基于PLC的船用SCR废气减排与综合利用

文 超

(攀枝花学院 交通与汽车工程学院，四川 攀枝花617000)

0 引 言

近年来，环境问题已经成为各国发展的重要问题，空气污染是最严重的环境污染，近年来我国多个城市PM2.5 严重超标，对人类的健康和生活造成了很大影响。造成空气严重污染的原因很多，除了工业污染外，比较重要的另一个因素就是各种交通工具的尾气排放。近几年来，交通运输业快速发展，各种交通工具的不断增加，其对环境污染的影响也日益加剧。

在众多交通工具中，船舶是一种大型的交通运输工具，具有很强的运载能力，为全球的交通运输以及经济发展做出了很大贡献，现在船舶的动力系统主要都是采用的柴油机动力系统，柴油机的不充分燃烧会产生各种废气，尤其是一氧化氮、二氧化氮等各种氮氧化物(NOX)，这些含有氮氧化物的废气给环境造成了恶劣影响［1］。

20 世纪末世界各国开始重视环境保护，对交通工具发动机的排放规格加以控制和监管。我国从奥运会举办前的一个多月开始全面开始强制实施国Ⅲ排放标准，之后又于2010 年开始提高标准，正式实施国Ⅳ排放标准，严格控制交通工具的排放。由于政府的颁布，国内的柴油机厂大都通过采取一系列措施来降低柴油机的排放，来满足国Ⅳ的排放标准，于是SCR 系统就被越来越多的用于降低排放废气中的氮氧化物的含量。

1 柴油机SCR 系统

现在的许多大型货车、装载车、工程车、大型船舶等主要是采用柴油机作为其动力系统。柴油机具有热效率高、经济性好、起动容易等一系列优点，对各类交通工具有很大适应性，被广泛的用作各种交通工具的推进动力。然而柴油机也有其缺点，柴油机排放的废气物远远大于汽油机，这些排放物中含有很多氮氧化物和颗粒，会对大气造成很大危害。

现在减少柴油机尾气排放，一般都不是对柴油机本身的结构进行改造，而是对其排出的废气采取措施，进行控制，减少污染。所以，柴油机只需要配备专门的减排设备，就可以实现对排放物中的氮氧化物的控制，方便经济。目前，仅有选择性催化还原系统(简称SCR 系统)，被证明是一种比较有效的氮氧化物减排的控制系统。SCR 系统，可以有效地将柴油机排放的尾气中的氮氧化物的含量减少一半以上。对于较大排量的船舶类的交通工具发动机而言，SCR 系统是一种相对比较经济有效的减排系统［2］。

选择性催化还原系统，简称SCR 系统，主要功能是用于去除柴油机排放的废气中的各种氮氧化物，减少对大气环境的危害。SCR 系统的主要工作原理是，利用柴油机自身排放物中含有的物质作为还原剂或另外添加还原剂(一般都是NH3)进行催化，通过化学反应，在高氧浓度下，将氮氧化物还原为对大气无害的N2，实现减排目的。

系统的工作原理如图1 所示，SCR 系统具体的工作原理是，系统根据一氧化氮的还原原理，将尿素与水按照一定的比例进行均匀混合，然后将混合气体通过喷气装置喷入到柴油机排放的废气中，然后尿素与废气通过化学反应，能将废气中的氮氧化物还原成氮气和水，两者都是对环境相对没有污染的物质，其主要化学方程式如下:

图1 SCR 系统工作原理图Fig.1 The work principle diagram of the SCR system

SCR 系统有几个关键性因素，对系统功能的实现具有较大影响:

1)还原剂的选择

在氮氧化物还原的过程中需要借助特定的还原剂才能实现。然而，据目前发现，在有氧环境下，能将氮氧化物进行还原的物质只有胺类物质。在所有的胺类物质中只有尿素比较容易携带，而且毒副作用较小。一般的操作方法是，首先把尿素与水按一定比例进行混合(尿素与水按2:5 的比例混合，相对比较合适)，然后将混合后的尿素通过特殊装置喷入柴油机排出的废气中，尿素液化之后在高温下产生的NH3催化剂，在催化作用下，NH3、O2与氮氧化物快速进行反应，还原为氮气和水。

