試論基于SCR 技術的船舶柴油機尾氣處理系統

李武勝

（煙臺打撈局，山東 煙臺 264000）

在2008 年國際海事組織批準了MARPOL 附則的修正案后，IMO Tier Ⅲ對船舶NOX的排放有更加嚴格的限制，加大了航運企業的壓力。近年來，各國船舶制造行業對SCR 技術在降低船舶氮氧化物排放量這一作用上逐漸展開研究，希望能夠通過這一技術減輕航運行業對海洋造成的污染。

1 SCR 的發展與應用現狀

SCR 選擇性還原技術主要以尿素或NH3做還原劑，利用催化原理，將NOX還原成H2O 和N2。這一技術在柴油機為其處理系統中有重要的應用。SCR 技術在最初的應用與發展主要集中于發電廠設施、以四沖程柴油機作為主機的沿岸船舶等設施，隨著近年來這項技術的發展進步，逐漸在遠洋船舶上有更多的發展與研究。國際船舶大氣排放管制協會在相關的調查中顯示，從第一套SCR 應用于船上開始，截至目前總計共有超過500 臺的SCR 系統被應用于船上。就當前的應用現狀來看，SCR 技術主要應用于四沖程發動機上，但相對的在二沖程柴油機上并沒有太多的應用。

SCR 系統能夠有效減少柴油機NOX的排放，符合國際海事組織對船舶柴油機排放污染的要求。并且，SCR 系統的應用不需要對船舶柴油機做過大的改動，有效保障了燃油的經濟性，對于燃油的品質沒有過高的要求，從而避免了船舶油耗與PM 排放的增加，是近年來船舶制造業所重視的技術之一。

2 限制SCR 技術發展的因素

我國對SCR 系統的研究起步較晚，由于其初裝成本較高，在船舶上還沒有得到廣泛的應用。近年來，一些對SCR 系統的研究與實際的應用中，還存在著一些問題需要改進。

第一，SCR 催化還原反應對溫度的限制有較高的要求，在主機排煙達到一定溫度的時候，能夠使SCR 的催化還原順利進行。由于溫度這一因素的限制，使這一方式在船舶上的使用有一定的局限性。但在機動航行、低負荷工況下，由于主機排煙的溫度無法滿足SCR 催化還原反應所需的溫度條件，無法最大效率發揮SCR 系統的作用。

第二，船舶運行的過程中，產生的一些現象，如在燃油中含有較大的含硫量，或機械在運作過程中出現故障，都會對還原反應的進行造成影響。

第三，在尿素、廢氣混合不均勻的情況下，將會導致NOX 還原效率無法得到應有的保障，同時使NH3的遺漏率增加,產生二次污染的問題。

3 試析SCR 選擇性催化還原的應用

3.1 系統的工作原理

通過SCR 技術的應用，能夠對柴油機產生的廢氣進行處理。這一技術將尿素或氨氣作為還原劑，使其在300 ～400℃的高溫下與NOX發生反應，將NOX排放物轉化為氮氣與水蒸氣，使NOX的排放減少，以降低柴油機廢氣對海洋環境與大氣造成的污染。其主要化學反應方程式為：

3.2 系統結構的組成

SCR 系統中有兩大重要組成部分，分別為反應器與尿素系統。其中，尿素系統主要由儲存、供給、控制系統等重要部分構成；反應器則由性質較為穩定的陶瓷催化元件組成，SCR 系統運行環境內溫度的高低變化會對其正常工作造成一定的影響。以柴油機排氣的溫度來說，四沖程采油機與二沖程柴油機有較大的差異，因此，二者的所應用的SCR 裝置也存在一定的區別。

首先，四沖程柴油機的排煙溫度能夠達到400℃以上，即便在增壓器出口廢氣溫度下降的情況下，排煙本身的溫度也能夠滿足SCR 系統工作所需的溫度條件。由于這一特點，四沖程柴油機的SCR 系統通常安裝在增壓器出口和廢氣鍋爐之間，從而減少對柴油機工作帶來的影響。SCR 系統在四沖程柴油機的應用中，由于安裝程序上比較簡易，技術研究較為成熟，使其在船舶四沖程發動機中有較多的應用。

