重康动力（深圳）有限公司

摘要：本文针对非道路移动机械用柴油发电机排气污染问题，系统阐述DPF颗粒捕集器和SCR氮氧化物催化还原装置的工作原理、设计标准及技术参数。文章详细解析DPF的陶瓷过滤与再生机制、SCR的选择性催化还原反应化学过程，以及“二合一”技术的关键设计考量，为排放不达标柴油发电机的环保改造提供技术依据。

 

一、柴油发电机排气污染的现状与治理标准

 

随着我国经济的持续快速发展，非道路移动机械也加快了城市的发展，柴油发电机的排气污染问题日益突出。柴油发电机排气污染物主要有碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）和黑烟颗粒物（PM）。其中，PM颗粒物是污染环境的最大来源，占到90%以上。PM2.5对大气污染的严重性已广为人知，其极易导致人体呼吸系统疾病。同时，“十三五”已将PM黑烟颗粒物的排放纳入大气污染的总量控制中。环保检测主要控制的指标是柴油发电机的烟度值，而影响烟度值的主要指标正是排气中的PM，因此PM成为了治理的关键目标。

1. 非道路移动机械的排放现状

目前，非道路移动机械由于使用年限长、原排非常差、不易报废、不方便监控等原因，许多不达标柴油发电机一直在使用，有些柴油发电机连国II排放限值都未达到。为控制大气PM2.5的指标，现急需治理排放不达标的柴油发电机。加装康明斯BST系列DPF陶瓷载体颗粒捕集器能有效降低排气污染物PM，净化效率达95%以上，柴油发电机组排气光吸收系数值可达≤0.5m⁻¹或林格曼黑度值可满足≤1级。加装康明斯BST系列SCR氮氧化物催化还原装置，NOX催化还原效率达80%至95%以上，可满足环保最新排放要求。

2. 设计技术规范和标准依据

柴油发电机排气后处理系统的设计须遵循国家及行业相关标准，主要依据如下：

• 《中华人民共和国大气污染防治法》

• GB 16297-1996 《大气污染物综合排放标准》

• DB 44/27-2001 《大气污染排放限值》

• GB 20891-2014 《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（第三、第四阶段）》

• GB 36886-2018 《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》

• GB/T 17619-1998 《机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法》

• GB 2423 《电工电子产品环境试验》

• GB 4208-2008 《外壳防护等级》

• HJ 451-2008 《环境保护产品技术要求 柴油机排气后处理装置》

• JB/T 1180.4-2014 《柴油机选择性催化还原（SCR）系统》

• HJ 2027-2013 《催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》

• GB/T 8190.4 《往复式内燃机排放测量 第4部分 不同用途发动机的稳态试验循环》

• GB/T 16157 《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》

• GB 5226 《机械安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》

• GB J 232 《电器装置安装工程及验收规程》

• GB J 54-83 《低压配电装置及线路设计规范》

• GB J 93-1986 《工业自动化仪表工程施工及验收规范》

• GB 50254-1996 《电气装置安装工程 低压电气施工和验收规范》

• GB 50217-1994 《电力工程电缆设计规范》

 

二、DPF颗粒捕集器的结构与工作原理

 

柴油发电机上安装的DPF柴油颗粒捕集器，是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，可以在微粒排放物质进入大气之前将其过滤出来并捕捉。颗粒捕集器能够减少发动机所产生的烟灰达90%以上，捕捉到的微粒排放物质随后在发电机组运转过程中燃烧殆尽。

1. DPF工作原理与再生机制

DPF柴油颗粒捕集器的工作原理是在柴油微粒过滤器上喷涂金属铂、铑、钯等重金属物质。柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟通过专用排气管道进入发动机尾气微粒捕集器，经过其内部密集设置的袋式过滤器，将碳烟微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上，从而减少这些微粒直接通过排气系统排放到大气中，显著提高发电机组尾气排放的质量。典型结构外形如图1所示。

2. DPF+SCR“二合一”技术原理

在颗粒捕集器上的“二合一”技术就是把SCR催化剂涂敷在DPF载体内，集SCR和DPF的功能于一体，这样能有效降低成本，并减少系统的安装空间。然而，与传统基于CDPF再生技术和基于FBC再生技术的DPF结构相比，基于“二合一”技术的DPF需要更大孔隙率和平均孔直径。结构如图2所示。

