基于SCR的柴油机排放NOx解决方案研究

高婷 邓炯

摘要：柴油机排放的氮氧化物主要是由一氧化氮和二氧化氮组成，这两种类型的氮氧化物对环境和人体健康都具有较大的危害性。目前主流的NOx的净化措施主要有：机内减排技术（以废气再循环技术（EGR）为代表）、排气后处理技术（以选择性催化还原技术（SCR）为代表）。SCR技术为目前较普遍的应用技术，文章对主流SCR技术进行分析和研究，得出不同SCR技术的优势。

关键词：柴油机排放;SCR

1、概述

SCR（Selective Catalystic Reduction，选择性催化还原反应）是公认能满足IMO Tier III排放要求的最为成熟可靠的排放后处理技术，其主要采用尿素溶液充当还原剂，利用催化剂的高选择性优先把NOx还原为N2。目前船用柴油机SCR系统已在上百艘船舶进行了实船安装应用，可靠性及实用性经过了较长时间的验证。

SCR系统主要由SCR蒸发混合器、SCR反应器及SCR辅助系统组成。SCR辅助系统包括还原剂供应系统、吹灰系统及SCR加热系统。还原剂供应系统按照控制策略将还原剂喷入SCR蒸发混合器中，在高温下还原剂迅速蒸发、混合随排气进入SCR反应器，并在催化剂作用下发生SCR催化还原反应，将NOx转化成无毒无害的N2和H2O。

根据SCR系统装置安装位置不同，SCR系统分为高压SCR系统（增压器前）和低压SCR系统（增压器后）两类。

2、主机高压SCR

2.1原理、流程简介

SCR技术NOx转化率与排气温度关联度较大，系统工作的最佳温度范围是330—350℃。对于船用低速二冲程柴油机，一般增压器涡后排温仅为230—260℃，所以对低压SCR系统，一般需要增加额外的附属供热装置用以提高排气温度。而相比涡后温度，增压器前排气温度一般会高50—175℃，因此Wartsila与MAN等主机厂商普遍采用涡前高压SCR方案，从而满足SCR系统对反应温度的要求。

高压SCR过程在SCR管线中进行，它由两个主要部件组成：蒸发器/混合器组合单元和SCR反应器。在Tier II模式下运行时，SCR系统将被反应器密封阀（RSV）和反应器节流阀（RTV）切断。反应器旁通阀（RBV）将会打开，废气直接流入涡轮增压器。在Tier III模式下运行时，SCR系统将会接通。阀门RSV和RTV打开，而RBV将会关闭。

即使反应器置于涡轮前侧，废气温度在低负荷下可能仍会过低。为此可在扫气集管与涡轮入口之间安装一个气缸旁路，该旁路由气缸旁通阀（CBV）进行控制。打开旁路时，通过气缸的空气量将会减少，但不会损失扫气压力，而废气温度将会相应升高，从而使排气温度保持在所需水平以上。

2.2设备简介

① SCR混合器

SCR混合器的主要作用使氨气和烟气充分混合。其上配备尿素溶液喷枪，通过压缩空气，使尿素溶液在进入混合管内被雾化为平均直径为40μm的粒子，并受热分解为氨气。

在加药结束后，通过淡水对喷枪及管路进行冲洗，防止管道内部结晶，造成堵塞。

② SCR反应器

SCR反应器是脱销化学反应的主要场所，采用高温锅炉钢制成，一般为卧式布置。

其内部主要由3-4层催化剂组成，每一层催化剂，都由数个催化剂模块通过井字形支撑梁组装而成。催化剂为长方体形状，其内部为陶瓷蜂窝状结构，可极大地增加接触及反应面积。

每一层催化剂，配备一套吹灰系统，用于清除催化剂表面及孔道内的灰尘和油泥。吹灰系统使用高压激波吹灰法：通入压缩空气，使用快速反应阀瞬间启闭，产生脉冲式的冲击波对催化剂表面进行吹扫。

③ 尿素泵单元

尿素泵单元配有2台尿素泵，一用一备设置。尿素泵电机采用变频电机，根据控制系统提供的尿素用量信号实时调节尿素加药量，使用4-20mA信号实现变频流量调节。

④计量单元

NH3的逃逸是指在SCR系统正常工作时，喷入催化器内的NH3不能完全地与NOx发生反应，而造成未参加催化还原反应的NH3随着排气从催化器的出口排出的现象。氨的逃逸用氨逃逸率表征，氨逃逸率是指反应器出口烟气中NH3的浓度（ppm），它是SCR系统性能的重要指标之一。一般要求氨逃逸率不超过10ppm，因为排气中残余的NH3会与硫氧化物反应生成硫酸氢铵，这种粘稠物会对烟道下游的部件造成污染和堵塞。同时残余的NH3进入大气后，在排气管出口处会形成蓝色的有害烟雾。

尿素溶液的精确计量决定了NH3输入量的大小。当NH3输入量过小时，NOx脱除效率会降低，达不到系统需要的脱除效果。但当NH3输入量过大时，会造成系统NH3的逃逸量的增加。

为了实现SCR系统中催化还原反应的完全进行同时减少氨逃逸率，系统需要配备计量单元，实现尿素溶液精确供给。

⑤ 控制系统

SCR控制系统主要有两个功能，对外接受和反馈MDT控制系统的控制信号及尿素喷射量信号，对内控制SCR系统的运行，控制阀门、泵等的动作。控制系统包括控制柜（PLC）、控制软件和系统传感器。其中系統传感器又主要包括压差变送器、压力传感器、流量计等。

压差传感器用于SCR系统运行时反应器进出口的压力差监控。当压力差测量值超过设定值，启动吹灰系统。

3、主机低压SCR

低压SCR系统由三个主要部件组成：SCR 反应器、混合器（AIG—喷氨格栅）和分解单元（DCU）。分解单元位于反应器出口与混合器入口之间的废气管线中，由一个鼓风机、一个加热器（燃烧器）和一个蒸发器组成。

还原剂喷入蒸发器形成氨气混合物，然后在鼓风机作用下进入混合器并最终进入 SCR 反应器。对于 SCR 过程，即使使用低硫燃油，在发动机低负荷或是低温度环境中，废气温度仍然会过低。为了将废气温度提高到所需水平，可以使涡轮高压侧产生的部分废气在一个废气旁通阀（EGB）的控制下通过旁路流到低压侧。另外，尽管燃油含硫量很低，但是低压SCR系统仍容易形成硫酸氢铵等腐蚀物质，解决的办法之一是通过分解单元加热适量废气并使之循环经过反应器以去除生成的硫酸氢铵等。

4、结论

综上来看，高压SCR系统的优点有：反应安装在增压器之前，不影响增压器背压;系统体积小，布局紧凑;废气能量利用率高，不需要额外的补燃装置;系统抗硫中毒性能高，对燃料含硫量不敏感，可使用低硫油、柴油或重油等燃料。而低压SCR系统的优点有布置灵活，可以不占用主机舱空间，便于简化系统管道等，在涡后排气温度更高的中、高速柴油机上有着更广泛的应用。目前市面上的主流设计是主机采用高压SCR，发电机采用低压SCR。

参考文献：

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