船舶柴油机排放控制SCR技术探讨

曹艳东

摘 要：本文简述了SCR系统原理、组成以及相应的控制系统等，并分析了SCR在低负荷时存在的问题及解决办法。简述了SCR应用的优点，为船舶排放控制技术的选择提供了参考。

关键词：SCR ；排放控制 ；气缸旁通

中图分类号：U664.12 文献标识码：A

Abstract： This paper briefly introduces the principle， composition and control system of SCR， and analyses the problem and its solution when SCR is running in low load condition， describes the advantage and disadvantages on applying SCR， and provides the reference for the choosing of ship emission control technology.

Key words： SCR； Emission control； Cylinder bypass

1 前言

根据IMO MEPC（66）会议决议，船舶在排放控制区域（ECA）运行时，在2016年1月1日之后建造的船舶上安装的主机必须强制满足NO× Tier III排放标准。目前使主机的NOx排放满足标准的主要技术途径有两种：SCR（选择性催化还原）和EGR（废气再循环），其中SCR技术已广泛地应用于陆基电厂的排放控制中，属于尾气后处理技术，比较成熟，本文将对SCR技术在船舶排放控制上的应用做简要探讨 。

2 SCR原理

SCR是“SelectiveCatalyticReduction”的缩写，即选择性催化还原，其原理就是在含有氮氧化物NOx的尾气中喷入氨气、尿素或者其它含氮化合物，和尾气中的NOx进行催化还原反应，生成无毒无污染的氮气和水。还原反应在较低的温度范围（315 ℃～400 ℃）内进行，利用还原剂（氨氣、尿素溶液等）有选择性地与NOx在催化剂涂层上进行催化还原反应，故称之为选择性催化还原。尿素溶液由于高温分解成氨气NH3和二氧化碳CO2，氨气NH3又在催化剂作用下与氮氧化物NO、NO2结合发生反应，将其还原成氮气和水。

在温度315 ℃～400 ℃时有较高的反应效率，但在温度较低时（250 ℃及以下）NOx转化效率较低。

3 SCR系统组成

SCR系统主要由尿素供给与喷射装置、混合器、反应器、吹灰系统、主机控制系统等组成。SCR系统目前主要有两种型式：一种是高温高压SCR系统，即反应器和混合器布置在增压器前；一种是低温低压SCR系统，即反应器和混合器布置在增压器后。前者布置的空间有限，但可以获得较高的反应温度，NOx转化效率较高：后者有相对宽敞的布置空间，但排气温度较低，需要用额外的燃烧器提高温度，增大燃油消耗。本文重点对NOx转化效率较高的高温高压的SCR系统进行探讨。

3.1 尿素供给与喷射装置

由于氨气有毒，不便于存储运输并且有泄漏的危险，因此SCR系统中普遍使用尿素作为催化还原反应的还原剂。在反应前将尿素和水按一定比例混合喷入主机排放的废气中，尿素溶液由于高温分解生成氨气和二氧化碳。尿素供给与喷射装置包括尿素罐、尿素泵、计量单元和尿素喷射单元等。尿素罐用于存储工业尿素，带有液位传感器、温度传感器等检测装置，传感器用于实时监测尿素的液位和温度。当尿素液位低于设定阀值时，电子控制单元会提示用户及时向尿素罐驳运尿素溶液，而当尿素溶液的温度过低或过高时，电子控制单元便控制加热装置的启闭，防止溶液冻结或过热。

尿素计量单元用来确保在不同负荷和不同NOx排放标准下正确的尿素喷射量。尿素计量取决于在SCR反应器之前和之后进行的在线NOx测量，并将实测值与台架试验NOx估计值相比较，这是为了确保当NOx测量传感器出现故障时，不会发生尿素剂量不足或过多的情况。

3.2 混合器

混合器上设计有尿素喷嘴，排气通道，混合叶片等，尿素溶液通过尿素泵输送到尿素喷嘴，同时在压缩空气的作用下实现良好雾化，通过混合器内部结构和主机排气混合均匀，在排气温度的作用下，尿素将在混合器中蒸发并发生化学分解反应而形成氨。

3.3 反应器

反应器是SCR系统的核心，是去除氮氧化物实现脱硝的关键设备。反应器由进气管、壳体、 催化剂、排气管、保温层及其他附属部件组成，其目的是为NOx催化还原反应提供场所、反应条件和催化剂。

目前，SCR系统催化剂主要有四类：金属氧化物催化剂、贵金属催化剂、分子筛催化剂和碳基催化剂。对于船舶SCR系统，金属氧化物催化剂使用较为广泛。

SCR设备的运行成本很大程度上取决于催化剂的寿命，理论上催化剂不参与化学反应，可以无限期的使用，但实际应用中由于多种因素的作用会造成催化剂失去活性即催化剂钝化，催化剂钝化分为物理钝化和化学钝化。

