船舶柴油機排放控制SCR技術探討

曹艷東

摘 要：本文簡述了SCR系統原理、組成以及相應的控制系統等，并分析了SCR在低負荷時存在的問題及解決辦法。簡述了SCR應用的優點，為船舶排放控制技術的選擇提供了參考。

關鍵詞：SCR ；排放控制 ；氣缸旁通

中圖分類號：U664.12 文獻標識碼：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IMO MEPC（66）會議決議，船舶在排放控制區域（ECA）運行時，在2016年1月1日之后建造的船舶上安裝的主機必須強制滿足NO× Tier III排放標準。目前使主機的NOx排放滿足標準的主要技術途徑有兩種：SCR（選擇性催化還原）和EGR（廢氣再循環），其中SCR技術已廣泛地應用于陸基電廠的排放控制中，屬于尾氣后處理技術，比較成熟，本文將對SCR技術在船舶排放控制上的應用做簡要探討 。

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進行催化還原反應，生成無毒無污染的氮氣和水。還原反應在較低的溫度范圍（315 ℃～400 ℃）內進行，利用還原劑（氨氣、尿素溶液等）有選擇性地與NOx在催化劑涂層上進行催化還原反應，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結合發生反應，將其還原成氮氣和水。

在溫度315 ℃～400 ℃時有較高的反應效率，但在溫度較低時（250 ℃及以下）NOx轉化效率較低。

3 SCR系統組成

SCR系統主要由尿素供給與噴射裝置、混合器、反應器、吹灰系統、主機控制系統等組成。SCR系統目前主要有兩種型式：一種是高溫高壓SCR系統，即反應器和混合器布置在增壓器前；一種是低溫低壓SCR系統，即反應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溫度，NOx轉化效率較高：后者有相對寬敞的布置空間，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。本文重點對NOx轉化效率較高的高溫高壓的SCR系統進行探討。

3.1 尿素供給與噴射裝置

由于氨氣有毒，不便于存儲運輸并且有泄漏的危險，因此SCR系統中普遍使用尿素作為催化還原反應的還原劑。在反應前將尿素和水按一定比例混合噴入主機排放的廢氣中，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、計量單元和尿素噴射單元等。尿素罐用于存儲工業尿素，帶有液位傳感器、溫度傳感器等檢測裝置，傳感器用于實時監測尿素的液位和溫度。當尿素液位低于設定閥值時，電子控制單元會提示用戶及時向尿素罐駁運尿素溶液，而當尿素溶液的溫度過低或過高時，電子控制單元便控制加熱裝置的啟閉，防止溶液凍結或過熱。

尿素計量單元用來確保在不同負荷和不同NOx排放標準下正確的尿素噴射量。尿素計量取決于在SCR反應器之前和之后進行的在線NOx測量，并將實測值與臺架試驗NOx估計值相比較，這是為了確保當NOx測量傳感器出現故障時，不會發生尿素劑量不足或過多的情況。

3.2 混合器

混合器上設計有尿素噴嘴，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，同時在壓縮空氣的作用下實現良好霧化，通過混合器內部結構和主機排氣混合均勻，在排氣溫度的作用下，尿素將在混合器中蒸發并發生化學分解反應而形成氨。

3.3 反應器

反應器是SCR系統的核心，是去除氮氧化物實現脫硝的關鍵設備。反應器由進氣管、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催化還原反應提供場所、反應條件和催化劑。

目前，SCR系統催化劑主要有四類：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。對于船舶SCR系統，金屬氧化物催化劑使用較為廣泛。

SCR設備的運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反應，可以無限期的使用，但實際應用中由于多種因素的作用會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鈍化。

催化劑化學鈍化主要是堿金屬（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：柴油機尾氣溫度較高導致催化劑發生燒結，其物理結構發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、雜質堵塞或覆蓋了催化劑表面的活性區域，進而阻礙氮氧化物與催化劑的充分接觸，也會降低了催化劑的活性。

為了防止催化劑鈍化而影響SCR系統的正常運行，要定時的更換催化劑。除此之外，一些催化劑再生技術也逐漸應用到SCR系統中。

3.4 主機控制系統

由于SCR安裝在渦輪增壓器之前，這就為主機和渦輪增壓器之間的能量平衡帶來了挑戰。在主機啟動和加速過程中，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，也需要在主機降速期間旁通渦輪，因為SCR出口排氣的能量太高。

主機控制系統的主要功能：確保可接受的主機性能；確保SCR系統的快速加熱；確保最低的排氣溫度Tmin。

在圖1中：三個旁通閥V1、V2、V3控制著進入SCR系統的排氣和直接進入渦輪的排氣之間的分配；三個溫度計T1、T2、T4，其中T1是排氣集管的排氣溫度，T2是渦輪進口的排氣溫度，T4是SCR反應器出口的排氣溫度。T1與T2的差值dT反應主機與渦輪增壓器之間的能量平衡程度。一般情況下，當dT≤50 ℃時能夠保證主機的性能，即當dT≤50 ℃時開始打開V2和V3閥，然后逐步關閉V1閥，在開始尿素噴射前的三分之二時間段內打開V2閥，在剩下的三分之一時間段內關閉V1閥，然后SCR系統準備就緒就可以噴射尿素了。當dT>50 ℃時，V1閥會逐步打開，降低dT從而確保主機與渦輪增壓器的能量平衡。在這種情況下，尿素噴射將被設置為非常低的流量，以避免NH3的逃逸。通過這三個溫度的測量，主機控制系統能夠確保在減速/加速SCR系統和加熱/冷卻的過程中保持主機性能。

3.5 主機在低負荷下提高排氣溫度的方法

圖1中的CBV為氣缸旁通閥，主要作用是通過調整CBV的開度提高主機在低負荷下的排氣溫度，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通過降低進入氣缸的空氣質量來提高排氣溫度，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，經過測試該方法是合適的。因為通過渦輪增壓器的氣流幾乎保持不變，掃氣壓力也將被保持，所以燃油進程幾乎不受影響。

由于排氣溫度的增加將導致排氣閥的熱負荷增加大約25 ℃，以及約2～3 g/kWh的SFOC損失。在未來應用中，可能需要提高掃氣溫度與氣缸旁通閥CBV相結合來確保SCR系統在主機更低負荷下正常運行。

4 SCR的前景分析

SCR最大的優點是可以減少柴油機80%～95%的氮氧化物排放，是目前效率較高的達到Tier III排放標準的控制技術。使用SCR系統不必對柴油機做較大的改動，發動機耐久性好、燃油經濟性好、對燃油油品和機油品質要求較低且不會增加油耗和黑煙的排放，這也是SCR技術被普遍看好的原因。

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

5 結束語

SCR是目前應用最多、效率最高而且是最成熟的技術，即保留了柴油發動機動力大、油耗低的優點，也實現了柴油機的排放達到了Tier III的排放標準，不會造成二次污染。隨著世界對環境的重視和排放法規不斷的嚴格，柴油機的排放處理技術成了當前發展柴油機技術的核心，僅僅通過優化柴油機結構達到優化燃燒改善排放的方法已很難滿足苛刻的排放法規要求，因此采用處理能力更強的柴油機排放后處理技術已是必然趨勢。

參考文獻

[1]IMO.MARPOL73/78 防污染公約附則 VI[S].2005.

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