基于PLC的船用SCR廢氣減排與綜合利用

文 超

(攀枝花學(xué)院 交通與汽車工程學(xué)院，四川 攀枝花617000)

0 引 言

近年來，環(huán)境問題已經(jīng)成為各國發(fā)展的重要問題，空氣污染是最嚴重的環(huán)境污染，近年來我國多個城市PM2.5 嚴重超標(biāo)，對人類的健康和生活造成了很大影響。造成空氣嚴重污染的原因很多，除了工業(yè)污染外，比較重要的另一個因素就是各種交通工具的尾氣排放。近幾年來，交通運輸業(yè)快速發(fā)展，各種交通工具的不斷增加，其對環(huán)境污染的影響也日益加劇。

在眾多交通工具中，船舶是一種大型的交通運輸工具，具有很強的運載能力，為全球的交通運輸以及經(jīng)濟發(fā)展做出了很大貢獻，現(xiàn)在船舶的動力系統(tǒng)主要都是采用的柴油機動力系統(tǒng)，柴油機的不充分燃燒會產(chǎn)生各種廢氣，尤其是一氧化氮、二氧化氮等各種氮氧化物(NOX)，這些含有氮氧化物的廢氣給環(huán)境造成了惡劣影響［1］。

20 世紀(jì)末世界各國開始重視環(huán)境保護，對交通工具發(fā)動機的排放規(guī)格加以控制和監(jiān)管。我國從奧運會舉辦前的一個多月開始全面開始強制實施國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，之后又于2010 年開始提高標(biāo)準(zhǔn)，正式實施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴格控制交通工具的排放。由于政府的頒布，國內(nèi)的柴油機廠大都通過采取一系列措施來降低柴油機的排放，來滿足國Ⅳ的排放標(biāo)準(zhǔn)，于是SCR 系統(tǒng)就被越來越多的用于降低排放廢氣中的氮氧化物的含量。

1 柴油機SCR 系統(tǒng)

現(xiàn)在的許多大型貨車、裝載車、工程車、大型船舶等主要是采用柴油機作為其動力系統(tǒng)。柴油機具有熱效率高、經(jīng)濟性好、起動容易等一系列優(yōu)點，對各類交通工具有很大適應(yīng)性，被廣泛的用作各種交通工具的推進動力。然而柴油機也有其缺點，柴油機排放的廢氣物遠遠大于汽油機，這些排放物中含有很多氮氧化物和顆粒，會對大氣造成很大危害。

現(xiàn)在減少柴油機尾氣排放，一般都不是對柴油機本身的結(jié)構(gòu)進行改造，而是對其排出的廢氣采取措施，進行控制，減少污染。所以，柴油機只需要配備專門的減排設(shè)備，就可以實現(xiàn)對排放物中的氮氧化物的控制，方便經(jīng)濟。目前，僅有選擇性催化還原系統(tǒng)(簡稱SCR 系統(tǒng))，被證明是一種比較有效的氮氧化物減排的控制系統(tǒng)。SCR 系統(tǒng)，可以有效地將柴油機排放的尾氣中的氮氧化物的含量減少一半以上。對于較大排量的船舶類的交通工具發(fā)動機而言，SCR 系統(tǒng)是一種相對比較經(jīng)濟有效的減排系統(tǒng)［2］。

選擇性催化還原系統(tǒng)，簡稱SCR 系統(tǒng)，主要功能是用于去除柴油機排放的廢氣中的各種氮氧化物，減少對大氣環(huán)境的危害。SCR 系統(tǒng)的主要工作原理是，利用柴油機自身排放物中含有的物質(zhì)作為還原劑或另外添加還原劑(一般都是NH3)進行催化，通過化學(xué)反應(yīng)，在高氧濃度下，將氮氧化物還原為對大氣無害的N2，實現(xiàn)減排目的。

系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示，SCR 系統(tǒng)具體的工作原理是，系統(tǒng)根據(jù)一氧化氮的還原原理，將尿素與水按照一定的比例進行均勻混合，然后將混合氣體通過噴氣裝置噴入到柴油機排放的廢氣中，然后尿素與廢氣通過化學(xué)反應(yīng)，能將廢氣中的氮氧化物還原成氮氣和水，兩者都是對環(huán)境相對沒有污染的物質(zhì)，其主要化學(xué)方程式如下:

圖1 SCR 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 The work principle diagram of the SCR system

SCR 系統(tǒng)有幾個關(guān)鍵性因素，對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)具有較大影響:

