船用柴油內燃機排氣凈化裝置的設計與研究

陸倩楠 史良方

摘 要：海上航行的船舶柴油機有限制排防污染的要求，隨著對海洋生態環境要求的日益嚴格，今后國際上越來越多的地區會對船舶柴油機尾氣排放提出控制。2009年9月，我國公布《防止船舶污染海洋法》，并自2010年3月1日起施行與國際船用柴油機污染物排放相比，我國的船用柴油機排放標準較為寬松。如今國際高排放標準已經生效，面對這個巨大的挑戰，本文提出了一種船用柴油內燃機排氣凈化的裝置，結合選擇性催化還原方法、自主開發應用SCR系統等等，以面對海上環保問題。

關鍵詞：船用柴油；內燃機；排氣凈化；SCR系統；環保

1 前言

柴油機兼具經濟性與良好的動力，為船舶最普遍使用的動力裝置，在船舶上得到了廣泛應用。然而，由于船用柴油機尾氣中PM（顆粒物包括碳粒、重碳氫化合物、硫酸鹽、油氣、水汽及灰分等），CO，NOx，SO2，HC（碳氫化合物）等物質的排放，其中，HC，NOx可在適宜的條件下產生毒性強烈的光化學煙霧；NOx和SO2易溶于水形成酸雨；CO對人體有毒性作用。可見，船用柴油機尾氣中的各類物質會對人類生存環境造成很大的污染與破壞。

隨著人們對環境質量關注度的日益提升，大力發展研究柴油機尾氣凈化技術，是未來大型船用柴油機技術發展的必然趨勢。因此開展船用柴油機尾氣控制與凈化措施的研究，具有重要的意義。

2 功能簡介

柴油機尾氣的控制方法主要包括機內控制和尾氣凈化兩類。機內控制主要通過采取相應措施抑制柴油機尾氣中有害物質的生成，尾氣凈化指采取相應技術將尾氣中已生成的NOx和顆粒物除去。利用選擇性催化還原方法，其工作原理是在催化劑（V2O5、WO3、TiO2的復合物）的作用下，在一定溫度下（大于300℃），以氨或尿素為還原劑選擇性地與廢氣中的NOx反應，生成無害的氮氣和水，從而達到降低柴油機尾氣中NOx含量的目的。SCR系統包括催化反應器、尿素存貯器、噴氨系統、NOx分析單元裝置及控制單元組成等。

3 “凈化裝置”的主要結構

4 “凈化裝置”的基本原理

（1）廢氣再循環系統廢氣再循環系統（Exhaust Gas Recirculation，EGR）的工作原理為：將定量廢氣與新鮮空氣共同引入燃燒室參與燃燒反應；廢氣的引入增加了反應所需的熱容量，同時由于廢氣造成氧氣濃度起到稀釋降低的作用，從而降低最高燃燒溫度，從而抑制了NOx的產生。柴油機燃油霧化效果越好，燃燒就越充分，產生的NOx和顆粒物就越少。共軌燃油噴射技術（CRI）采用電子控制系統，允許燃油噴射壓力隨實際工況改變，使得燃油燃燒更充分、機械效率更高、尾氣更清潔。

（2）選擇性催化還原技術（SCR）Silencer Reagent Feed Injection Module Catalyst Housing Air Feed TierⅢ標準相當于在TierⅡ基礎上NOx降低75%，采用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術是目前最有效，也是實現TierⅢ標準的唯一方法。其工作原理是在催化劑（V2O5、WO3、TiO2的復合物）的作用下，在一定溫度下（大于300℃），以氨或尿素為還原劑選擇性地與廢氣中的NOx反應，生成無害的氮氣和水，從而達到降低柴油機尾氣中NOx含量的目的。