2)催化剂的选择

催化剂是化学反应中的一种关键元素，其正确选择对于整个化学反应具有很重要的意义。一般催化剂，主要由催化剂载体和触发成份构成。催化剂一般需要在特定的环境下才能发挥作用。可以说，SCR 系统的工作效率在很大程度上都取决于催化剂，催化剂的工作状态和很多因素有关，比如温度、湿度、反应生成物、船舶振动等都会对催化剂的性能的发挥和效用时间都有着很大的影响。因此保证良好的工作环境，对于催化剂发挥作用，对于SCR 系统的工作效率都有关键作用。

3)反应温度的控制

化学反应中，对温度的控制是一个重要的部分。相同的物质在不同的温度下会发生不同的反应。因此需要对SCR 系统中还原反应的温度经行严格控制。对于氮氧化物还原反应，如果温度较低，容易生成硫酸胺，该物质会吸附在催化剂载体的表面，大大影响催化剂性能，降低反应效率;如果温度过高，则反应会产生NO 这种物质。因此，为了保障氮氧化物进行高效的还原反应，需要对工作温度进行严格的监控，根据试验经验，温度一般控制在300℃～500℃之间为最佳，不宜过低，也不宜过高［3］。

2 船用SCR 废气减排系统

上一节分析了柴油机SCR 系统的工作原理。由以上分析可知，SCR 系统可以方便地安装在船舶上进行使用，是一种比较经济的适合船用的柴油机减排装置。船用柴油机SCR 废气减排系统，主要由尿素供给装置、尿素喷射装置、催化器装置、PLC 控制系统和上位机等几部分组成。其中尿素供给装置、尿素喷射装置、催化器装置是执行机构，PLC 控制系统是控制机构，上位机是观测机构。系统的功能图如图2 所示。

图2 船用SCR 系统功能图Fig.2 The function diagram of the SCR system for the ship

1)尿素供给装置

尿素供给装置，主要由尿素供给泵、尿素箱及尿素箱加热装置和液位控制系统、尿素管等几部分组成。尿素供给装置的主要功能是供给作用，即将尿素与尿素箱吸入尿素泵，并一定的压力将尿素传送到尿素喷射单元，并在船舶停止或者出现故障需要倒吸时完成对系统内尿素的清理工作。

其中，尿素箱的主要功能是存储尿素，并且尿素箱中带有液位传感器和温度传感器等检测装置，能够实现对尿素的液位高度和温度高低进行实时检测的功能。当检测到尿素箱中的尿素的液位低于之前设定值的时候，控制系统会将液位数据传送到上位机进行显示，提示用户液位偏低，需要及时对尿素进行补充。同理，当尿素箱中的尿素溶液的温度过低或过高时，制系统会将温度数据传送到上位机进行显示，提示用户温度偏高或偏低，需要对温度进行相应的调整。计量单元是一个智能计算装置，它根据控制系统发送的控制指令，将固定量的尿素通过尿素泵传送到尿素喷嘴的位置。由于尿素自身的属性，其在较低的温度下就会发生冻结，从而导致不能进行正常的还原反应，影响系统工作。所以，为了保证氮氧化物能在低温的环境下仍然能正常进行工作，尿素泵一般都配备有相应的加热装置。

2)尿素喷射装置

尿素喷射装置，位于尿素供给装置的下一段，主要由尿素喷射阀及垫片和冷却水管两部分组成。尿素喷射装置的主要功能是将尿素水溶液雾化，并将其喷射到排气管中。

3)催化器装置

催化器装置在SCR 系统中起着重要的作用，主要由催化器和消音器两部分组成。催化剂是实现还原反应关键的物质，催化器装置则是进行催化反应的关键设备。催化器的主要功能是为氮氧化物催化还原反应提供催化剂、已经良好的场所和反应条件。

3)PLC 控制系统

PLC 控制单元是整体SCR 系统的控制中心，主要由传感器数据采集模块、PLC 控制模块、任务执行模块和上位机等几部分组成。PLC 控制系统功能框图如图3 所示。

图3 PLC 控制系统功能框图Fig.3 The function diagram of PLC control system

传感器模块，主要包括环境温度传感器、尿素箱温度传感器、尿素泵温度传感器、液位传感器和氮氧传感器等，主要的功能就是实现对各个装置温度、液位和氮氧等参数数据的采集，用于实时对SCR 各部分的运行状况进行实时检测。

