试论基于SCR 技术的船舶柴油机尾气处理系统

李武胜

（烟台打捞局，山东 烟台 264000）

在2008 年国际海事组织批准了MARPOL 附则的修正案后，IMO Tier Ⅲ对船舶NOX的排放有更加严格的限制，加大了航运企业的压力。近年来，各国船舶制造行业对SCR 技术在降低船舶氮氧化物排放量这一作用上逐渐展开研究，希望能够通过这一技术减轻航运行业对海洋造成的污染。

1 SCR 的发展与应用现状

SCR 选择性还原技术主要以尿素或NH3做还原剂，利用催化原理，将NOX还原成H2O 和N2。这一技术在柴油机为其处理系统中有重要的应用。SCR 技术在最初的应用与发展主要集中于发电厂设施、以四冲程柴油机作为主机的沿岸船舶等设施，随着近年来这项技术的发展进步，逐渐在远洋船舶上有更多的发展与研究。国际船舶大气排放管制协会在相关的调查中显示，从第一套SCR 应用于船上开始，截至目前总计共有超过500 台的SCR 系统被应用于船上。就当前的应用现状来看，SCR 技术主要应用于四冲程发动机上，但相对的在二冲程柴油机上并没有太多的应用。

SCR 系统能够有效减少柴油机NOX的排放，符合国际海事组织对船舶柴油机排放污染的要求。并且，SCR 系统的应用不需要对船舶柴油机做过大的改动，有效保障了燃油的经济性，对于燃油的品质没有过高的要求，从而避免了船舶油耗与PM 排放的增加，是近年来船舶制造业所重视的技术之一。

2 限制SCR 技术发展的因素

我国对SCR 系统的研究起步较晚，由于其初装成本较高，在船舶上还没有得到广泛的应用。近年来，一些对SCR 系统的研究与实际的应用中，还存在着一些问题需要改进。

第一，SCR 催化还原反应对温度的限制有较高的要求，在主机排烟达到一定温度的时候，能够使SCR 的催化还原顺利进行。由于温度这一因素的限制，使这一方式在船舶上的使用有一定的局限性。但在机动航行、低负荷工况下，由于主机排烟的温度无法满足SCR 催化还原反应所需的温度条件，无法最大效率发挥SCR 系统的作用。

第二，船舶运行的过程中，产生的一些现象，如在燃油中含有较大的含硫量，或机械在运作过程中出现故障，都会对还原反应的进行造成影响。

第三，在尿素、废气混合不均匀的情况下，将会导致NOX 还原效率无法得到应有的保障，同时使NH3的遗漏率增加,产生二次污染的问题。

3 试析SCR 选择性催化还原的应用

3.1 系统的工作原理

通过SCR 技术的应用，能够对柴油机产生的废气进行处理。这一技术将尿素或氨气作为还原剂，使其在300 ～400℃的高温下与NOX发生反应，将NOX排放物转化为氮气与水蒸气，使NOX的排放减少，以降低柴油机废气对海洋环境与大气造成的污染。其主要化学反应方程式为：

3.2 系统结构的组成

SCR 系统中有两大重要组成部分，分别为反应器与尿素系统。其中，尿素系统主要由储存、供给、控制系统等重要部分构成；反应器则由性质较为稳定的陶瓷催化元件组成，SCR 系统运行环境内温度的高低变化会对其正常工作造成一定的影响。以柴油机排气的温度来说，四冲程采油机与二冲程柴油机有较大的差异，因此，二者的所应用的SCR 装置也存在一定的区别。

首先，四冲程柴油机的排烟温度能够达到400℃以上，即便在增压器出口废气温度下降的情况下，排烟本身的温度也能够满足SCR 系统工作所需的温度条件。由于这一特点，四冲程柴油机的SCR 系统通常安装在增压器出口和废气锅炉之间，从而减少对柴油机工作带来的影响。SCR 系统在四冲程柴油机的应用中，由于安装程序上比较简易，技术研究较为成熟，使其在船舶四冲程发动机中有较多的应用。

与四冲程柴油机相比，二冲程柴油机的排气温度要远远低于400℃，增压器出口的温度仅有230 ～260℃左右，无法满足SCR 系统正常工作的温度需求。为使二冲程柴油机能够正常工作，需要将SCR 系统安装于二冲程柴油机增压器的前面，也称为高压SCR 系统。高压SCR 系统在不同的工作情况下，需要利用柴油机进行控制与条件，对柴油机的工作产生较大的影响。

3.3 工作流程

首先，将尿素与淡水在相适应的温度下进行混合、搅拌，形成混合均匀的混合溶液，并将其置入尿素储存的容器内，利用供给泵将混合液输送至计量模块，在传感器感应到容器中烟气内NOX含量之后，将测量信息传输至计算机，通过计算机对接收到的测量值与氮氧化物的估计值做对比，根据具体数值提取相应比例的尿素溶液，使其与热空气接触产生反应，分解为雾状喷入柴油机的排气管道内。在高温条件下，尿素溶液分解为NH3与H2O，随同排气进入到SCR 反应器内，通过还原反应，将废气分解为对海洋与大气无污染的N2和H2O。

3.4 催化反应器

催化反应器是SCR 系统的关键设备，NOX催化还原反应就是在反应器中进行的，并为其提供反应条件与催化剂。当前，船舶SCR 系统所使用的主要催化剂为金属氧化物，例如五氧化二钒（V2O5）、二氧化钛（TiO2）等，从结构来看能够分为蜂窝式与波纹板式两种。催化反应器通常采用固定床式，具体的尺寸按照催化剂的体积与空间布局进行设计。

3.5 影响NOX 减排效果的因素

通过SCR 系统实现NOX的减排具有较高的要求，虽然制造商爆出的减排率高达80%～95%，但要实现大效率的安排效果，在应用过程中，仍然需要注意很多因素。

第一，温度。SCR 还原反应的过程需要在温度适宜的条件下进行，同时其中需要有O2。过高的温度与过低的温度都会对反应速度造成影响。在过高的温度条件中，很可能引起NH3产生燃烧，导致其与NOX的反应过程受到影响；NH3与NOX在低温度的环境中，反应速度会大幅度减慢，而环境中的温度低于350℃，H2O 会抑制SCR 活性剂的作用。

第二，柴油的品质。SCR 系统的工作效果在一定程度上受到柴油品质的影响。通常来讲，柴油中硫会导致催化装置内的催化剂受到污染，从而导致SCR 系统的工作效率降低。

第三，SOX在低温的条件下会对催化剂造成干扰，产生毒化的作用，使SCR 系统的工作效率大幅度降低；而在高温的条件下，SOX能够促进反应速度的加快，使NOX的转化率得到提升。

第四，固体颗粒排放物。PM 是柴油机排气中的重要污染成分之一。PM 的大量堆积，会使催化器内的排气阻力增加，导致排气不畅通，无法与催化剂进行接触，使SCR 系统催化的效率受到很大的影响。对此，需要让排气在SCR 进行催化还原反应之前通过颗粒捕集器，在降低柴油机PM 排放的同时，解决SCR 催化还原过程中受到的影响。

4 结语

综上所述，IMO Tier Ⅲ对氮氧化物排放量限制的加强，船舶企业及制造业为确保行业的长久发展，首先需要降低船舶运行过程中，由于氮氧化物排放对海洋造成的影响。通过SCR 技术，有效降低船舶柴油机有害气体的排放量，通过不断的技术改良，不断优化SCR 在四冲程柴油机与二冲程柴油机中的应用，针对影响催化还原反应进行的各方面因素要制定出具有针对性的解决措施。