催化剂化学钝化主要是碱金属（如Na、K、Ca等）和重金属（如As、Pt、Pb等）引起的催化剂中毒。碱金属吸附在催化剂的毛细孔表面，金属氧化物与催化剂表面的硫氧化物生成硫酸盐而造成催化剂中毒。

催化剂物理钝化主要包括：柴油机尾气温度较高导致催化剂发生烧结，其物理结构发生变化引起表面堵塞，减少了催化剂与氮氧化物和氨气的接触面积。另外，颗粒物质、杂质堵塞或覆盖了催化剂表面的活性区域，进而阻碍氮氧化物与催化剂的充分接触，也会降低了催化剂的活性。

为了防止催化剂钝化而影响SCR系统的正常运行，要定时的更换催化剂。除此之外，一些催化剂再生技术也逐渐应用到SCR系统中。

3.4 主机控制系统

由于SCR安装在涡轮增压器之前，这就为主机和涡轮增压器之间的能量平衡带来了挑战。在主机启动和加速过程中，需要直接旁通一部分废气至涡轮增压器，以确保涡轮增压器有足够的能量输入。同理，也需要在主机降速期间旁通涡轮，因为SCR出口排气的能量太高。

主机控制系统的主要功能：确保可接受的主机性能；确保SCR系统的快速加热；确保最低的排气温度Tmin。

在图1中：三个旁通阀V1、V2、V3控制着进入SCR系统的排气和直接进入涡轮的排气之间的分配；三个温度计T1、T2、T4，其中T1是排气集管的排气温度，T2是涡轮进口的排气温度，T4是SCR反应器出口的排气温度。T1与T2的差值dT反应主机与涡轮增压器之间的能量平衡程度。一般情况下，当dT≤50 ℃时能够保证主机的性能，即当dT≤50 ℃时开始打开V2和V3阀，然后逐步关闭V1阀，在开始尿素喷射前的三分之二时间段内打开V2阀，在剩下的三分之一时间段内关闭V1阀，然后SCR系统准备就绪就可以喷射尿素了。当dT>50 ℃时，V1阀会逐步打开，降低dT从而确保主机与涡轮增压器的能量平衡。在这种情况下，尿素喷射将被设置为非常低的流量，以避免NH3的逃逸。通过这三个温度的测量，主机控制系统能够确保在减速/加速SCR系统和加热/冷卻的过程中保持主机性能。

3.5 主机在低负荷下提高排气温度的方法

图1中的CBV为气缸旁通阀，主要作用是通过调整CBV的开度提高主机在低负荷下的排气温度，确保排气温度高于SCR所需的最低排气温度Tmin。主要工作原理是：在定量的燃油燃烧情况下，气缸旁通阀CBV通过降低进入气缸的空气质量来提高排气温度，随着气缸旁通阀的完全打开，T1可提高约165 ℃，这意味着SCR能够获得更高的排气温度，经过测试该方法是合适的。因为通过涡轮增压器的气流几乎保持不变，扫气压力也将被保持，所以燃油进程几乎不受影响。

由于排气温度的增加将导致排气阀的热负荷增加大约25 ℃，以及约2～3 g/kWh的SFOC损失。在未来应用中，可能需要提高扫气温度与气缸旁通阀CBV相结合来确保SCR系统在主机更低负荷下正常运行。

4 SCR的前景分析

SCR最大的优点是可以减少柴油机80%～95%的氮氧化物排放，是目前效率较高的达到Tier III排放标准的控制技术。使用SCR系统不必对柴油机做较大的改动，发动机耐久性好、燃油经济性好、对燃油油品和机油品质要求较低且不会增加油耗和黑烟的排放，这也是SCR技术被普遍看好的原因。

然而SCR在应用过程中也存在一些问题，具体表现在系统的初装成本高、尺寸大，在船舶有限的空间内布置较为困难。此外，还原剂和催化剂的消耗也是潜在的投入成本。

5 结束语

SCR是目前应用最多、效率最高而且是最成熟的技术，即保留了柴油发动机动力大、油耗低的优点，也实现了柴油机的排放达到了Tier III的排放标准，不会造成二次污染。随着世界对环境的重视和排放法规不断的严格，柴油机的排放处理技术成了当前发展柴油机技术的核心，仅仅通过优化柴油机结构达到优化燃烧改善排放的方法已很难满足苛刻的排放法规要求，因此采用处理能力更强的柴油机排放后处理技术已是必然趋势。

参考文献

[1]IMO.MARPOL73/78 防污染公约附则 VI[S].2005.

[2]MAN Diesel&Turbo.Two Stroke Diesel Engine Tier III Technology.2013.