船舶柴油機(jī)尾氣后處理SCR技術(shù)分析和應(yīng)用

張運(yùn)秋，丁立勛，李博洋

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，青島 266071）

0 引 言

2008年10月，國(guó)際海事組織（IMO）MARPOL附則Ⅵ修正案獲得批準(zhǔn)，附則中Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)要求，2016年l月1日及以后建造的船舶在排放控制區(qū)（ECA）內(nèi)，低速柴油機(jī)NOX排放量應(yīng)<3.4g/(kWh)，高速柴油機(jī)排放應(yīng)<2.0g /(kWh)，排放限制比2011年實(shí)施的Tier Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)降低約75%[1]。嚴(yán)格的排放法規(guī)迫使船舶公司必須做出應(yīng)對(duì)措施，SCR（Selective Catalytic Reduction）作為目前航運(yùn)界降低船舶NOX排放研究的主要技術(shù)方案，受到了業(yè)界的普遍關(guān)注[2]。

1 選擇性催化還原（SCR）

1.1 工作原理

SCR系統(tǒng)是一種柴油機(jī)廢氣后處理裝置，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理（見(jiàn)圖1），在300～400℃的溫度下，以氨或尿素作為還原劑有選擇地與NOX反應(yīng)，將NOX排放物轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退魵狻Ｆ渲饕瘜W(xué)反應(yīng)方程式為：

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

8NH3+ 6NO2= 7N2+ 12H2O

1.2 結(jié)構(gòu)組成

SCR系統(tǒng)主要由反應(yīng)器和尿素系統(tǒng)組成，反應(yīng)器由陶瓷催化元件組成，尿素系統(tǒng)包括儲(chǔ)存、供給、定量和噴射部分以及控制系統(tǒng)。SCR系統(tǒng)需要在一定的溫度范圍內(nèi)工作，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。此外，由于二沖程和四沖程柴油機(jī)排氣溫差較大，所以與之配套的SCR裝置也有所不同。

圖1 SCR工作原理

圖2 四沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)

1.2.1 四沖程柴油機(jī)

四沖程柴油機(jī)的排煙溫度高達(dá)400℃以上，即使在增壓器出口廢氣溫度有所下降，仍可滿(mǎn)足SCR正常工作的溫度范圍。所以，為了減小對(duì)柴油機(jī)工作的影響，四沖程柴油機(jī)的SCR系統(tǒng)一般裝在增壓器出口和廢氣鍋爐之間（見(jiàn)圖2），即低壓SCR系統(tǒng)。在四沖程柴油機(jī)上安裝應(yīng)用 SCR 系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)也較為成熟，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)舊船進(jìn)行改造安裝，目前船用SCR系統(tǒng)大部分都用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2.2 二沖程柴油機(jī)

二沖程柴油機(jī)的排氣溫度一般不超過(guò)400℃，而增壓器的出口溫度只有230～260℃，低于SCR正常工作范圍。所以對(duì)于二沖程柴油機(jī)，SCR系統(tǒng)安裝在增壓器前面（見(jiàn)圖 3），進(jìn)氣壓力比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)高得多，因此也稱(chēng)之為高壓SCR 系統(tǒng)。高壓 SCR系統(tǒng)需要根據(jù)柴油機(jī)啟動(dòng)、加速和降速等不同工況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，對(duì)于柴油機(jī)的工作影響較大[3]。

圖3 二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)

1.3 工作流程

預(yù)先將固體尿素在一定的溫度下與淡水充分?jǐn)嚢栊纬伞?0%的混合溶液，注入尿素儲(chǔ)存柜備用。尿素供給泵將儲(chǔ)存柜中的尿素溶液泵送到計(jì)量模塊，由二氧化鋯（ZrO2）傳感器感應(yīng) SCR 反應(yīng)桶前后煙氣中 NOx含量傳遞至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)比較傳感器的測(cè)量值與柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的 NOx估算值后，給出尿素溶液加注量指令，提取一定量的尿素溶液與風(fēng)機(jī)提供的熱空氣混合熱解成霧狀噴入柴油機(jī)排氣管。在柴油機(jī)排氣管的混合區(qū)域,尿素溶液在高溫下分解為NH3和H2O，與排氣混合均勾后進(jìn)入SCR反應(yīng)器。在催化器中的催化劑作用下, NH3將NOX迅速還原為N2和H2O[4]。

1.4 關(guān)鍵設(shè)備催化反應(yīng)器

催化反應(yīng)器是SCR系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，作用是為NOX催化還原反應(yīng)提供場(chǎng)所、反應(yīng)條件和催化劑。目前，船舶SCR系統(tǒng)主要使用金屬氧化物作為催化劑（V2O5、TiO2），從結(jié)構(gòu)可分為蜂窩式和波紋板式兩種，其中蜂窩式占絕大多數(shù)。而催化反應(yīng)器普遍釆用固定床式，反應(yīng)器的尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)空間布局及催化劑體積進(jìn)行設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖 4）。催化劑橫截面積為：

