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6135 型柴油机SCR 催化器结构优化分析

2020-10-13赵晓明李双明

机电设备 2020年4期
关键词:催化器氮氧化物尾气

赵晓明,李双明

(1. 武警海警学院,浙江宁波 315801;2. 宁波市渔业互保协会,浙江宁波 315800)

0 引言

柴油机由于具有较高的热效率、良好的机动性和较低的燃油消耗率,被船舶广泛用于主动力推进装置[1]。随着经济贸易的全球化,船舶数量逐渐增加,柴油机尾气排放的问题也日益突出。据统计,全球氮氧化物(NOX)排放量的15%来源于柴油机,NOX的过度排放会造成环境污染, 导致酸雨的产生,另外人体吸入少量的NOX会产生头晕现象,吸入过多则会导致恶心呕吐等症状[2]。为控制船舶柴油机排放造成的污染,国际海事组织(IMO)推出了IMO Tier III 排放标准,对柴油机氮氧化物排放做出了更加严格的限制。

2.2 SCR 催化器体积的影响

保持催化器长度与孔密度不变,通过改变催化器截面积的方式来改变催化器体积,根据运行结果建立催化器体积与尾气脱硝率、尾气压降之间的关系,如表4 和图4 所示。

表4 催化器体积与尾气脱硝率、压降间的关系

图4 催化器体积与尾气脱硝率、压降间的关系

由图4 可知,当催化器体积较小时,尾气脱硝率随体积增大而上升明显;体积较大时,尾气脱硝率增长趋势缓慢,直至不变。同时,增大体积也能有效降低尾气压降,直至下降至较小值不再变化。这是由于催化器体积较小时,SCR 反应受催化器体积的制约,尿素水解未进行充分,较多的尿素被喷入催化器后未及时水解。同时,催化器体积小时,催化器内混合气体压力较大,不利于氮氧化物还原反应的正向进行。增大催化器体积,不但能使得尿素水解充分,同时还可以使氮氧化物充分反应,尾气脱硝率提高明显。当体积较大时,由于尿素的水解与氮氧化物的还原反应已进行充分,尾气脱硝率基本处于稳定,不再上升。在尾气压降方面,催化器体积小,会导致NH3、NOX、N2、H2O 的混合气体密度较大,气体所受管道阻力也随之增大。增大催化器体积,能够有效降低混合气体的密度,减小排气阻力,进而有效降低尾气压降。增大SCR 催化器体积对尾气的处理与排放的作用是双向的:不仅可以提高尾气的脱硝率,同时还能有效地降低尾气压降。因此选择SCR 催化器的体积时,需尽量扩大催化器的体积,同时要符合机舱的容纳范围。

2.3 SCR 催化器孔密度的影响

保持催化器长度、截面积不变,研究催化器的孔密度与尾气脱硝率、尾气压降之间的关系,如表5 和图5 所示。

表5 催化剂孔密度与尾气脱硝率、压降间的关系

图5 催化剂孔密度与尾气脱硝率、压降间的关系

由图5 可知,当催化器的孔密度较小时,尾气脱硝率随孔密度增大上升较明显,此时压降上升较缓;孔密度较大时,尾气压降随孔密度增加上升较快,而脱硝率基本保持不变。这是由于孔密度较小时,催化器的比表面积随孔密度的上升增大明显,这也使得催化器的吸附能力变强,更多的NH3吸附在催化剂表面,发生催化还原反应,催化器脱硝率升高。当催化器的孔密度比较高时,催化器对NH3的吸附能力达到饱和,此时催化器对氨的吸收能力不随比表面积的增大而上升,此时尾气脱硝率基本达到峰值,增长缓慢。然而,比表面积的持续增加引起了管道阻力的不断上升,与此同时,尾气压降上升明显。催化器的孔密度过小,会使得催化器捕捉不到足够氨气,SCR 反应不充分,尾气脱硝率处于较低水平;而孔密度过大,则会导致尾气压降过高,极易使得柴油机的排气背压超标,而且极易引起堵塞。因此,选择催化器的孔密度需适中,在满足尾气压降标准的情况下,可以适当提高催化器的孔密度,这样可以使得尾气的脱硝率保持在较高的水平。

3 结论

本文主要分析了改变SCR 催化器的长度、体积、孔密度对尾气脱硝率与压降的影响。根据仿真结果,得知催化器的长度越长,尾气脱硝率越高,催化效果越好。但脱硝率不会随长度的增长而无限变大,同时催化器长度的增长也会引起尾气压降的线性增大。催化器体积越大,尾气脱硝率越高,尾气压降越小。催化器孔密度的增大能有效提高尾气脱硝率,但孔密度较大时尾气压降较大。因此从提高催化器催化效率的角度考虑,可以增大催化器的长度、体积和孔密度,但也需注意控制排气压降。在实际设计过程中,应综合考虑机舱容积与经济成本,提出最优化设计。

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