船舶柴油機(jī)排放控制SCR技術(shù)探討

曹艷東

摘 要：本文簡(jiǎn)述了SCR系統(tǒng)原理、組成以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等，并分析了SCR在低負(fù)荷時(shí)存在的問題及解決辦法。簡(jiǎn)述了SCR應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，為船舶排放控制技術(shù)的選擇提供了參考。

關(guān)鍵詞：SCR ；排放控制 ；氣缸旁通

中圖分類號(hào)：U664.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper briefly introduces the principle， composition and control system of SCR， and analyses the problem and its solution when SCR is running in low load condition， describes the advantage and disadvantages on applying SCR， and provides the reference for the choosing of ship emission control technology.

Key words： SCR； Emission control； Cylinder bypass

1 前言

根據(jù)IMO MEPC（66）會(huì)議決議，船舶在排放控制區(qū)域（ECA）運(yùn)行時(shí)，在2016年1月1日之后建造的船舶上安裝的主機(jī)必須強(qiáng)制滿足NO× Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。目前使主機(jī)的NOx排放滿足標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)途徑有兩種：SCR（選擇性催化還原）和EGR（廢氣再循環(huán)），其中SCR技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于陸基電廠的排放控制中，屬于尾氣后處理技術(shù)，比較成熟，本文將對(duì)SCR技術(shù)在船舶排放控制上的應(yīng)用做簡(jiǎn)要探討 。

2 SCR原理

SCR是“SelectiveCatalyticReduction”的縮寫，即選擇性催化還原，其原理就是在含有氮氧化物NOx的尾氣中噴入氨氣、尿素或者其它含氮化合物，和尾氣中的NOx進(jìn)行催化還原反應(yīng)，生成無毒無污染的氮?dú)夂退?。還原反應(yīng)在較低的溫度范圍（315 ℃～400 ℃）內(nèi)進(jìn)行，利用還原劑（氨氣、尿素溶液等）有選擇性地與NOx在催化劑涂層上進(jìn)行催化還原反應(yīng)，故稱之為選擇性催化還原。尿素溶液由于高溫分解成氨氣NH3和二氧化碳CO2，氨氣NH3又在催化劑作用下與氮氧化物NO、NO2結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，將其還原成氮?dú)夂退?/p>

在溫度315 ℃～400 ℃時(shí)有較高的反應(yīng)效率，但在溫度較低時(shí)（250 ℃及以下）NOx轉(zhuǎn)化效率較低。

3 SCR系統(tǒng)組成

SCR系統(tǒng)主要由尿素供給與噴射裝置、混合器、反應(yīng)器、吹灰系統(tǒng)、主機(jī)控制系統(tǒng)等組成。SCR系統(tǒng)目前主要有兩種型式：一種是高溫高壓SCR系統(tǒng)，即反應(yīng)器和混合器布置在增壓器前；一種是低溫低壓SCR系統(tǒng)，即反應(yīng)器和混合器布置在增壓器后。前者布置的空間有限，但可以獲得較高的反應(yīng)溫度，NOx轉(zhuǎn)化效率較高：后者有相對(duì)寬敞的布置空間，但排氣溫度較低，需要用額外的燃燒器提高溫度，增大燃油消耗。本文重點(diǎn)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率較高的高溫高壓的SCR系統(tǒng)進(jìn)行探討。

3.1 尿素供給與噴射裝置

由于氨氣有毒，不便于存儲(chǔ)運(yùn)輸并且有泄漏的危險(xiǎn)，因此SCR系統(tǒng)中普遍使用尿素作為催化還原反應(yīng)的還原劑。在反應(yīng)前將尿素和水按一定比例混合噴入主機(jī)排放的廢氣中，尿素溶液由于高溫分解生成氨氣和二氧化碳。尿素供給與噴射裝置包括尿素罐、尿素泵、計(jì)量單元和尿素噴射單元等。尿素罐用于存儲(chǔ)工業(yè)尿素，帶有液位傳感器、溫度傳感器等檢測(cè)裝置，傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尿素的液位和溫度。當(dāng)尿素液位低于設(shè)定閥值時(shí)，電子控制單元會(huì)提示用戶及時(shí)向尿素罐駁運(yùn)尿素溶液，而當(dāng)尿素溶液的溫度過低或過高時(shí)，電子控制單元便控制加熱裝置的啟閉，防止溶液凍結(jié)或過熱。

