淺談SCR 在船舶上的應用

郝公正

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913）

1 前言

隨著人們越來越關注環境保護，船舶在運輸過程中對環境的破壞越來越受到重視。根據海事組織對于柴油機廢氣排放的規定，對二零一六年一月一日及之后所建造的運營船舶，在排放限制區域內航行時，柴油機廢氣排放中氮氧化物的排放量的限定值應按Tier Ⅲ排放標準執行：當柴油機轉速不超過130 r/min時，氮氧化物排放限值為3.4 g/kWh；當轉速在130 r/min～2 000 r/min 時，限值為9*Ng/kWh，當轉速超過2 000 r/min 時，限值為2.0 g/kWh，Tier Ⅲ要求的氮氧化物排放量的限值約為Tier Ⅰ標準的20%。

目前Tier Ⅲ所要求的的排放標準，只要求在相應的排放限制區域內（英吉利海峽、英國北海、波羅的海等）實施，但世界上主要的工業大國和航運大國為了保護本地的海洋環境及改善大氣質量，都在努力爭取將本國或本地區的海域設為排放限制區。因此，為了確保所屬船舶能夠在排放受限區域內航行，必須采取一定的技術措施降低柴油機廢氣排放中氮氧化物的指標，使其符合Tier Ⅲ的排放要求。

2 解決NOx 排放的技術措施

目前降低柴油機廢氣中NOx 含量的措施，主要有以下幾種（見圖1）：

（1）改進船舶動力系統的排放技術，主要是改進柴油機的工作過程（如：優化進、排氣過程及供油燃燒過程或結構參數的優化）；

（2）采用廢氣再循環(EGR)技術，或聯合使用進氣加濕法等多種技術；

（3）對排放的廢氣進行處理，如采用具有選擇性催化轉化信息技術（SCR）;

（4）采用污染較少的燃料代替傳統的污染高的燃料，如使用液化天然氣作為燃料；

（5）采用乳化油（FWE）；

（6）采用進氣加濕（HAM）。

從圖1 中可以看到：采用SCR 系統及新型燃料天然氣，可以把廢氣中NOx的含量降低80%甚至更多；如果利用天然氣做燃料，則需要改造船用柴油機，增加燃氣系統及儲存燃氣的儲氣罐，資金投入及工作量大、時間長；而如果僅是增加SCR 系統的話，則不需要投入那么多的資金及改造時間，所以對舊船來說，采用SCR 系統是達到Tier Ⅲ排放要求的比較合適的選擇。

圖1 NOx 排放的技術措施對比

3 船舶使用SCR 現狀

目前我司建造的某型系列船上，主機、發電機均通過采用SCR 來降低廢氣中的NOx 的排放，該技術已得到廣泛應用。

3.1 SCR 系統原理

選擇性催化轉化法（簡稱為SCR），是一種廢氣再處理方法，采用此種方法能夠有效降低廢氣中氮氧化物的含量。利用SCR 來處理排出的煙氣，是目前有效的、比較成熟的技術，能夠滿足Tier Ⅲ的排放要求。

在SCR 中進行的化學物質反應過程如下：

在SCR 系統中發生的化學和物理反應有：尿素的水解和熱解氣相化學反應，尿素溶液的噴射、霧化、蒸發、以及廢氣中的氮氧化物在反應器中催化劑表面與NH3 發生的催化表面化學反應。在合適的溫度下（通常為300 ℃～400 ℃的溫度下），以氨氣或尿素作為還原劑，將排放的煙氣中的氮氧化物還原為無毒的氮氣和水,以達到減少廢氣中氮氧化物排放的目的。

3.2 SCR 系統組成

SCR 系統組成：反應器、AIG、混合加藥裝置、吹灰裝置、鼓風機、燃燒單元、分解單元、NOx 分析儀。圖2 為系統組成圖。

圖2 SCR 系統組成圖

（1）反應器

是SCR 系統的主要部件，氮氧化物的主要化學反應都是在反應器內發生。反應器主要由外部殼體和內部的催化劑模塊組成；

（2）氨氣噴射格柵（AIG）

尿素溶液通過AIG 噴出后呈細水霧狀，與廢氣結合后蒸發，并經靜態混合器充分混合后進入反應器進行化學反應；

（3）混合加藥裝置

混合加藥裝置是多功能單元，它可以為尿素提供預加熱，通過AIG 把尿素溶液霧化成細水霧噴入到廢氣中，尿素溶液在混合管內通過蒸得到氨氣；靜態混合器起到了使還原劑與煙氣充分混合的作用，從而使還原劑均勻的流向催化器；

（4）吹灰裝置

設備使用久了大量的煙氣顆粒和灰塵會沉積在催化劑模塊上，影響系統的反應效果，需要使用壓縮空氣等吹除沉積在催化劑模塊上的顆粒狀雜質及灰塵，以利于SCR 系統能夠有效、持續的工作，防止催化模塊被堵塞造成排氣背壓增大，降低系統催化的效率；

（5）鼓風機、燃燒單元

船舶在靠港或離港時，主機負荷及排出溫度較低，為改善SCR 的工作效率，需將排出的較低溫度的廢氣加熱到適宜的溫度，鼓風機的作用就是將主機排出的廢氣通過旁通運輸到燃燒單元處，經燃燒單元加熱使其達到反應所需的最佳溫度；