圖4 SCR催化反應(yīng)器

式中：Acatalyst——催化劑的總截面積；Qv——排氣流量；v——排氣流速。

出于對(duì)催化劑安裝的考慮，催化反應(yīng)器的截面積比催化劑面積大約15%。

催化反應(yīng)器的高度計(jì)算公式為：

式中：hSCR——催化反應(yīng)器的高度；n——催化劑的層數(shù)；hlayer——催化劑層的高度；c1——整流格柵段所需要的空間高度；c2——催化劑之間安裝吹灰器所需要的空間高度；c3——安裝擴(kuò)張管所需要的空間高度。

1.5 NOX減排效果的影響因素

用SCR實(shí)現(xiàn)NOX減排應(yīng)用要求較高，實(shí)際減排效果受諸多因素影響。SCR制造商報(bào)出的NOX減排率在80%～95%，實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)大幅度NOX減排，主要取決于以下一些重要的因素：

1) 溫度。SCR 還原反應(yīng)過(guò)程中必須有O2存在并且有適宜的溫度。溫度過(guò)高時(shí)，NH3可能自行燃燒而不與NOX反應(yīng)；溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)減慢反應(yīng)速度，當(dāng)反應(yīng)溫度低于350℃時(shí)，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的H2O會(huì)對(duì)催化劑SCR 活性產(chǎn)生抑制作用[5]；

2) 柴油品質(zhì)。柴油品質(zhì)的好壞也間接影響了SCR的工作效能。柴油中的硫含量將會(huì)使裝置里的催化劑中毒，將使SCR的工作效率大大降低；

3) 固體顆粒排放物（Particulate Matter，PM）。柴油機(jī)排氣中的另一個(gè)主要污染成分就是PM。如果過(guò)多的PM堆積在催化器中就會(huì)增加排氣阻力，使排氣不暢通，排氣不能充分與催化劑接觸，SCR催化裝置的效率將會(huì)大大降低。在SCR進(jìn)行催化還原反應(yīng)前先讓排氣通過(guò)顆粒捕集器，既可以降低柴油機(jī)PM的排放，同時(shí)也解決了SCR中PM的影響。

4) SOX。在低溫條件下，SOX對(duì)催化劑有毒化作用，會(huì)影響SCR工作效率；在高溫條件下，SOX卻能促進(jìn)SCR反應(yīng)速度，提高NOX轉(zhuǎn)化率。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

2.1 使用現(xiàn)狀

SCR前期主要用于陸地設(shè)施（如發(fā)電廠）或沿岸船舶（主機(jī)為四沖程柴油機(jī)），近幾年才在遠(yuǎn)洋船舶上進(jìn)行試驗(yàn)論證。據(jù)國(guó)際船舶大氣排放催化劑管制協(xié)會(huì)（IACCSEA）調(diào)查表明，從30a前第一套SCR系統(tǒng)安裝在船上，至今已有500余臺(tái)SCR系統(tǒng)在船上應(yīng)用。但是船用SCR大部分都用在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上，改裝和安裝經(jīng)驗(yàn)相對(duì)比較豐富；對(duì)于二沖程柴油機(jī)，SCR應(yīng)用較少。

歐美在SCR技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面起步較早，近年來(lái)日韓也在迅速跟進(jìn)。日本船級(jí)社2011年首次給37800dwt的“SANTA VISTA”輪頒發(fā)了認(rèn)證，該輪主機(jī)MAN B&W 6S46MC-C8配置前置SCR系統(tǒng)之后，能夠滿(mǎn)足Tier Ⅲ NOX排放限制要求。2013年4月，日本川崎汽船公司、日本海洋聯(lián)合公司和大發(fā)柴油機(jī)廠在一艘8600TEU集裝箱船的發(fā)電柴油機(jī)安裝SCR系統(tǒng)，檢測(cè)運(yùn)行情況，并驗(yàn)證其是否符合TIER標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目將持續(xù)18個(gè)月。2013年7月，日本商船三井（MOL）在一艘遠(yuǎn)洋船舶的3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)上安裝了由MOL、洋馬和Namura造船聯(lián)合研發(fā)的SCR系統(tǒng)[6]。國(guó)內(nèi)雖然已對(duì)船用SCR系統(tǒng)展開(kāi)研究，但總體還處于起步階段。