尿素計(jì)量單元用來確保在不同負(fù)荷和不同NOx排放標(biāo)準(zhǔn)下正確的尿素噴射量。尿素計(jì)量取決于在SCR反應(yīng)器之前和之后進(jìn)行的在線NOx測(cè)量，并將實(shí)測(cè)值與臺(tái)架試驗(yàn)NOx估計(jì)值相比較，這是為了確保當(dāng)NOx測(cè)量傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)發(fā)生尿素劑量不足或過多的情況。

3.2 混合器

混合器上設(shè)計(jì)有尿素噴嘴，排氣通道，混合葉片等，尿素溶液通過尿素泵輸送到尿素噴嘴，同時(shí)在壓縮空氣的作用下實(shí)現(xiàn)良好霧化，通過混合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主機(jī)排氣混合均勻，在排氣溫度的作用下，尿素將在混合器中蒸發(fā)并發(fā)生化學(xué)分解反應(yīng)而形成氨。

3.3 反應(yīng)器

反應(yīng)器是SCR系統(tǒng)的核心，是去除氮氧化物實(shí)現(xiàn)脫硝的關(guān)鍵設(shè)備。反應(yīng)器由進(jìn)氣管、殼體、 催化劑、排氣管、保溫層及其他附屬部件組成，其目的是為NOx催化還原反應(yīng)提供場(chǎng)所、反應(yīng)條件和催化劑。

目前，SCR系統(tǒng)催化劑主要有四類：金屬氧化物催化劑、貴金屬催化劑、分子篩催化劑和碳基催化劑。對(duì)于船舶SCR系統(tǒng)，金屬氧化物催化劑使用較為廣泛。

SCR設(shè)備的運(yùn)行成本很大程度上取決于催化劑的壽命，理論上催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)，可以無限期的使用，但實(shí)際應(yīng)用中由于多種因素的作用會(huì)造成催化劑失去活性即催化劑鈍化，催化劑鈍化分為物理鈍化和化學(xué)鈍化。

催化劑化學(xué)鈍化主要是堿金屬（如Na、K、Ca等）和重金屬（如As、Pt、Pb等）引起的催化劑中毒。堿金屬吸附在催化劑的毛細(xì)孔表面，金屬氧化物與催化劑表面的硫氧化物生成硫酸鹽而造成催化劑中毒。

催化劑物理鈍化主要包括：柴油機(jī)尾氣溫度較高導(dǎo)致催化劑發(fā)生燒結(jié)，其物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化引起表面堵塞，減少了催化劑與氮氧化物和氨氣的接觸面積。另外，顆粒物質(zhì)、雜質(zhì)堵塞或覆蓋了催化劑表面的活性區(qū)域，進(jìn)而阻礙氮氧化物與催化劑的充分接觸，也會(huì)降低了催化劑的活性。

為了防止催化劑鈍化而影響SCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行，要定時(shí)的更換催化劑。除此之外，一些催化劑再生技術(shù)也逐漸應(yīng)用到SCR系統(tǒng)中。

3.4 主機(jī)控制系統(tǒng)

由于SCR安裝在渦輪增壓器之前，這就為主機(jī)和渦輪增壓器之間的能量平衡帶來了挑戰(zhàn)。在主機(jī)啟動(dòng)和加速過程中，需要直接旁通一部分廢氣至渦輪增壓器，以確保渦輪增壓器有足夠的能量輸入。同理，也需要在主機(jī)降速期間旁通渦輪，因?yàn)镾CR出口排氣的能量太高。

主機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能：確?？山邮艿闹鳈C(jī)性能；確保SCR系統(tǒng)的快速加熱；確保最低的排氣溫度Tmin。