（1）热冲击与设计对策：基于FBC再生技术，放热速度快，对DPF的热冲击比较大。针对这一情况，一般通过减少目数、增加壁厚以及减少孔隙率和平均孔直径等设计手段来增加DPF的热容量，从而减少其在“发动机进入怠速运行”情况下的最高温度和温度梯度。

（2）CDPF技术对比：CDPF技术能有效降低DPF再生时的温度，有助于提高燃油经济性，但一般催化剂涂敷量不是很大，约为5至10g/L，因此应用于CDPF技术的DPF需要适中的孔隙率和平均孔直径。

（3）二合一技术的高涂敷量要求：基于“二合一”技术往往要求高达90至220g/L，甚至更高的催化剂涂敷量。这势必导致DPF的压差增大，恶化燃油经济性，因而需要设计高孔隙率和大平均孔直径的DPF来满足高涂敷量和低背压的要求。

 

图1  柴油机DPF颗粒捕集器外形图

图2  选择性催化还原器SCR系统外形图（二合一）

 

三、SCR系统设计依据与工作原理

 

1. SCR系统设计依据与型号参数

根据项目原始设计参数与目标排放标准进行定制设计。该系统包括SCR反应器、混合单元、尿素存储单元、尿素补充单元、供气单元、计量喷射单元、PLC控制单元及检修旁通（可选）等。型号为BST-400DG-SCR/WSK中温催化剂，适用发动机排气温度250至420℃。

2. SCR催化还原工作原理

SCR是选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction）的英文缩写。如图3所示，其工作原理是将还原剂喷入排气管，使排气中的氮氧化合物在催化器的作用下与还原剂反应被还原成氮气和水。SCR系统目前采用的还原剂是尿素。

（1）尿素分解反应：尿素水溶液在高温下分解成NH₃和CO₂：

NH₂CONH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂

（2）主要还原反应：NH₃和排气中的NO和NO₂反应产生氮气和水：

NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O
4NO + O₂ + 4NH₃ → 4N₂ + 6H₂O
2NO₂ + O₂ + 4NH₃ → 3N₂ + 6H₂O

（3）氨氧化层防泄漏：为防止SCR系统在整个使用过程中出现氨气泄漏，SCR催化器可设有氨氧化层，在氨氧化层中NH₃与O₂反应生成氮气和水：

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

3. 系统结构与工艺流程

SCR脱硝技术主要由SCR反应室、催化剂、混合管、SCR控制系统、喷射柜（含尿素泵、尿素箱、尿素溶液传感器、尿素喷射管、尿素回液管）、尿素喷嘴、NOX传感器、温度传感器、压力传感器、流量计、尿素存储罐（1吨）等部分组成，如图4所示。尿素以32.5%浓度的溶液形态储存于尿素罐中，在尿素喷射箱中经压缩机和尿素泵的作用送到喷枪，然后与烟气和空气充分混合进入SCR反应室。当烟气经过SCR反应室的催化层时，发生选择性催化还原反应。

（1）中温段布置：采用的SCR氮氧化物催化还原装置工艺为中温段布置，催化剂在使用较高温度下，可以在320至400℃范围内正常稳定运行，尿素在该温度区域也能彻底分解，达到最佳使用效果，脱硝效率80%至95%。

（2）温度保护机制：中温段布置催化剂适用发动机排气温度250至420℃，最佳催化温度320至400℃。当温度超过420℃时，系统会打开旁通使烟气从旁路排出，以保护催化剂不被烧坏。

 

 

图3  柴油发电机选择性催化还原器SCR工作原理

图4  柴油发电机选择性催化还原器SCR系统结构图

 

总结

柴油发电机排气后处理是控制大气PM2.5污染的关键环节。针对非道路移动机械用柴油发电机排放现状，DPF颗粒捕集器通过陶瓷过滤器吸附碳烟微粒，净化效率可达95%以上，排气光吸收系数值可达≤0.5m⁻¹。SCR系统通过喷射尿素将NOX还原为氮气和水，催化还原效率达80%至95%，适用排气温度250至420℃，最佳工作窗口320至400℃。“二合一”技术将SCR催化剂涂敷于DPF载体，可降低成本并节省安装空间，但须解决高涂敷量（90至220g/L）带来的压差增大和热冲击问题。设计须依据国家及行业相关标准（涵盖大气污染防治法、排放限值、后处理装置技术要求等共19项规范），根据项目原始参数与目标排放标准进行定制。加装BST系列DPF+SCR组合后处理装置，可使不达标柴油发电机的排放满足环保最新要求，为降低PM和NOX排放提供可靠的技术路径。

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