6135 型柴油機SCR 催化器結構優化分析

趙曉明，李雙明

（1. 武警海警學院，浙江寧波 315801；2. 寧波市漁業互保協會，浙江寧波 315800）

0 引言

柴油機由于具有較高的熱效率、良好的機動性和較低的燃油消耗率，被船舶廣泛用于主動力推進裝置[1]。隨著經濟貿易的全球化，船舶數量逐漸增加，柴油機尾氣排放的問題也日益突出。據統計，全球氮氧化物（NOX）排放量的15%來源于柴油機，NOX的過度排放會造成環境污染， 導致酸雨的產生，另外人體吸入少量的NOX會產生頭暈現象，吸入過多則會導致惡心嘔吐等癥狀[2]。為控制船舶柴油機排放造成的污染，國際海事組織（IMO）推出了IMO Tier III 排放標準，對柴油機氮氧化物排放做出了更加嚴格的限制。

2.2 SCR 催化器體積的影響

保持催化器長度與孔密度不變，通過改變催化器截面積的方式來改變催化器體積，根據運行結果建立催化器體積與尾氣脫硝率、尾氣壓降之間的關系，如表4 和圖4 所示。

表4 催化器體積與尾氣脫硝率、壓降間的關系

圖4 催化器體積與尾氣脫硝率、壓降間的關系

由圖4 可知，當催化器體積較小時，尾氣脫硝率隨體積增大而上升明顯；體積較大時，尾氣脫硝率增長趨勢緩慢，直至不變。同時，增大體積也能有效降低尾氣壓降，直至下降至較小值不再變化。這是由于催化器體積較小時，SCR 反應受催化器體積的制約，尿素水解未進行充分，較多的尿素被噴入催化器后未及時水解。同時，催化器體積小時，催化器內混合氣體壓力較大，不利于氮氧化物還原反應的正向進行。增大催化器體積，不但能使得尿素水解充分，同時還可以使氮氧化物充分反應，尾氣脫硝率提高明顯。當體積較大時，由于尿素的水解與氮氧化物的還原反應已進行充分，尾氣脫硝率基本處于穩定，不再上升。在尾氣壓降方面，催化器體積小，會導致NH3、NOX、N2、H2O 的混合氣體密度較大，氣體所受管道阻力也隨之增大。增大催化器體積，能夠有效降低混合氣體的密度，減小排氣阻力，進而有效降低尾氣壓降。增大SCR 催化器體積對尾氣的處理與排放的作用是雙向的：不僅可以提高尾氣的脫硝率，同時還能有效地降低尾氣壓降。因此選擇SCR 催化器的體積時，需盡量擴大催化器的體積，同時要符合機艙的容納范圍。

2.3 SCR 催化器孔密度的影響

保持催化器長度、截面積不變，研究催化器的孔密度與尾氣脫硝率、尾氣壓降之間的關系，如表5 和圖5 所示。

表5 催化劑孔密度與尾氣脫硝率、壓降間的關系

圖5 催化劑孔密度與尾氣脫硝率、壓降間的關系

由圖5 可知，當催化器的孔密度較小時，尾氣脫硝率隨孔密度增大上升較明顯，此時壓降上升較緩；孔密度較大時，尾氣壓降隨孔密度增加上升較快，而脫硝率基本保持不變。這是由于孔密度較小時，催化器的比表面積隨孔密度的上升增大明顯，這也使得催化器的吸附能力變強，更多的NH3吸附在催化劑表面，發生催化還原反應，催化器脫硝率升高。當催化器的孔密度比較高時，催化器對NH3的吸附能力達到飽和，此時催化器對氨的吸收能力不隨比表面積的增大而上升，此時尾氣脫硝率基本達到峰值，增長緩慢。然而，比表面積的持續增加引起了管道阻力的不斷上升，與此同時，尾氣壓降上升明顯。催化器的孔密度過小，會使得催化器捕捉不到足夠氨氣，SCR 反應不充分，尾氣脫硝率處于較低水平；而孔密度過大，則會導致尾氣壓降過高，極易使得柴油機的排氣背壓超標，而且極易引起堵塞。因此，選擇催化器的孔密度需適中，在滿足尾氣壓降標準的情況下，可以適當提高催化器的孔密度，這樣可以使得尾氣的脫硝率保持在較高的水平。

3 結論

本文主要分析了改變SCR 催化器的長度、體積、孔密度對尾氣脫硝率與壓降的影響。根據仿真結果，得知催化器的長度越長，尾氣脫硝率越高，催化效果越好。但脫硝率不會隨長度的增長而無限變大，同時催化器長度的增長也會引起尾氣壓降的線性增大。催化器體積越大，尾氣脫硝率越高，尾氣壓降越小。催化器孔密度的增大能有效提高尾氣脫硝率，但孔密度較大時尾氣壓降較大。因此從提高催化器催化效率的角度考慮，可以增大催化器的長度、體積和孔密度，但也需注意控制排氣壓降。在實際設計過程中，應綜合考慮機艙容積與經濟成本，提出最優化設計。