（6）分解單元

在分解單元中，溶液狀的尿素被加熱、分解成氨氣，經AIG 被噴入反應器；

（7）NOx 分析儀

可以對排放的煙氣進行檢測，分為固定式和移動式。

3.3 SCR 系統工作原理

（1）主機排出的廢氣經鼓風機后進入燃燒單元加熱至400 ℃左右，之后進入分解單元。根據主機負荷的變化，適量的尿素經尿素泵輸送至分解單元，在分解單元中，溶液狀的尿素經加熱后分解成氨氣，經增壓至10 bar 左右，與加熱后的主機廢氣一起輸送至分解單元的噴嘴處，經AIG 后與主機廢氣噴到靜態混合器進行充分的混合后進入反應器進行化學反應，生成氮氣、水等無污染物質。

（2）在使用過程中，特別要注意廢氣的溫度，不同的廢氣溫度會使反應效率有很大的區別：對于大多數SCR 催化劑，最佳溫度范圍為250 ℃～425 ℃，NOx的脫除率會隨著溫度上升到370 ℃～-400℃達到最大值；當溫度高于400 ℃時，還原劑有可能會被燒掉而不能與一氧化氮、二氧化氮反應；如果溫度太低，則反應速度會降低，并且會使其中的硫酸銨凝結造成催化劑被損壞；隨著煙氣溫度接近最佳值時，反應速率上升，較少催化劑體積就可以達到相同的NOx 脫除率。當煙氣溫度從320 ℃上升到最佳反應溫度370 ℃～400℃時會使需要的催化劑體積下降約40%，催化劑體積的下降也導致催化劑系統投資成本的大幅下降。

（3）在整個SCR 系統工作中，需要關注催化劑和尿素的質量，這兩者關系著反應的最終效果。若催化劑選型不當或者尿素質量不符合要求，則處理后的煙氣中的NOx 等含量將達不到要求。下面介紹催化劑和尿素的選型及保養要求：

① 目前廣泛使用的催化劑型式，主要有波紋板式、板式、蜂窩式，如圖3 所示。

圖3 催化劑的樣式

② 各種催化劑因其結構不同，適用范圍也不相同。表1 為三種不同類型的催化劑的特點及應用范圍。

表1 三種催化劑的特點及適用范圍

因為蜂窩式催化劑具有體積小、活性高以及表面積大等優點，目前船上主機、發電機所使用的催化劑均為蜂窩式。

在使用過程中要特別注意催化劑的失活現象（活性下降），表現在如下幾個方面：

① 中毒

排放的廢氣中有一些成分會對催化劑產生中毒作用，催化劑失活的主要原因是催化劑中毒所造成的；導致催化劑中毒的成分有Pb、Mg、Na、K、As、Hg 和Ca 等物質及其氧化物以及HCl、HF 等。這些成分會滲透到催化劑模塊小孔的活性位上，并與其發生不可逆的結合，從而導致催化劑活性下降；

② 熱燒結

SCR 系統工作時，反應器內持續的高溫環境會減少催化劑模塊的使用壽命，產生燒結現象。燒結的產生，是由于反應器內持續的高溫使得催化劑上存在的孔的結構發生永久改變，從而使得催化劑活性發生不可逆的降低的現象；催化劑模塊的熱燒結的程度，取決于催化劑的結構與組成。使用的催化劑的載體材料越合理，則催化劑模塊可以更耐熱燒結，從而使催化劑的壽命得以延長；

③ 表面掩蔽、阻塞及粘污

排放的廢氣中的硫酸銨鹽、飛灰及其他的顆粒物會堵塞、遮蔽催化劑的表面和加劇催化劑的不正常磨損。若催化劑的表面和空洞被灰塵或其他顆粒物堆積，則會導致氮氧化物還原反應的活性位的數量下降，使催化劑的壓降上升；

④ 磨損

排放的廢氣中的通常伴隨有顆粒物，顆粒物在較大的內部氣流的沖擊下會加速催化劑的磨損，因此在制造催化劑時，若在催化劑上使用比較堅硬導流角或者增加催化劑強度，則可以使得催化劑更耐磨損，延長其使用壽命；

⑤ 老化

催化劑的化學及物理特性會隨著時間的推移而發生變化，活性降低；

⑥ 尿素溶液的有效性

防止尿素溶液的失效造成SCR 系統的無效工作。不同含量的尿素在不同的環境溫度下，其保存周期是不同的。

4 測試試驗

以某型船上安裝的SCR 系統實際試驗過程為例，對比采用SCR 前后廢氣中的NOx 的含量的處理效果：

（1）試驗程序按照柴油機100%、75%、50%、25%四擋負荷，每檔負荷工況穩定運行10 分鐘后，分別測量SCR 運行前NOx 的含量，檢查SCR 對于煙氣中的NOx 的含量的不同來驗證其處理效果。此次試驗使用移動式NOx 分析儀對煙氣中的NOx 含量進行分析。柴油機排氣管上預留了分析儀的接口，試驗時按各檔負載接入分析儀，讀取數據并進行記錄。

（2）測試記錄數據可以看出：柴油機在運行SCR前，四擋負荷下測得的煙氣中的NOx 濃度分別為734 ppm、727 ppm、800 ppm、675 ppm。根據排放要求，Tier Ⅲ的氮氧化物排放量的限量值約為Tier Ⅰ標準的20%，即排放的NOX 濃度降低到原來濃度的80%即符合要求；從測試數據中得知，運行SCR 后NOx 的含量分別下降至145 ppm、128 ppm、149 ppm、135 ppm,與原數值相比約減少了80%左右。

5 結論

本文根據某型船實際應用的SCR 系統，簡單介紹了系統的組成及各組分的大致功能，并通過在建船舶上的設備實際試驗進行驗證，SCR 對柴油機廢氣中NOx 含量排放的減小，證明了SCR 的工作的有效性，滿足Tier Ⅲ的排放要求。