基于SCR的柴油機排放NOx解決方案研究

高婷 鄧炯

摘要：柴油機排放的氮氧化物主要是由一氧化氮和二氧化氮組成，這兩種類型的氮氧化物對環境和人體健康都具有較大的危害性。目前主流的NOx的凈化措施主要有：機內減排技術（以廢氣再循環技術（EGR）為代表）、排氣后處理技術（以選擇性催化還原技術（SCR）為代表）。SCR技術為目前較普遍的應用技術，文章對主流SCR技術進行分析和研究，得出不同SCR技術的優勢。

關鍵詞：柴油機排放;SCR

1、概述

SCR（Selective Catalystic Reduction，選擇性催化還原反應）是公認能滿足IMO Tier III排放要求的最為成熟可靠的排放后處理技術，其主要采用尿素溶液充當還原劑，利用催化劑的高選擇性優先把NOx還原為N2。目前船用柴油機SCR系統已在上百艘船舶進行了實船安裝應用，可靠性及實用性經過了較長時間的驗證。

SCR系統主要由SCR蒸發混合器、SCR反應器及SCR輔助系統組成。SCR輔助系統包括還原劑供應系統、吹灰系統及SCR加熱系統。還原劑供應系統按照控制策略將還原劑噴入SCR蒸發混合器中，在高溫下還原劑迅速蒸發、混合隨排氣進入SCR反應器，并在催化劑作用下發生SCR催化還原反應，將NOx轉化成無毒無害的N2和H2O。

根據SCR系統裝置安裝位置不同，SCR系統分為高壓SCR系統（增壓器前）和低壓SCR系統（增壓器后）兩類。

2、主機高壓SCR

2.1原理、流程簡介

SCR技術NOx轉化率與排氣溫度關聯度較大，系統工作的最佳溫度范圍是330—350℃。對于船用低速二沖程柴油機，一般增壓器渦后排溫僅為230—260℃，所以對低壓SCR系統，一般需要增加額外的附屬供熱裝置用以提高排氣溫度。而相比渦后溫度，增壓器前排氣溫度一般會高50—175℃，因此Wartsila與MAN等主機廠商普遍采用渦前高壓SCR方案，從而滿足SCR系統對反應溫度的要求。

高壓SCR過程在SCR管線中進行，它由兩個主要部件組成：蒸發器/混合器組合單元和SCR反應器。在Tier II模式下運行時，SCR系統將被反應器密封閥（RSV）和反應器節流閥（RTV）切斷。反應器旁通閥（RBV）將會打開，廢氣直接流入渦輪增壓器。在Tier III模式下運行時，SCR系統將會接通。閥門RSV和RTV打開，而RBV將會關閉。

即使反應器置于渦輪前側，廢氣溫度在低負荷下可能仍會過低。為此可在掃氣集管與渦輪入口之間安裝一個氣缸旁路，該旁路由氣缸旁通閥（CBV）進行控制。打開旁路時，通過氣缸的空氣量將會減少，但不會損失掃氣壓力，而廢氣溫度將會相應升高，從而使排氣溫度保持在所需水平以上。

2.2設備簡介

① SCR混合器

SCR混合器的主要作用使氨氣和煙氣充分混合。其上配備尿素溶液噴槍，通過壓縮空氣，使尿素溶液在進入混合管內被霧化為平均直徑為40μm的粒子，并受熱分解為氨氣。

在加藥結束后，通過淡水對噴槍及管路進行沖洗，防止管道內部結晶，造成堵塞。

② SCR反應器

SCR反應器是脫銷化學反應的主要場所，采用高溫鍋爐鋼制成，一般為臥式布置。

其內部主要由3-4層催化劑組成，每一層催化劑，都由數個催化劑模塊通過井字形支撐梁組裝而成。催化劑為長方體形狀，其內部為陶瓷蜂窩狀結構，可極大地增加接觸及反應面積。

每一層催化劑，配備一套吹灰系統，用于清除催化劑表面及孔道內的灰塵和油泥。吹灰系統使用高壓激波吹灰法：通入壓縮空氣，使用快速反應閥瞬間啟閉，產生脈沖式的沖擊波對催化劑表面進行吹掃。

③ 尿素泵單元

尿素泵單元配有2臺尿素泵，一用一備設置。尿素泵電機采用變頻電機，根據控制系統提供的尿素用量信號實時調節尿素加藥量，使用4-20mA信號實現變頻流量調節。

④計量單元

NH3的逃逸是指在SCR系統正常工作時，噴入催化器內的NH3不能完全地與NOx發生反應，而造成未參加催化還原反應的NH3隨著排氣從催化器的出口排出的現象。氨的逃逸用氨逃逸率表征，氨逃逸率是指反應器出口煙氣中NH3的濃度（ppm），它是SCR系統性能的重要指標之一。一般要求氨逃逸率不超過10ppm，因為排氣中殘余的NH3會與硫氧化物反應生成硫酸氫銨，這種粘稠物會對煙道下游的部件造成污染和堵塞。同時殘余的NH3進入大氣后，在排氣管出口處會形成藍色的有害煙霧。

尿素溶液的精確計量決定了NH3輸入量的大小。當NH3輸入量過小時，NOx脫除效率會降低，達不到系統需要的脫除效果。但當NH3輸入量過大時，會造成系統NH3的逃逸量的增加。

為了實現SCR系統中催化還原反應的完全進行同時減少氨逃逸率，系統需要配備計量單元，實現尿素溶液精確供給。

⑤ 控制系統

SCR控制系統主要有兩個功能，對外接受和反饋MDT控制系統的控制信號及尿素噴射量信號，對內控制SCR系統的運行，控制閥門、泵等的動作。控制系統包括控制柜（PLC）、控制軟件和系統傳感器。其中系統傳感器又主要包括壓差變送器、壓力傳感器、流量計等。

壓差傳感器用于SCR系統運行時反應器進出口的壓力差監控。當壓力差測量值超過設定值，啟動吹灰系統。

3、主機低壓SCR

低壓SCR系統由三個主要部件組成：SCR 反應器、混合器（AIG—噴氨格柵）和分解單元（DCU）。分解單元位于反應器出口與混合器入口之間的廢氣管線中，由一個鼓風機、一個加熱器（燃燒器）和一個蒸發器組成。

還原劑噴入蒸發器形成氨氣混合物，然后在鼓風機作用下進入混合器并最終進入 SCR 反應器。對于 SCR 過程，即使使用低硫燃油，在發動機低負荷或是低溫度環境中，廢氣溫度仍然會過低。為了將廢氣溫度提高到所需水平，可以使渦輪高壓側產生的部分廢氣在一個廢氣旁通閥（EGB）的控制下通過旁路流到低壓側。另外，盡管燃油含硫量很低，但是低壓SCR系統仍容易形成硫酸氫銨等腐蝕物質，解決的辦法之一是通過分解單元加熱適量廢氣并使之循環經過反應器以去除生成的硫酸氫銨等。

4、結論

綜上來看，高壓SCR系統的優點有：反應安裝在增壓器之前，不影響增壓器背壓;系統體積小，布局緊湊;廢氣能量利用率高，不需要額外的補燃裝置;系統抗硫中毒性能高，對燃料含硫量不敏感，可使用低硫油、柴油或重油等燃料。而低壓SCR系統的優點有布置靈活，可以不占用主機艙空間，便于簡化系統管道等，在渦后排氣溫度更高的中、高速柴油機上有著更廣泛的應用。目前市面上的主流設計是主機采用高壓SCR，發電機采用低壓SCR。

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