淺談SCR 在船舶上的應(yīng)用

郝公正

（上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913）

1 前言

隨著人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)境保護(hù)，船舶在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)環(huán)境的破壞越來(lái)越受到重視。根據(jù)海事組織對(duì)于柴油機(jī)廢氣排放的規(guī)定，對(duì)二零一六年一月一日及之后所建造的運(yùn)營(yíng)船舶，在排放限制區(qū)域內(nèi)航行時(shí)，柴油機(jī)廢氣排放中氮氧化物的排放量的限定值應(yīng)按Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)130 r/min時(shí)，氮氧化物排放限值為3.4 g/kWh；當(dāng)轉(zhuǎn)速在130 r/min～2 000 r/min 時(shí)，限值為9*Ng/kWh，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min 時(shí)，限值為2.0 g/kWh，Tier Ⅲ要求的氮氧化物排放量的限值約為T(mén)ier Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)的20%。

目前Tier Ⅲ所要求的的排放標(biāo)準(zhǔn)，只要求在相應(yīng)的排放限制區(qū)域內(nèi)（英吉利海峽、英國(guó)北海、波羅的海等）實(shí)施，但世界上主要的工業(yè)大國(guó)和航運(yùn)大國(guó)為了保護(hù)本地的海洋環(huán)境及改善大氣質(zhì)量，都在努力爭(zhēng)取將本國(guó)或本地區(qū)的海域設(shè)為排放限制區(qū)。因此，為了確保所屬船舶能夠在排放受限區(qū)域內(nèi)航行，必須采取一定的技術(shù)措施降低柴油機(jī)廢氣排放中氮氧化物的指標(biāo)，使其符合Tier Ⅲ的排放要求。

2 解決NOx 排放的技術(shù)措施

目前降低柴油機(jī)廢氣中NOx 含量的措施，主要有以下幾種（見(jiàn)圖1）：

（1）改進(jìn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的排放技術(shù)，主要是改進(jìn)柴油機(jī)的工作過(guò)程（如：優(yōu)化進(jìn)、排氣過(guò)程及供油燃燒過(guò)程或結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化）；

（2）采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)，或聯(lián)合使用進(jìn)氣加濕法等多種技術(shù)；

（3）對(duì)排放的廢氣進(jìn)行處理，如采用具有選擇性催化轉(zhuǎn)化信息技術(shù)（SCR）;

（4）采用污染較少的燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的污染高的燃料，如使用液化天然氣作為燃料；

（5）采用乳化油（FWE）；

（6）采用進(jìn)氣加濕（HAM）。

從圖1 中可以看到：采用SCR 系統(tǒng)及新型燃料天然氣，可以把廢氣中NOx的含量降低80%甚至更多；如果利用天然氣做燃料，則需要改造船用柴油機(jī)，增加燃?xì)庀到y(tǒng)及儲(chǔ)存燃?xì)獾膬?chǔ)氣罐，資金投入及工作量大、時(shí)間長(zhǎng)；而如果僅是增加SCR 系統(tǒng)的話，則不需要投入那么多的資金及改造時(shí)間，所以對(duì)舊船來(lái)說(shuō)，采用SCR 系統(tǒng)是達(dá)到Tier Ⅲ排放要求的比較合適的選擇。

圖1 NOx 排放的技術(shù)措施對(duì)比

3 船舶使用SCR 現(xiàn)狀

目前我司建造的某型系列船上，主機(jī)、發(fā)電機(jī)均通過(guò)采用SCR 來(lái)降低廢氣中的NOx 的排放，該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。

3.1 SCR 系統(tǒng)原理

選擇性催化轉(zhuǎn)化法（簡(jiǎn)稱為SCR），是一種廢氣再處理方法，采用此種方法能夠有效降低廢氣中氮氧化物的含量。利用SCR 來(lái)處理排出的煙氣，是目前有效的、比較成熟的技術(shù)，能夠滿足Tier Ⅲ的排放要求。

在SCR 中進(jìn)行的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)過(guò)程如下：

在SCR 系統(tǒng)中發(fā)生的化學(xué)和物理反應(yīng)有：尿素的水解和熱解氣相化學(xué)反應(yīng)，尿素溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、以及廢氣中的氮氧化物在反應(yīng)器中催化劑表面與NH3 發(fā)生的催化表面化學(xué)反應(yīng)。在合適的溫度下（通常為300 ℃～400 ℃的溫度下），以氨氣或尿素作為還原劑，將排放的煙氣中的氮氧化物還原為無(wú)毒的氮?dú)夂退?以達(dá)到減少?gòu)U氣中氮氧化物排放的目的。

3.2 SCR 系統(tǒng)組成

SCR 系統(tǒng)組成：反應(yīng)器、AIG、混合加藥裝置、吹灰裝置、鼓風(fēng)機(jī)、燃燒單元、分解單元、NOx 分析儀。圖2 為系統(tǒng)組成圖。

