣之前將其過濾出來并捕捉。顆粒捕集器能夠減少發(fā)動機所產(chǎn)生的煙灰達90%以上，捕捉到的微粒排放物質(zhì)隨后在發(fā)電機組運轉(zhuǎn)過程中燃燒殆盡。
1、DPF工作原理
DPF柴油顆粒捕集器工作基本原理是在柴油微粒過濾器噴涂上金屬鉑、銠、鈀等重金屬物質(zhì)，柴油發(fā)動機排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的排氣管道進入發(fā)動機尾氣微粒捕集器，經(jīng)過其內(nèi)部密集設(shè)置的袋式過濾器，將碳煙微粒吸附在金屬纖維氈制成的過濾器上。從而減少這些微粒直接通過排氣系統(tǒng)，排放到大氣中，提高了發(fā)電機組尾氣排放的質(zhì)量。外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2、DPF+SCR工作原理
在顆粒捕集器上的“二合一 (Two in One)”技術(shù)就是把SCR催化劑涂敷在DPF載體內(nèi)，集SCR和DPF的功能于一體，這樣能有效降低成本，并減少系統(tǒng)的安裝空間。然而，跟傳統(tǒng)的基于 CDPF 再生技術(shù)和基于 FBC 再生技術(shù)的 DPF 結(jié)構(gòu)相比，基于“二合一”技術(shù)的 DPF 需要更大孔隙率和平均孔直徑。由于基于 FBC 再生技術(shù)，放熱速度快，對DPF的熱沖擊比較大。對于這一情況，一般通過減少目數(shù)，增加壁厚，以及減少孔隙率和平均孔直徑等設(shè)計手段來增加 DPF 的熱容量，從而減少其在“發(fā)動機進入怠速運行 (Drop in Idle)”情況下的最高溫度和溫度梯度。CDPF 技術(shù)能有效降低 DPF 再生時的溫度，有助于提高燃油經(jīng)濟性;但是一般催化劑涂敷量不是很大， 5~10g/L。因此應用于CDPF 技術(shù)的 DPF 需要適中的孔隙率和平均孔直徑。
基于“二合一”技術(shù)往往要求高達 90~220g/L，甚至更高的催化劑涂敷量。這勢必導致 DPF的壓差增大，惡化燃油經(jīng)濟性，因而設(shè)計高孔隙率和大平均孔直徑 DPF 滿足高涂敷量、低背壓要求。外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示
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圖1 柴油機DPF顆粒捕集器外形圖 |
圖2 選擇性催化還原器SCR系統(tǒng)外形圖（二合一） |
三、SCR系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)
根據(jù)項目原始設(shè)計參數(shù)與目標排放標準進行定制設(shè)計。該系統(tǒng)包括：SCR反應器、混合單元、尿素存儲單元、尿素補充單元、供氣單元、計量噴射單元、PLC控制單元及檢修旁通（可選）等。
型號：BST-400DG-SCR/WSK中溫催化劑，適用發(fā)動機排氣溫度250-420度。
中國柴油發(fā)電機組排放標準
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《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001》第二時段二級標準中濃度限值
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污染物
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最高允許排放濃度（mg/m3）
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NOX氮氧化物
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≤120mg/Nm3
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1、SCR工作原理
SCR是Selective（選擇性） Catalytic（催化） Reduction（還原）的英文縮寫。其工作原理是將還原劑噴入排氣管，使 排氣中的氮氧化合物在催化器的作用下與還原劑反應被還原成氮氣和水，SCR系統(tǒng)目前采用的還原劑是尿素。其工作原理如圖3所示。
尿素水溶液在高溫下分解成NH3和CO2：
NH2CONH2+ H2O → 2NH3 +CO2
NH3和排氣中的NO和NO2反應產(chǎn)生氮氣和水：
NO+NO2+2NH3 → 2N2+3H2O
4NO+O2+4NH3 → 4N2+6H2O
2NO2+O2+4NH3 → 3N2+6H2O
為防止SCR系統(tǒng)在整個使用過程中出現(xiàn)氨氣泄漏，SCR催化器可設(shè)有氨氧化層，在氨氧化層中NH3與O2反應生成氮氣和水，反應式如下：
4NH3+3O2 → 2N2+6H2O
2. 設(shè)計工藝流程說明與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
SCR 脫硝技術(shù)主要由SCR 反應室、催化劑、混合管、SCR控制系統(tǒng)、噴射柜（尿素泵、尿素箱、尿素溶液傳感器、尿素噴射管、尿素回液管）、尿素噴嘴、NOX傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量計、尿素存儲罐（1噸）等部分組成。尿素以計算好濃度(32.5%）的溶液的形態(tài)儲存于尿素罐中，在尿素噴射箱中在壓縮機、尿素泵的作用下送到噴槍，然后在與煙氣和空氣充分混合進入SCR反應室。當煙氣經(jīng)過SCR反應室的催化層時，發(fā)生選擇性催化還原反應。
（1）采用的SCR氮氧化物催化還原裝置工藝為中溫段布置，催化劑在使用較高溫度下，可以在 320-400度范圍內(nèi)正常穩(wěn)定運行，尿素在該溫度區(qū)域也能徹底分解，達到最佳使用效果，脫硝效率80%-95%。
（2）中溫段布置催化劑適用發(fā)動機排氣溫度250-420度，最佳催化溫度320-400度，需要溫度超過420度會打開旁通，從旁路排出。以便保護催化劑不被燒壞；SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如圖3所示）。
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圖3 柴油發(fā)電機選擇性催化還原器SCR工作原理 |
圖4 柴油發(fā)電機選擇性催化還原器SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
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