在圖1中：三個(gè)旁通閥V1、V2、V3控制著進(jìn)入SCR系統(tǒng)的排氣和直接進(jìn)入渦輪的排氣之間的分配；三個(gè)溫度計(jì)T1、T2、T4，其中T1是排氣集管的排氣溫度，T2是渦輪進(jìn)口的排氣溫度，T4是SCR反應(yīng)器出口的排氣溫度。T1與T2的差值dT反應(yīng)主機(jī)與渦輪增壓器之間的能量平衡程度。一般情況下，當(dāng)dT≤50 ℃時(shí)能夠保證主機(jī)的性能，即當(dāng)dT≤50 ℃時(shí)開始打開V2和V3閥，然后逐步關(guān)閉V1閥，在開始尿素噴射前的三分之二時(shí)間段內(nèi)打開V2閥，在剩下的三分之一時(shí)間段內(nèi)關(guān)閉V1閥，然后SCR系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒就可以噴射尿素了。當(dāng)dT>50 ℃時(shí)，V1閥會(huì)逐步打開，降低dT從而確保主機(jī)與渦輪增壓器的能量平衡。在這種情況下，尿素噴射將被設(shè)置為非常低的流量，以避免NH3的逃逸。通過這三個(gè)溫度的測(cè)量，主機(jī)控制系統(tǒng)能夠確保在減速/加速SCR系統(tǒng)和加熱/冷卻的過程中保持主機(jī)性能。

3.5 主機(jī)在低負(fù)荷下提高排氣溫度的方法

圖1中的CBV為氣缸旁通閥，主要作用是通過調(diào)整CBV的開度提高主機(jī)在低負(fù)荷下的排氣溫度，確保排氣溫度高于SCR所需的最低排氣溫度Tmin。主要工作原理是：在定量的燃油燃燒情況下，氣缸旁通閥CBV通過降低進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量來提高排氣溫度，隨著氣缸旁通閥的完全打開，T1可提高約165 ℃，這意味著SCR能夠獲得更高的排氣溫度，經(jīng)過測(cè)試該方法是合適的。因?yàn)橥ㄟ^渦輪增壓器的氣流幾乎保持不變，掃氣壓力也將被保持，所以燃油進(jìn)程幾乎不受影響。

由于排氣溫度的增加將導(dǎo)致排氣閥的熱負(fù)荷增加大約25 ℃，以及約2～3 g/kWh的SFOC損失。在未來應(yīng)用中，可能需要提高掃氣溫度與氣缸旁通閥CBV相結(jié)合來確保SCR系統(tǒng)在主機(jī)更低負(fù)荷下正常運(yùn)行。

4 SCR的前景分析

SCR最大的優(yōu)點(diǎn)是可以減少柴油機(jī)80%～95%的氮氧化物排放，是目前效率較高的達(dá)到Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)。使用SCR系統(tǒng)不必對(duì)柴油機(jī)做較大的改動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性好、燃油經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)燃油油品和機(jī)油品質(zhì)要求較低且不會(huì)增加油耗和黑煙的排放，這也是SCR技術(shù)被普遍看好的原因。

然而SCR在應(yīng)用過程中也存在一些問題，具體表現(xiàn)在系統(tǒng)的初裝成本高、尺寸大，在船舶有限的空間內(nèi)布置較為困難。此外，還原劑和催化劑的消耗也是潛在的投入成本。

5 結(jié)束語

SCR是目前應(yīng)用最多、效率最高而且是最成熟的技術(shù)，即保留了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力大、油耗低的優(yōu)點(diǎn)，也實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)的排放達(dá)到了Tier III的排放標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)造成二次污染。隨著世界對(duì)環(huán)境的重視和排放法規(guī)不斷的嚴(yán)格，柴油機(jī)的排放處理技術(shù)成了當(dāng)前發(fā)展柴油機(jī)技術(shù)的核心，僅僅通過優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)達(dá)到優(yōu)化燃燒改善排放的方法已很難滿足苛刻的排放法規(guī)要求，因此采用處理能力更強(qiáng)的柴油機(jī)排放后處理技術(shù)已是必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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[2]MAN Diesel&Turbo.Two Stroke Diesel Engine Tier III Technology.2013.