船舶柴油机尾气后处理SCR技术分析和应用

张运秋，丁立勋，李博洋

（青岛远洋船员职业学院，青岛 266071）

0 引 言

2008年10月，国际海事组织（IMO）MARPOL附则Ⅵ修正案获得批准，附则中Tier Ⅲ标准要求，2016年l月1日及以后建造的船舶在排放控制区（ECA）内，低速柴油机NOX排放量应<3.4g/(kWh)，高速柴油机排放应<2.0g /(kWh)，排放限制比2011年实施的Tier Ⅱ标准降低约75%[1]。严格的排放法规迫使船舶公司必须做出应对措施，SCR（Selective Catalytic Reduction）作为目前航运界降低船舶NOX排放研究的主要技术方案，受到了业界的普遍关注[2]。

1 选择性催化还原（SCR）

1.1 工作原理

SCR系统是一种柴油机废气后处理装置，运用化学反应原理（见图1），在300～400℃的温度下，以氨或尿素作为还原剂有选择地与NOX反应，将NOX排放物转化为氮气和水蒸气。其主要化学反应方程式为：

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

8NH3+ 6NO2= 7N2+ 12H2O

1.2 结构组成

SCR系统主要由反应器和尿素系统组成，反应器由陶瓷催化元件组成，尿素系统包括储存、供给、定量和喷射部分以及控制系统。SCR系统需要在一定的温度范围内工作，温度过高或过低都会影响系统正常工作。此外，由于二冲程和四冲程柴油机排气温差较大，所以与之配套的SCR装置也有所不同。

图1 SCR工作原理

图2 四冲程柴油机SCR系统

1.2.1 四冲程柴油机

四冲程柴油机的排烟温度高达400℃以上，即使在增压器出口废气温度有所下降，仍可满足SCR正常工作的温度范围。所以，为了减小对柴油机工作的影响，四冲程柴油机的SCR系统一般装在增压器出口和废气锅炉之间（见图2），即低压SCR系统。在四冲程柴油机上安装应用 SCR 系统相对简单，技术也较为成熟，可以实现对旧船进行改造安装，目前船用SCR系统大部分都用于四冲程发动机。

1.2.2 二冲程柴油机

二冲程柴油机的排气温度一般不超过400℃，而增压器的出口温度只有230～260℃，低于SCR正常工作范围。所以对于二冲程柴油机，SCR系统安装在增压器前面（见图 3），进气压力比四冲程发动机SCR系统高得多，因此也称之为高压SCR 系统。高压 SCR系统需要根据柴油机启动、加速和降速等不同工况进行控制和调节，对于柴油机的工作影响较大[3]。

图3 二冲程柴油机SCR系统

1.3 工作流程

预先将固体尿素在一定的温度下与淡水充分搅拌形成≈40%的混合溶液，注入尿素储存柜备用。尿素供给泵将储存柜中的尿素溶液泵送到计量模块，由二氧化锆（ZrO2）传感器感应 SCR 反应桶前后烟气中 NOx含量传递至计算机；计算机比较传感器的测量值与柴油机台架试验的 NOx估算值后，给出尿素溶液加注量指令，提取一定量的尿素溶液与风机提供的热空气混合热解成雾状喷入柴油机排气管。在柴油机排气管的混合区域,尿素溶液在高温下分解为NH3和H2O，与排气混合均勾后进入SCR反应器。在催化器中的催化剂作用下, NH3将NOX迅速还原为N2和H2O[4]。

1.4 关键设备催化反应器

催化反应器是SCR系统的关键设备，作用是为NOX催化还原反应提供场所、反应条件和催化剂。目前，船舶SCR系统主要使用金属氧化物作为催化剂（V2O5、TiO2），从结构可分为蜂窝式和波纹板式两种，其中蜂窝式占绝大多数。而催化反应器普遍釆用固定床式，反应器的尺寸设计根据空间布局及催化剂体积进行设计（见图 4）。催化剂横截面积为：

图4 SCR催化反应器

式中：Acatalyst——催化剂的总截面积；Qv——排气流量；v——排气流速。

出于对催化剂安装的考虑，催化反应器的截面积比催化剂面积大约15%。

催化反应器的高度计算公式为：

式中：hSCR——催化反应器的高度；n——催化剂的层数；hlayer——催化剂层的高度；c1——整流格栅段所需要的空间高度；c2——催化剂之间安装吹灰器所需要的空间高度；c3——安装扩张管所需要的空间高度。

1.5 NOX减排效果的影响因素

用SCR实现NOX减排应用要求较高，实际减排效果受诸多因素影响。SCR制造商报出的NOX减排率在80%～95%，实际上要实现大幅度NOX减排，主要取决于以下一些重要的因素：

1) 温度。SCR 还原反应过程中必须有O2存在并且有适宜的温度。温度过高时，NH3可能自行燃烧而不与NOX反应；温度过低时，会减慢反应速度，当反应温度低于350℃时，反应过程中产生的H2O会对催化剂SCR 活性产生抑制作用[5]；

