6135 型柴油机SCR 催化器结构优化分析

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。