與四沖程柴油機相比，二沖程柴油機的排氣溫度要遠遠低于400℃，增壓器出口的溫度僅有230 ～260℃左右，無法滿足SCR 系統正常工作的溫度需求。為使二沖程柴油機能夠正常工作，需要將SCR 系統安裝于二沖程柴油機增壓器的前面，也稱為高壓SCR 系統。高壓SCR 系統在不同的工作情況下，需要利用柴油機進行控制與條件，對柴油機的工作產生較大的影響。

3.3 工作流程

首先，將尿素與淡水在相適應的溫度下進行混合、攪拌，形成混合均勻的混合溶液，并將其置入尿素儲存的容器內，利用供給泵將混合液輸送至計量模塊，在傳感器感應到容器中煙氣內NOX含量之后，將測量信息傳輸至計算機，通過計算機對接收到的測量值與氮氧化物的估計值做對比，根據具體數值提取相應比例的尿素溶液，使其與熱空氣接觸產生反應，分解為霧狀噴入柴油機的排氣管道內。在高溫條件下，尿素溶液分解為NH3與H2O，隨同排氣進入到SCR 反應器內，通過還原反應，將廢氣分解為對海洋與大氣無污染的N2和H2O。

3.4 催化反應器

催化反應器是SCR 系統的關鍵設備，NOX催化還原反應就是在反應器中進行的，并為其提供反應條件與催化劑。當前，船舶SCR 系統所使用的主要催化劑為金屬氧化物，例如五氧化二釩（V2O5）、二氧化鈦（TiO2）等，從結構來看能夠分為蜂窩式與波紋板式兩種。催化反應器通常采用固定床式，具體的尺寸按照催化劑的體積與空間布局進行設計。

3.5 影響NOX 減排效果的因素

通過SCR 系統實現NOX的減排具有較高的要求，雖然制造商爆出的減排率高達80%～95%，但要實現大效率的安排效果，在應用過程中，仍然需要注意很多因素。

第一，溫度。SCR 還原反應的過程需要在溫度適宜的條件下進行，同時其中需要有O2。過高的溫度與過低的溫度都會對反應速度造成影響。在過高的溫度條件中，很可能引起NH3產生燃燒，導致其與NOX的反應過程受到影響；NH3與NOX在低溫度的環境中，反應速度會大幅度減慢，而環境中的溫度低于350℃，H2O 會抑制SCR 活性劑的作用。

第二，柴油的品質。SCR 系統的工作效果在一定程度上受到柴油品質的影響。通常來講，柴油中硫會導致催化裝置內的催化劑受到污染，從而導致SCR 系統的工作效率降低。

第三，SOX在低溫的條件下會對催化劑造成干擾，產生毒化的作用，使SCR 系統的工作效率大幅度降低；而在高溫的條件下，SOX能夠促進反應速度的加快，使NOX的轉化率得到提升。

第四，固體顆粒排放物。PM 是柴油機排氣中的重要污染成分之一。PM 的大量堆積，會使催化器內的排氣阻力增加，導致排氣不暢通，無法與催化劑進行接觸，使SCR 系統催化的效率受到很大的影響。對此，需要讓排氣在SCR 進行催化還原反應之前通過顆粒捕集器，在降低柴油機PM 排放的同時，解決SCR 催化還原過程中受到的影響。

4 結語

綜上所述，IMO Tier Ⅲ對氮氧化物排放量限制的加強，船舶企業及制造業為確保行業的長久發展，首先需要降低船舶運行過程中，由于氮氧化物排放對海洋造成的影響。通過SCR 技術，有效降低船舶柴油機有害氣體的排放量，通過不斷的技術改良，不斷優化SCR 在四沖程柴油機與二沖程柴油機中的應用，針對影響催化還原反應進行的各方面因素要制定出具有針對性的解決措施。