1)還原劑的選擇

在氮氧化物還原的過程中需要借助特定的還原劑才能實現(xiàn)。然而，據(jù)目前發(fā)現(xiàn)，在有氧環(huán)境下，能將氮氧化物進行還原的物質(zhì)只有胺類物質(zhì)。在所有的胺類物質(zhì)中只有尿素比較容易攜帶，而且毒副作用較小。一般的操作方法是，首先把尿素與水按一定比例進行混合(尿素與水按2:5 的比例混合，相對比較合適)，然后將混合后的尿素通過特殊裝置噴入柴油機排出的廢氣中，尿素液化之后在高溫下產(chǎn)生的NH3催化劑，在催化作用下，NH3、O2與氮氧化物快速進行反應(yīng)，還原為氮氣和水。

2)催化劑的選擇

催化劑是化學(xué)反應(yīng)中的一種關(guān)鍵元素，其正確選擇對于整個化學(xué)反應(yīng)具有很重要的意義。一般催化劑，主要由催化劑載體和觸發(fā)成份構(gòu)成。催化劑一般需要在特定的環(huán)境下才能發(fā)揮作用?？梢哉f，SCR 系統(tǒng)的工作效率在很大程度上都取決于催化劑，催化劑的工作狀態(tài)和很多因素有關(guān)，比如溫度、濕度、反應(yīng)生成物、船舶振動等都會對催化劑的性能的發(fā)揮和效用時間都有著很大的影響。因此保證良好的工作環(huán)境，對于催化劑發(fā)揮作用，對于SCR 系統(tǒng)的工作效率都有關(guān)鍵作用。

3)反應(yīng)溫度的控制

化學(xué)反應(yīng)中，對溫度的控制是一個重要的部分。相同的物質(zhì)在不同的溫度下會發(fā)生不同的反應(yīng)。因此需要對SCR 系統(tǒng)中還原反應(yīng)的溫度經(jīng)行嚴格控制。對于氮氧化物還原反應(yīng)，如果溫度較低，容易生成硫酸胺，該物質(zhì)會吸附在催化劑載體的表面，大大影響催化劑性能，降低反應(yīng)效率;如果溫度過高，則反應(yīng)會產(chǎn)生NO 這種物質(zhì)。因此，為了保障氮氧化物進行高效的還原反應(yīng)，需要對工作溫度進行嚴格的監(jiān)控，根據(jù)試驗經(jīng)驗，溫度一般控制在300℃～500℃之間為最佳，不宜過低，也不宜過高［3］。

2 船用SCR 廢氣減排系統(tǒng)

上一節(jié)分析了柴油機SCR 系統(tǒng)的工作原理。由以上分析可知，SCR 系統(tǒng)可以方便地安裝在船舶上進行使用，是一種比較經(jīng)濟的適合船用的柴油機減排裝置。船用柴油機SCR 廢氣減排系統(tǒng)，主要由尿素供給裝置、尿素噴射裝置、催化器裝置、PLC 控制系統(tǒng)和上位機等幾部分組成。其中尿素供給裝置、尿素噴射裝置、催化器裝置是執(zhí)行機構(gòu)，PLC 控制系統(tǒng)是控制機構(gòu)，上位機是觀測機構(gòu)。系統(tǒng)的功能圖如圖2 所示。

圖2 船用SCR 系統(tǒng)功能圖Fig.2 The function diagram of the SCR system for the ship

1)尿素供給裝置

尿素供給裝置，主要由尿素供給泵、尿素箱及尿素箱加熱裝置和液位控制系統(tǒng)、尿素管等幾部分組成。尿素供給裝置的主要功能是供給作用，即將尿素與尿素箱吸入尿素泵，并一定的壓力將尿素傳送到尿素噴射單元，并在船舶停止或者出現(xiàn)故障需要倒吸時完成對系統(tǒng)內(nèi)尿素的清理工作。

其中，尿素箱的主要功能是存儲尿素，并且尿素箱中帶有液位傳感器和溫度傳感器等檢測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對尿素的液位高度和溫度高低進行實時檢測的功能。當(dāng)檢測到尿素箱中的尿素的液位低于之前設(shè)定值的時候，控制系統(tǒng)會將液位數(shù)據(jù)傳送到上位機進行顯示，提示用戶液位偏低，需要及時對尿素進行補充。同理，當(dāng)尿素箱中的尿素溶液的溫度過低或過高時，制系統(tǒng)會將溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機進行顯示，提示用戶溫度偏高或偏低，需要對溫度進行相應(yīng)的調(diào)整。計量單元是一個智能計算裝置，它根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，將固定量的尿素通過尿素泵傳送到尿素噴嘴的位置。由于尿素自身的屬性，其在較低的溫度下就會發(fā)生凍結(jié)，從而導(dǎo)致不能進行正常的還原反應(yīng)，影響系統(tǒng)工作。所以，為了保證氮氧化物能在低溫的環(huán)境下仍然能正常進行工作，尿素泵一般都配備有相應(yīng)的加熱裝置。

