高婷 鄧炯

摘要：柴油機排放的氮氧化物主要是由一氧化氮和二氧化氮組成，這兩種類型的氮氧化物對環(huán)境和人體健康都具有較大的危害性。目前主流的NOx的凈化措施主要有：機內減排技術（以廢氣再循環(huán)技術（EGR）為代表）、排氣后處理技術（以選擇性催化還原技術（SCR）為代表）。SCR技術為目前較普遍的應用技術，文章對主流SCR技術進行分析和研究，得出不同SCR技術的優(yōu)勢。

關鍵詞：柴油機排放;SCR

1、概述

SCR（Selective Catalystic Reduction，選擇性催化還原反應）是公認能滿足IMO Tier III排放要求的最為成熟可靠的排放后處理技術，其主要采用尿素溶液充當還原劑，利用催化劑的高選擇性優(yōu)先把NOx還原為N2。目前船用柴油機SCR系統已在上百艘船舶進行了實船安裝應用，可靠性及實用性經過了較長時間的驗證。

SCR系統主要由SCR蒸發(fā)混合器、SCR反應器及SCR輔助系統組成。SCR輔助系統包括還原劑供應系統、吹灰系統及SCR加熱系統。還原劑供應系統按照控制策略將還原劑噴入SCR蒸發(fā)混合器中，在高溫下還原劑迅速蒸發(fā)、混合隨排氣進入SCR反應器，并在催化劑作用下發(fā)生SCR催化還原反應，將NOx轉化成無毒無害的N2和H2O。

根據SCR系統裝置安裝位置不同，SCR系統分為高壓SCR系統（增壓器前）和低壓SCR系統（增壓器后）兩類。

2、主機高壓SCR

2.1原理、流程簡介

SCR技術NOx轉化率與排氣溫度關聯度較大，系統工作的最佳溫度范圍是330—350℃。對于船用低速二沖程柴油機，一般增壓器渦后排溫僅為230—260℃，所以對低壓SCR系統，一般需要增加額外的附屬供熱裝置用以提高排氣溫度。而相比渦后溫度，增壓器前排氣溫度一般會高50—175℃，因此Wartsila與MAN等主機廠商普遍采用渦前高壓SCR方案，從而滿足SCR系統對反應溫度的要求。

高壓SCR過程在SCR管線中進行，它由兩個主要部件組成：蒸發(fā)器/混合器組合單元和SCR反應器。在Tier II模式下運行時，SCR系統將被反應器密封閥（RSV）和反應器節(jié)流閥（RTV）切斷。反應器旁通閥（RBV）將會打開，廢氣直接流入渦輪增壓器。在Tier III模式下運行時，SCR系統將會接通。閥門RSV和RTV打開，而RBV將會關閉。

即使反應器置于渦輪前側，廢氣溫度在低負荷下可能仍會過低。為此可在掃氣集管與渦輪入口之間安裝一個氣缸旁路，該旁路由氣缸旁通閥（CBV）進行控制。打開旁路時，通過氣缸的空氣量將會減少，但不會損失掃氣壓力，而廢氣溫度將會相應升高，從而使排氣溫度保持在所需水平以上。

2.2設備簡介

① SCR混合器

SCR混合器的主要作用使氨氣和煙氣充分混合。其上配備尿素溶液噴槍，通過壓縮空氣，使尿素溶液在進入混合管內被霧化為平均直徑為40μm的粒子，并受熱分解為氨氣。

在加藥結束后，通過淡水對噴槍及管路進行沖洗，防止管道內部結晶，造成堵塞。

② SCR反應器

SCR反應器是脫銷化學反應的主要場所，采用高溫鍋爐鋼制成，一般為臥式布置。

其內部主要由3-4層催化劑組成，每一層催化劑，都由數個催化劑模塊通過井字形支撐梁組裝而成。催化劑為長方體形狀，其內部為陶瓷蜂窩狀結構，可極大地增加接觸及反應面積。