PLC 控制模块，是整个系统的核心控制部分，主要功能是实现对数据的处理以及判断，然后根据各级传感器数据，判断系统的工作状态，然后发送指令给执行模块，来调整系统的运行状态。一旦SCR 系统中出现有异常，就会立即报警，并点亮指示灯及蜂鸣器，并将信息传输给上位机，方便显示给用户，用户在电脑上进行可视化检测，对于有必要的人工操作，在通过界面按钮等功能，实现对PLC 的人机操作［4］。

执行系统，包括加热继电器和尿素箱电磁阀等，主要功能是执行PLC 控制系统下达的指令，进行加热、补充尿素等操作。

简而言之，首先各个传感器，把SCR 系统中的各种参数传递给PLC，与PLC 之间交换信息，PLC对这些信息进行处理和判断，然后把这些指令传达给执行器，来达到对SCR 系统参数进行调节的效果，同时将这些信息传递到上位机进行实时显示。

图4 SCR 系统工作流程图Fig.4 The work flow chart of SRC system

SCR 系统的工作流程如图4 所示，系统的主要工作流程如下:当柴油机启动运行时，氮氧化物分析仪开始工作，对废气的温度进行检测，当测得的废气温度高于设定的温度时(一般设定为300°)，PLC 即刻发出指令，启动尿素泵和计量器。随即，尿素泵打开开关，提取尿素溶液，同时计量器则根据废气中氮氧化物的含量来计算所需的尿素溶液的容量，然后调整尿素溶液的供给量。当两者准备完毕之后，喷射单元将配好的尿素溶液喷出，使溶液在废气中充分雾化，同时实现还原剂与废气的充分混合。充分混合后的废气与催化剂充分接触，在催化剂的催化作用下，废气中的氮氧化物与氨气快速进行还原反应，生成水蒸汽和氮气。之后，氮氧化物分析仪对经过处理之后的排放废气进行分析，如果发现此时氮氧化物的含量仍然超出规定标准，计量单元会将增加尿素溶液的提取量，确保足够的还原剂供给，以保证下一次还原反应能够取得更好的效果［5］。

整个过程中，PLC 控制系统会实时采集和分析各传感器数据，监控各个模块的运行状态，确保最后经过还原反应之后排出的气体中的氮氧化物含量低于规定标准，满足环保要求。

3 结 语

目前，船舶的动力系统主要都采用柴油机动力系统，柴油机的不充分燃烧会产生各种废气，尤其各种氮氧化物，这些含有氮氧化物的废气会对大气环境造成严重的危害。为了控制船舶柴油机排放废气以及综合利用，本文基于PLC 技术，对船用的SCR 废气减排与综合利用系统进行分析与研究。SCR 系统能够减少船舶柴油机废气中50%以上的氮氧化物的排放，可以有效地保护大气环境。

［1］薛阳，尹自斌，杨国豪，等．SCR 反应器对船用柴油机性能影响仿真分析［J］．舰船科学技术，2015，37(2):92－96．XUE Yang，YIN Zi-bin，YANG Guo-hao，et al．Performance analysis of SCR catalytic converter of diesel engine［J］．Ship Science and Technology，2015，37(2):92 －96．

［2］宋鑫．船机选择性催化还原系统SCR 排气处理的数值计算［J］．舰船科学技术，2014，36(9):114 －117．SONG Xin．Numerical calculation of selective catalyst reduction(SCR)for exhaust gas of vessel engine［J］．Ship Science and Technology，2014，36(9):114 －117．

［3］罗啸，刘赟．船舶柴油机SCR 控制系统研究［J］．柴油机，2013，35(1):22 －25．LUO Xiao，LIU Yun．Research on marine diesel engine SCR control system［J］．Diesel Engine，2013，35(1):22 －25．

［4］赵明哲，张跃文，仉大志，等．SCR 技术在船舶柴油机上的应用［J］．交通节能与环保，2013，9(1):51 －54，67．ZHAO Ming-zhe，ZHANG Yue-wen，ZHANG Da-zhi，et al．Application of SCR technology on marine diesel engine［J］．Transport Energy Conservation and Environmental Protection．2013，9(1):51 －54，67．

［5］肖青云，吕庭豪．SCR——一种新型环保装置［J］．船海工程，2002(2):32 －34．XIAO Qing-yun，LV Ting-hao．SCR．a new type of environmental protecting device［J］．Ship ＆ Ocean Engineering，2002(2):32 －34．