基于SCR的柴油機排放NOx解決方案研究

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(nèi)減排技術(shù)（以廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）為代表）、排氣后處理技術(shù)（以選擇性催化還原技術(shù)（SCR）為代表）。SCR技術(shù)為目前較普遍的應(yīng)用技術(shù)，文章對主流SCR技術(shù)進行分析和研究，得出不同SCR技術(shù)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：柴油機排放;SCR

1、概述

SCR（Selective Catalystic Reduction，選擇性催化還原反應(yīng)）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(shù)，其主要采用尿素溶液充當(dāng)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(tǒng)已在上百艘船舶進行了實船安裝應(yīng)用，可靠性及實用性經(jīng)過了較長時間的驗證。

SCR系統(tǒng)主要由SCR蒸發(fā)混合器、SCR反應(yīng)器及SCR輔助系統(tǒng)組成。SCR輔助系統(tǒng)包括還原劑供應(yīng)系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)及SCR加熱系統(tǒng)。還原劑供應(yīng)系統(tǒng)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(yīng)器，并在催化劑作用下發(fā)生SCR催化還原反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化成無毒無害的N2和H2O。

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

2、主機高壓SCR

2.1原理、流程簡介

SCR技術(shù)NOx轉(zhuǎn)化率與排氣溫度關(guān)聯(lián)度較大，系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)對反應(yīng)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(yīng)器。在Tier II模式下運行時，SCR系統(tǒng)將被反應(yīng)器密封閥（RSV）和反應(yīng)器節(jié)流閥（RTV）切斷。反應(yīng)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(tǒng)將會接通。閥門RSV和RTV打開，而RBV將會關(guān)閉。

即使反應(yīng)器置于渦輪前側(cè)，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(yīng)升高，從而使排氣溫度保持在所需水平以上。

2.2設(shè)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(nèi)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(jié)束后，通過淡水對噴槍及管路進行沖洗，防止管道內(nèi)部結(jié)晶，造成堵塞。

② SCR反應(yīng)器

SCR反應(yīng)器是脫銷化學(xué)反應(yīng)的主要場所，采用高溫鍋爐鋼制成，一般為臥式布置。

其內(nèi)部主要由3-4層催化劑組成，每一層催化劑，都由數(shù)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(nèi)部為陶瓷蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可極大地增加接觸及反應(yīng)面積。

每一層催化劑，配備一套吹灰系統(tǒng)，用于清除催化劑表面及孔道內(nèi)的灰塵和油泥。吹灰系統(tǒng)使用高壓激波吹灰法：通入壓縮空氣，使用快速反應(yīng)閥瞬間啟閉，產(chǎn)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(shè)置。尿素泵電機采用變頻電機，根據(jù)控制系統(tǒng)提供的尿素用量信號實時調(diào)節(jié)尿素加藥量，使用4-20mA信號實現(xiàn)變頻流量調(diào)節(jié)。

④計量單元

NH3的逃逸是指在SCR系統(tǒng)正常工作時，噴入催化器內(nèi)的NH3不能完全地與NOx發(fā)生反應(yīng)，而造成未參加催化還原反應(yīng)的NH3隨著排氣從催化器的出口排出的現(xiàn)象。氨的逃逸用氨逃逸率表征，氨逃逸率是指反應(yīng)器出口煙氣中NH3的濃度（ppm），它是SCR系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)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(yīng)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(dāng)NH3輸入量過小時，NOx脫除效率會降低，達不到系統(tǒng)需要的脫除效果。但當(dāng)NH3輸入量過大時，會造成系統(tǒng)NH3的逃逸量的增加。

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

⑤ 控制系統(tǒng)

SCR控制系統(tǒng)主要有兩個功能，對外接受和反饋MDT控制系統(tǒng)的控制信號及尿素噴射量信號，對內(nèi)控制SCR系統(tǒng)的運行，控制閥門、泵等的動作?？刂葡到y(tǒng)包括控制柜（PLC）、控制軟件和系統(tǒng)傳感器。其中系統(tǒng)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(tǒng)運行時反應(yīng)器進出口的壓力差監(jiān)控。當(dāng)壓力差測量值超過設(shè)定值，啟動吹灰系統(tǒng)。

3、主機低壓SCR

低壓SCR系統(tǒng)由三個主要部件組成：SCR 反應(yīng)器、混合器（AIG—噴氨格柵）和分解單元（DCU）。分解單元位于反應(yīng)器出口與混合器入口之間的廢氣管線中，由一個鼓風(fēng)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(fēng)機作用下進入混合器并最終進入 SCR 反應(yīng)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(cè)產(chǎn)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(cè)。另外，盡管燃油含硫量很低，但是低壓SCR系統(tǒng)仍容易形成硫酸氫銨等腐蝕物質(zhì)，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(jīng)過反應(yīng)器以去除生成的硫酸氫銨等。

4、結(jié)論

綜上來看，高壓SCR系統(tǒng)的優(yōu)點有：反應(yīng)安裝在增壓器之前，不影響增壓器背壓;系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)用。目前市面上的主流設(shè)計是主機采用高壓SCR，發(fā)電機采用低壓SCR。

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