每一層催化劑，配備一套吹灰系統，用于清除催化劑表面及孔道內的灰塵和油泥。吹灰系統使用高壓激波吹灰法：通入壓縮空氣，使用快速反應閥瞬間啟閉，產生脈沖式的沖擊波對催化劑表面進行吹掃。

③ 尿素泵單元

尿素泵單元配有2臺尿素泵，一用一備設置。尿素泵電機采用變頻電機，根據控制系統提供的尿素用量信號實時調節(jié)尿素加藥量，使用4-20mA信號實現變頻流量調節(jié)。

④計量單元

NH3的逃逸是指在SCR系統正常工作時，噴入催化器內的NH3不能完全地與NOx發(fā)生反應，而造成未參加催化還原反應的NH3隨著排氣從催化器的出口排出的現象。氨的逃逸用氨逃逸率表征，氨逃逸率是指反應器出口煙氣中NH3的濃度（ppm），它是SCR系統性能的重要指標之一。一般要求氨逃逸率不超過10ppm，因為排氣中殘余的NH3會與硫氧化物反應生成硫酸氫銨，這種粘稠物會對煙道下游的部件造成污染和堵塞。同時殘余的NH3進入大氣后，在排氣管出口處會形成藍色的有害煙霧。

尿素溶液的精確計量決定了NH3輸入量的大小。當NH3輸入量過小時，NOx脫除效率會降低，達不到系統需要的脫除效果。但當NH3輸入量過大時，會造成系統NH3的逃逸量的增加。

為了實現SCR系統中催化還原反應的完全進行同時減少氨逃逸率，系統需要配備計量單元，實現尿素溶液精確供給。

⑤ 控制系統

SCR控制系統主要有兩個功能，對外接受和反饋MDT控制系統的控制信號及尿素噴射量信號，對內控制SCR系統的運行，控制閥門、泵等的動作?？刂葡到y包括控制柜（PLC）、控制軟件和系統傳感器。其中系統傳感器又主要包括壓差變送器、壓力傳感器、流量計等。

壓差傳感器用于SCR系統運行時反應器進出口的壓力差監(jiān)控。當壓力差測量值超過設定值，啟動吹灰系統。

3、主機低壓SCR

低壓SCR系統由三個主要部件組成：SCR 反應器、混合器（AIG—噴氨格柵）和分解單元（DCU）。分解單元位于反應器出口與混合器入口之間的廢氣管線中，由一個鼓風機、一個加熱器（燃燒器）和一個蒸發(fā)器組成。

還原劑噴入蒸發(fā)器形成氨氣混合物，然后在鼓風機作用下進入混合器并最終進入 SCR 反應器。對于 SCR 過程，即使使用低硫燃油，在發(fā)動機低負荷或是低溫度環(huán)境中，廢氣溫度仍然會過低。為了將廢氣溫度提高到所需水平，可以使渦輪高壓側產生的部分廢氣在一個廢氣旁通閥（EGB）的控制下通過旁路流到低壓側。另外，盡管燃油含硫量很低，但是低壓SCR系統仍容易形成硫酸氫銨等腐蝕物質，解決的辦法之一是通過分解單元加熱適量廢氣并使之循環(huán)經過反應器以去除生成的硫酸氫銨等。

4、結論

綜上來看，高壓SCR系統的優(yōu)點有：反應安裝在增壓器之前，不影響增壓器背壓;系統體積小，布局緊湊;廢氣能量利用率高，不需要額外的補燃裝置;系統抗硫中毒性能高，對燃料含硫量不敏感，可使用低硫油、柴油或重油等燃料。而低壓SCR系統的優(yōu)點有布置靈活，可以不占用主機艙空間，便于簡化系統管道等，在渦后排氣溫度更高的中、高速柴油機上有著更廣泛的應用。目前市面上的主流設計是主機采用高壓SCR，發(fā)電機采用低壓SCR。

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