圖2 SCR 系統(tǒng)組成圖

（1）反應(yīng)器

是SCR 系統(tǒng)的主要部件，氮氧化物的主要化學(xué)反應(yīng)都是在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生。反應(yīng)器主要由外部殼體和內(nèi)部的催化劑模塊組成；

（2）氨氣噴射格柵（AIG）

尿素溶液通過(guò)AIG 噴出后呈細(xì)水霧狀，與廢氣結(jié)合后蒸發(fā)，并經(jīng)靜態(tài)混合器充分混合后進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；

（3）混合加藥裝置

混合加藥裝置是多功能單元，它可以為尿素提供預(yù)加熱，通過(guò)AIG 把尿素溶液霧化成細(xì)水霧噴入到廢氣中，尿素溶液在混合管內(nèi)通過(guò)蒸得到氨氣；靜態(tài)混合器起到了使還原劑與煙氣充分混合的作用，從而使還原劑均勻的流向催化器；

（4）吹灰裝置

設(shè)備使用久了大量的煙氣顆粒和灰塵會(huì)沉積在催化劑模塊上，影響系統(tǒng)的反應(yīng)效果，需要使用壓縮空氣等吹除沉積在催化劑模塊上的顆粒狀雜質(zhì)及灰塵，以利于SCR 系統(tǒng)能夠有效、持續(xù)的工作，防止催化模塊被堵塞造成排氣背壓增大，降低系統(tǒng)催化的效率；

（5）鼓風(fēng)機(jī)、燃燒單元

船舶在靠港或離港時(shí)，主機(jī)負(fù)荷及排出溫度較低，為改善SCR 的工作效率，需將排出的較低溫度的廢氣加熱到適宜的溫度，鼓風(fēng)機(jī)的作用就是將主機(jī)排出的廢氣通過(guò)旁通運(yùn)輸?shù)饺紵龁卧?，?jīng)燃燒單元加熱使其達(dá)到反應(yīng)所需的最佳溫度；

（6）分解單元

在分解單元中，溶液狀的尿素被加熱、分解成氨氣，經(jīng)AIG 被噴入反應(yīng)器；

（7）NOx 分析儀

可以對(duì)排放的煙氣進(jìn)行檢測(cè)，分為固定式和移動(dòng)式。

3.3 SCR 系統(tǒng)工作原理

（1）主機(jī)排出的廢氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)后進(jìn)入燃燒單元加熱至400 ℃左右，之后進(jìn)入分解單元。根據(jù)主機(jī)負(fù)荷的變化，適量的尿素經(jīng)尿素泵輸送至分解單元，在分解單元中，溶液狀的尿素經(jīng)加熱后分解成氨氣，經(jīng)增壓至10 bar 左右，與加熱后的主機(jī)廢氣一起輸送至分解單元的噴嘴處，經(jīng)AIG 后與主機(jī)廢氣噴到靜態(tài)混合器進(jìn)行充分的混合后進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)?、水等無(wú)污染物質(zhì)。

（2）在使用過(guò)程中，特別要注意廢氣的溫度，不同的廢氣溫度會(huì)使反應(yīng)效率有很大的區(qū)別：對(duì)于大多數(shù)SCR 催化劑，最佳溫度范圍為250 ℃～425 ℃，NOx的脫除率會(huì)隨著溫度上升到370 ℃～-400℃達(dá)到最大值；當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí)，還原劑有可能會(huì)被燒掉而不能與一氧化氮、二氧化氮反應(yīng)；如果溫度太低，則反應(yīng)速度會(huì)降低，并且會(huì)使其中的硫酸銨凝結(jié)造成催化劑被損壞；隨著煙氣溫度接近最佳值時(shí)，反應(yīng)速率上升，較少催化劑體積就可以達(dá)到相同的NOx 脫除率。當(dāng)煙氣溫度從320 ℃上升到最佳反應(yīng)溫度370 ℃～400℃時(shí)會(huì)使需要的催化劑體積下降約40%，催化劑體積的下降也導(dǎo)致催化劑系統(tǒng)投資成本的大幅下降。

（3）在整個(gè)SCR 系統(tǒng)工作中，需要關(guān)注催化劑和尿素的質(zhì)量，這兩者關(guān)系著反應(yīng)的最終效果。若催化劑選型不當(dāng)或者尿素質(zhì)量不符合要求，則處理后的煙氣中的NOx 等含量將達(dá)不到要求。下面介紹催化劑和尿素的選型及保養(yǎng)要求：

① 目前廣泛使用的催化劑型式，主要有波紋板式、板式、蜂窩式，如圖3 所示。

圖3 催化劑的樣式

② 各種催化劑因其結(jié)構(gòu)不同，適用范圍也不相同。表1 為三種不同類(lèi)型的催化劑的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。