2) 柴油品质。柴油品质的好坏也间接影响了SCR的工作效能。柴油中的硫含量将会使装置里的催化剂中毒，将使SCR的工作效率大大降低；

3) 固体颗粒排放物（Particulate Matter，PM）。柴油机排气中的另一个主要污染成分就是PM。如果过多的PM堆积在催化器中就会增加排气阻力，使排气不畅通，排气不能充分与催化剂接触，SCR催化装置的效率将会大大降低。在SCR进行催化还原反应前先让排气通过颗粒捕集器，既可以降低柴油机PM的排放，同时也解决了SCR中PM的影响。

4) SOX。在低温条件下，SOX对催化剂有毒化作用，会影响SCR工作效率；在高温条件下，SOX却能促进SCR反应速度，提高NOX转化率。

2 应用现状和前景

2.1 使用现状

SCR前期主要用于陆地设施（如发电厂）或沿岸船舶（主机为四冲程柴油机），近几年才在远洋船舶上进行试验论证。据国际船舶大气排放催化剂管制协会（IACCSEA）调查表明，从30a前第一套SCR系统安装在船上，至今已有500余台SCR系统在船上应用。但是船用SCR大部分都用在四冲程发动机上，改装和安装经验相对比较丰富；对于二冲程柴油机，SCR应用较少。

欧美在SCR技术研发和产品设计方面起步较早，近年来日韩也在迅速跟进。日本船级社2011年首次给37800dwt的“SANTA VISTA”轮颁发了认证，该轮主机MAN B&W 6S46MC-C8配置前置SCR系统之后，能够满足Tier Ⅲ NOX排放限制要求。2013年4月，日本川崎汽船公司、日本海洋联合公司和大发柴油机厂在一艘8600TEU集装箱船的发电柴油机安装SCR系统，检测运行情况，并验证其是否符合TIER标准，该项目将持续18个月。2013年7月，日本商船三井（MOL）在一艘远洋船舶的3台柴油发电机上安装了由MOL、洋马和Namura造船联合研发的SCR系统[6]。国内虽然已对船用SCR系统展开研究，但总体还处于起步阶段。

2.2 前景分析

SCR可以减少柴油机80%～95%的NOx排放，能够满足IMO Tier Ⅲ排放标准，得到了国际海事组织的承认。使用SCR系统对船舶、柴油机改动较小，不影响燃油经济性，对燃油、滑油品质要求较低，不会增加船舶油耗和PM排放，SCR技术被造船业普遍看好。

SCR系统在船舶实际应用过程中存在初装成本高，设备尺寸大，在机舱内布置困难等问题，除此之外，以下问题也是制约SCR发展的关键因素：

1) 排烟温度控制。由于SCR催化还原反应对温度有一定的要求，所以系统最适合在船舶稳定高负荷工况下工作（主机排烟温度高，能够满足SCR正常工作要求），而不太适合在机动航行和低负荷工况下工作（主机排烟温度低于SCR正常工作范围）；

2) 催化剂失活。这是SCR运行中遇到的主要问题。燃油含硫量过大、滑油中的有害物质、发动机工况变化频繁、燃烧质量较差（黑烟）、系统监控反馈单元和定量喷射单元失灵、机械故障等（船舶动力装置引起的船体、机舱、管系振动导致催化剂破碎等），都可能造成催化剂失活；

3) 尿素定量喷射和与废气混合均匀性的问题。尿素与废气混合均匀性处理不好，不但会降低 NOX还原效率，也会增加NH3逃逸，造成二次污染。

3 选择SCR需考虑的问题

船舶安装SCR设备会增加船舶运营成本，但是考虑到集团船舶的货运量和航线等因素，在选择SCR制造商或供应商时，需注意以下问题：

3.1 认证检测

适用的催化剂检测、废气模拟检测装置的认可、SCR反应器的NOX减排率检测及SCR系统装置其他各单元的功能检测等，最好选择与船用柴油机相结合的开发产品。SCR系统其他材料，比如尿素、催化剂要满足船舶规范、船用产品认证入级要求。

3.2 系统布置

大功率船用柴油机匹配的SCR反应器体积大，无论新造船还是旧船改造，反应器在机舱的布置都是一大难题。船用发动机厂和船用SCR供应商需为船舶的机舱布置提供系统安装的全面解决方案。图5为B&W主机配套安装的SCR装置。

图5 SCR装置安装实例

4 结 语

IMO Tier Ⅲ标准对NOX的严格排放限制，给航运企业带来了严峻的考验，有必要提前研究NOX减排措施及应对方案。SCR技术可以有效降低船舶NOx排放，能够满足相关公约要求，得到了业界的普遍关注。虽然SCR在大型远洋船舶二冲程主机上应用尚存在一些问题，但随着ECA的增加以及排放法规的日益严格，加之SCR系统技术逐渐成熟，SCR在远洋船舶的应用上具有较好的前景。

[1] MARPOL附则VI 2008修正案[S].

[2] 赵明哲. SCR技术在船舶柴油机上的应用[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，吕庭豪. SCR—种新型环保装置[J]. 船海工程，2002, (2): 32-34.

[5] 陶建忠，李国祥，佟德辉. H2O和SO2在NH3选择性催化还原NOx过程中的影响[J]. 内燃机工程，2008, (3): 56-63.

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

[7] 丁洪祥，魏海波. 船舶柴油机SCR技术经济性分析[J]. 世界海运，2007, (5): 41-42.