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H20

經過這道程序處理后的廢氣中約有70%～80%的NOx 被吸收，從而到達清潔排放、完全滿足IMO第三階段廢氣排放的要求。

一個典型的SCR 系統的主要部件有轉化爐、尿素供給系統、監測單元和控制單元等，如圖所示。

5 “凈化裝置”的制作方法

（1）裝置引入新鮮空氣

將定量廢氣與新鮮空氣共同引入燃燒室參與燃燒反應；廢氣的引入增加了反應所需的熱容量，同時由于廢氣造成氧氣濃度起到稀釋降低的作用，從而降低最高燃燒溫度，從而抑制了NOx的產生。

（2）裝置引入選擇性催化還原方法（SCR）

是目前最有效，也是實現TierⅢ標準的唯一方法。其工作原理是在催化劑（V2O5、WO3、TiO2的復合物）的作用下，在一定溫度下（大于300℃），以氨或尿素為還原劑選擇性地與廢氣中的NOx反應，生成無害的氮氣和水，從而達到降低柴油機尾氣中NOx含量的目的。

（3）裝置自主開發應用SCR系統

（4）裝置使用柴油機尾氣處理液

它是一種SCR技術，用來減少柴油車尾氣中的氮氧化物污染的液體。

（5）裝置安裝電子控制單元

控制柴油發動機尾氣排放中氮氧化合物NOX應用電子控制單元，氮氧化合物NOX傳感器，尿素噴射單元，尿素箱及其相關管路等技術，并在排氣管路中封裝好的涂覆了選擇性催化劑的載體。

（6）裝置精確控制尿素噴射量

通過安裝在涂覆了選擇性催化還原劑的載體前的氮氧化合物NOX傳感器測得排氣中的氮氧化合物的濃度，并反饋給電子控制單元，計算出所需要的尿素噴射量，并通過尿素噴射單元進行噴射與現有的技術相比，通過氮氧化合物NOX傳感器反饋可以真實的反映在不同的車況下發動機的排放情況，進而精確控制尿素噴射量，而不是僅通過發動機標定的方式確定尿素噴射量，大大提高了控制精度，使柴油發動機尾氣排放中氮氧化合物NOX得到更有效的降低。直時處理氮氧化物。解決前處理治本，后處理治標。

6 “智能窗”的使用說明

（1）安裝好后，設備處于待機狀態；

（2）當定期需要進行對清潔。

7 相關拓展

隨著船用柴油機排放標準的提高，各國均在積極開發可應用的SCR系統。德國、芬蘭、美國、日本等，先進造船國家在20世紀80年代末就開始NOX SCR系統的研發工作，實現了該系統的全自動化監控和管理。德國西門子公司研制的SCR裝置由氮氧還原系統、檢測與控制系統兩部分組成。

研究數據表明，該裝置對柴油機主機影響不大，NOx的排放SCR率由13g/kW·h降到2.04g/kW·h，滿足IMO的要求，滿足歐洲Ⅱ號排放標準（小于7g/kW·h）。美國RJM公司研發的SCR裝置主要由尿素水溶液貯存柜、供給泵、濾清器、檢測控制器及噴射器等組成，其核心部分是ARIS2000還原反應劑噴射系統。2010年，瓦錫蘭集團與ABB公司聯合瑞士HugEngineering公司研發出了比傳統系統體積小80%的緊湊型SCR系統。2011年3月，MAN公司首次在6S46MC-C8型船用低速柴油機上安裝了其研發的緊湊型SCR系統。日本SantaVista輪在2011年首次安裝了SCR裝置，滿足TierⅢNOx的排放要求。2011年7月，韓國現代重工成功研發出SCR系統，并通過韓國船級社認證。

反觀國內情況，目前我國對船用SCR系統的研究尚處于起步階段。隨著人們對環境質量關注度的日益提升，大力發展研究柴油機尾氣凈化技術，是未來大型船用柴油機技術發展的必然趨勢。因此開展船用柴油機尾氣控制與凈化措施的研究，具有重要的意義。

參考文獻

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（作者單位：浙江省象山中學）