表1 三種催化劑的特點(diǎn)及適用范圍

因?yàn)榉涓C式催化劑具有體積小、活性高以及表面積大等優(yōu)點(diǎn)，目前船上主機(jī)、發(fā)電機(jī)所使用的催化劑均為蜂窩式。

在使用過(guò)程中要特別注意催化劑的失活現(xiàn)象（活性下降），表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

① 中毒

排放的廢氣中有一些成分會(huì)對(duì)催化劑產(chǎn)生中毒作用，催化劑失活的主要原因是催化劑中毒所造成的；導(dǎo)致催化劑中毒的成分有Pb、Mg、Na、K、As、Hg 和Ca 等物質(zhì)及其氧化物以及HCl、HF 等。這些成分會(huì)滲透到催化劑模塊小孔的活性位上，并與其發(fā)生不可逆的結(jié)合，從而導(dǎo)致催化劑活性下降；

② 熱燒結(jié)

SCR 系統(tǒng)工作時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)持續(xù)的高溫環(huán)境會(huì)減少催化劑模塊的使用壽命，產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象。燒結(jié)的產(chǎn)生，是由于反應(yīng)器內(nèi)持續(xù)的高溫使得催化劑上存在的孔的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久改變，從而使得催化劑活性發(fā)生不可逆的降低的現(xiàn)象；催化劑模塊的熱燒結(jié)的程度，取決于催化劑的結(jié)構(gòu)與組成。使用的催化劑的載體材料越合理，則催化劑模塊可以更耐熱燒結(jié)，從而使催化劑的壽命得以延長(zhǎng)；

③ 表面掩蔽、阻塞及粘污

排放的廢氣中的硫酸銨鹽、飛灰及其他的顆粒物會(huì)堵塞、遮蔽催化劑的表面和加劇催化劑的不正常磨損。若催化劑的表面和空洞被灰塵或其他顆粒物堆積，則會(huì)導(dǎo)致氮氧化物還原反應(yīng)的活性位的數(shù)量下降，使催化劑的壓降上升；

④ 磨損

排放的廢氣中的通常伴隨有顆粒物，顆粒物在較大的內(nèi)部氣流的沖擊下會(huì)加速催化劑的磨損，因此在制造催化劑時(shí)，若在催化劑上使用比較堅(jiān)硬導(dǎo)流角或者增加催化劑強(qiáng)度，則可以使得催化劑更耐磨損，延長(zhǎng)其使用壽命；

⑤ 老化

催化劑的化學(xué)及物理特性會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，活性降低；

⑥ 尿素溶液的有效性

防止尿素溶液的失效造成SCR 系統(tǒng)的無(wú)效工作。不同含量的尿素在不同的環(huán)境溫度下，其保存周期是不同的。

4 測(cè)試試驗(yàn)

以某型船上安裝的SCR 系統(tǒng)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程為例，對(duì)比采用SCR 前后廢氣中的NOx 的含量的處理效果：

（1）試驗(yàn)程序按照柴油機(jī)100%、75%、50%、25%四擋負(fù)荷，每檔負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行10 分鐘后，分別測(cè)量SCR 運(yùn)行前NOx 的含量，檢查SCR 對(duì)于煙氣中的NOx 的含量的不同來(lái)驗(yàn)證其處理效果。此次試驗(yàn)使用移動(dòng)式NOx 分析儀對(duì)煙氣中的NOx 含量進(jìn)行分析。柴油機(jī)排氣管上預(yù)留了分析儀的接口，試驗(yàn)時(shí)按各檔負(fù)載接入分析儀，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄。

（2）測(cè)試記錄數(shù)據(jù)可以看出：柴油機(jī)在運(yùn)行SCR前，四擋負(fù)荷下測(cè)得的煙氣中的NOx 濃度分別為734 ppm、727 ppm、800 ppm、675 ppm。根據(jù)排放要求，Tier Ⅲ的氮氧化物排放量的限量值約為T(mén)ier Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)的20%，即排放的NOX 濃度降低到原來(lái)濃度的80%即符合要求；從測(cè)試數(shù)據(jù)中得知，運(yùn)行SCR 后NOx 的含量分別下降至145 ppm、128 ppm、149 ppm、135 ppm,與原數(shù)值相比約減少了80%左右。

5 結(jié)論

本文根據(jù)某型船實(shí)際應(yīng)用的SCR 系統(tǒng)，簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)的組成及各組分的大致功能，并通過(guò)在建船舶上的設(shè)備實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，SCR 對(duì)柴油機(jī)廢氣中NOx 含量排放的減小，證明了SCR 的工作的有效性，滿足Tier Ⅲ的排放要求。