2.2 前景分析

SCR可以減少柴油機(jī)80%～95%的NOx排放，能夠滿(mǎn)足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，得到了國(guó)際海事組織的承認(rèn)。使用SCR系統(tǒng)對(duì)船舶、柴油機(jī)改動(dòng)較小，不影響燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)燃油、滑油品質(zhì)要求較低，不會(huì)增加船舶油耗和PM排放，SCR技術(shù)被造船業(yè)普遍看好。

SCR系統(tǒng)在船舶實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在初裝成本高，設(shè)備尺寸大，在機(jī)艙內(nèi)布置困難等問(wèn)題，除此之外，以下問(wèn)題也是制約SCR發(fā)展的關(guān)鍵因素：

1) 排煙溫度控制。由于SCR催化還原反應(yīng)對(duì)溫度有一定的要求，所以系統(tǒng)最適合在船舶穩(wěn)定高負(fù)荷工況下工作（主機(jī)排煙溫度高，能夠滿(mǎn)足SCR正常工作要求），而不太適合在機(jī)動(dòng)航行和低負(fù)荷工況下工作（主機(jī)排煙溫度低于SCR正常工作范圍）；

2) 催化劑失活。這是SCR運(yùn)行中遇到的主要問(wèn)題。燃油含硫量過(guò)大、滑油中的有害物質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化頻繁、燃燒質(zhì)量較差（黑煙）、系統(tǒng)監(jiān)控反饋單元和定量噴射單元失靈、機(jī)械故障等（船舶動(dòng)力裝置引起的船體、機(jī)艙、管系振動(dòng)導(dǎo)致催化劑破碎等），都可能造成催化劑失活；

3) 尿素定量噴射和與廢氣混合均勻性的問(wèn)題。尿素與廢氣混合均勻性處理不好，不但會(huì)降低 NOX還原效率，也會(huì)增加NH3逃逸，造成二次污染。

3 選擇SCR需考慮的問(wèn)題

船舶安裝SCR設(shè)備會(huì)增加船舶運(yùn)營(yíng)成本，但是考慮到集團(tuán)船舶的貨運(yùn)量和航線等因素，在選擇SCR制造商或供應(yīng)商時(shí)，需注意以下問(wèn)題：

3.1 認(rèn)證檢測(cè)

適用的催化劑檢測(cè)、廢氣模擬檢測(cè)裝置的認(rèn)可、SCR反應(yīng)器的NOX減排率檢測(cè)及SCR系統(tǒng)裝置其他各單元的功能檢測(cè)等，最好選擇與船用柴油機(jī)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。SCR系統(tǒng)其他材料，比如尿素、催化劑要滿(mǎn)足船舶規(guī)范、船用產(chǎn)品認(rèn)證入級(jí)要求。

3.2 系統(tǒng)布置

大功率船用柴油機(jī)匹配的SCR反應(yīng)器體積大，無(wú)論新造船還是舊船改造，反應(yīng)器在機(jī)艙的布置都是一大難題。船用發(fā)動(dòng)機(jī)廠和船用SCR供應(yīng)商需為船舶的機(jī)艙布置提供系統(tǒng)安裝的全面解決方案。圖5為B&W主機(jī)配套安裝的SCR裝置。

圖5 SCR裝置安裝實(shí)例

4 結(jié) 語(yǔ)

IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOX的嚴(yán)格排放限制，給航運(yùn)企業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，有必要提前研究NOX減排措施及應(yīng)對(duì)方案。SCR技術(shù)可以有效降低船舶NOx排放，能夠滿(mǎn)足相關(guān)公約要求，得到了業(yè)界的普遍關(guān)注。雖然SCR在大型遠(yuǎn)洋船舶二沖程主機(jī)上應(yīng)用尚存在一些問(wèn)題，但隨著ECA的增加以及排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，加之SCR系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟，SCR在遠(yuǎn)洋船舶的應(yīng)用上具有較好的前景。

[1] MARPOL附則VI 2008修正案[S].

[2] 趙明哲. SCR技術(shù)在船舶柴油機(jī)上的應(yīng)用[J]. 船舶工程，2013, (1): 51-54.

[3] Subhasish Bhattachaijee, Daniel C. Haworth. CFD Modeling of Processes Upstream of the Catalyst for Urea SCR NOx Reduction Systems in Heavy-Duty Diesel Applications[C]. SAE paper 2011-01-13(22).

[4] 肖青云，呂庭豪. SCR—種新型環(huán)保裝置[J]. 船海工程，2002, (2): 32-34.

[5] 陶建忠，李國(guó)祥，佟德輝. H2O和SO2在NH3選擇性催化還原NOx過(guò)程中的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2008, (3): 56-63.

[6] http://www.mol.co.jp/en/pr/2013/13058.html.

[7] 丁洪祥，魏海波. 船舶柴油機(jī)SCR技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 世界海運(yùn)，2007, (5): 41-42.