2)尿素噴射裝置

尿素噴射裝置，位于尿素供給裝置的下一段，主要由尿素噴射閥及墊片和冷卻水管兩部分組成。尿素噴射裝置的主要功能是將尿素水溶液霧化，并將其噴射到排氣管中。

3)催化器裝置

催化器裝置在SCR 系統(tǒng)中起著重要的作用，主要由催化器和消音器兩部分組成。催化劑是實現(xiàn)還原反應(yīng)關(guān)鍵的物質(zhì)，催化器裝置則是進行催化反應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備。催化器的主要功能是為氮氧化物催化還原反應(yīng)提供催化劑、已經(jīng)良好的場所和反應(yīng)條件。

3)PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制單元是整體SCR 系統(tǒng)的控制中心，主要由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、PLC 控制模塊、任務(wù)執(zhí)行模塊和上位機等幾部分組成。PLC 控制系統(tǒng)功能框圖如圖3 所示。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)功能框圖Fig.3 The function diagram of PLC control system

傳感器模塊，主要包括環(huán)境溫度傳感器、尿素箱溫度傳感器、尿素泵溫度傳感器、液位傳感器和氮氧傳感器等，主要的功能就是實現(xiàn)對各個裝置溫度、液位和氮氧等參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，用于實時對SCR 各部分的運行狀況進行實時檢測。

PLC 控制模塊，是整個系統(tǒng)的核心控制部分，主要功能是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理以及判斷，然后根據(jù)各級傳感器數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后發(fā)送指令給執(zhí)行模塊，來調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)。一旦SCR 系統(tǒng)中出現(xiàn)有異常，就會立即報警，并點亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機，方便顯示給用戶，用戶在電腦上進行可視化檢測，對于有必要的人工操作，在通過界面按鈕等功能，實現(xiàn)對PLC 的人機操作［4］。

執(zhí)行系統(tǒng)，包括加熱繼電器和尿素箱電磁閥等，主要功能是執(zhí)行PLC 控制系統(tǒng)下達的指令，進行加熱、補充尿素等操作。

簡而言之，首先各個傳感器，把SCR 系統(tǒng)中的各種參數(shù)傳遞給PLC，與PLC 之間交換信息，PLC對這些信息進行處理和判斷，然后把這些指令傳達給執(zhí)行器，來達到對SCR 系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)節(jié)的效果，同時將這些信息傳遞到上位機進行實時顯示。

圖4 SCR 系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 The work flow chart of SRC system

SCR 系統(tǒng)的工作流程如圖4 所示，系統(tǒng)的主要工作流程如下:當(dāng)柴油機啟動運行時，氮氧化物分析儀開始工作，對廢氣的溫度進行檢測，當(dāng)測得的廢氣溫度高于設(shè)定的溫度時(一般設(shè)定為300°)，PLC 即刻發(fā)出指令，啟動尿素泵和計量器。隨即，尿素泵打開開關(guān)，提取尿素溶液，同時計量器則根據(jù)廢氣中氮氧化物的含量來計算所需的尿素溶液的容量，然后調(diào)整尿素溶液的供給量。當(dāng)兩者準(zhǔn)備完畢之后，噴射單元將配好的尿素溶液噴出，使溶液在廢氣中充分霧化，同時實現(xiàn)還原劑與廢氣的充分混合。充分混合后的廢氣與催化劑充分接觸，在催化劑的催化作用下，廢氣中的氮氧化物與氨氣快速進行還原反應(yīng)，生成水蒸汽和氮氣。之后，氮氧化物分析儀對經(jīng)過處理之后的排放廢氣進行分析，如果發(fā)現(xiàn)此時氮氧化物的含量仍然超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，計量單元會將增加尿素溶液的提取量，確保足夠的還原劑供給，以保證下一次還原反應(yīng)能夠取得更好的效果［5］。

整個過程中，PLC 控制系統(tǒng)會實時采集和分析各傳感器數(shù)據(jù)，監(jiān)控各個模塊的運行狀態(tài)，確保最后經(jīng)過還原反應(yīng)之后排出的氣體中的氮氧化物含量低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

3 結(jié) 語

目前，船舶的動力系統(tǒng)主要都采用柴油機動力系統(tǒng)，柴油機的不充分燃燒會產(chǎn)生各種廢氣，尤其各種氮氧化物，這些含有氮氧化物的廢氣會對大氣環(huán)境造成嚴重的危害。為了控制船舶柴油機排放廢氣以及綜合利用，本文基于PLC 技術(shù)，對船用的SCR 廢氣減排與綜合利用系統(tǒng)進行分析與研究。SCR 系統(tǒng)能夠減少船舶柴油機廢氣中50%以上的氮氧化物的排放，可以有效地保護大氣環(huán)境。

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