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(lái)，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為各國(guó)發(fā)展的重要問(wèn)題，空氣污染是最嚴(yán)重的環(huán)境污染，近年來(lái)我國(guó)多個(gè)城市PM2.5 嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)人類的健康和生活造成了很大影響。造成空氣嚴(yán)重污染的原因很多，除了工業(yè)污染外，比較重要的另一個(gè)因素就是各種交通工具的尾氣排放。近幾年來(lái)，交通運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展，各種交通工具的不斷增加，其對(duì)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(yùn)輸工具，具有很強(qiáng)的運(yùn)載能力，為全球的交通運(yùn)輸以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)，現(xiàn)在船舶的動(dòng)力系統(tǒng)主要都是采用的柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，柴油機(jī)的不充分燃燒會(huì)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(guó)開(kāi)始重視環(huán)境保護(hù)，對(duì)交通工具發(fā)動(dòng)機(jī)的排放規(guī)格加以控制和監(jiān)管。我國(guó)從奧運(yùn)會(huì)舉辦前的一個(gè)多月開(kāi)始全面開(kāi)始強(qiáng)制實(shí)施國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，之后又于2010 年開(kāi)始提高標(biāo)準(zhǔn)，正式實(shí)施國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制交通工具的排放。由于政府的頒布，國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)廠大都通過(guò)采取一系列措施來(lái)降低柴油機(jī)的排放，來(lái)滿足國(guó)Ⅳ的排放標(biāo)準(zhǔn)，于是SCR 系統(tǒng)就被越來(lái)越多的用于降低排放廢氣中的氮氧化物的含量。

1 柴油機(jī)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(jī)作為其動(dòng)力系統(tǒng)。柴油機(jī)具有熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、起動(dòng)容易等一系列優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(jìn)動(dòng)力。然而柴油機(jī)也有其缺點(diǎn)，柴油機(jī)排放的廢氣物遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽油機(jī)，這些排放物中含有很多氮氧化物和顆粒，會(huì)對(duì)大氣造成很大危害。

現(xiàn)在減少柴油機(jī)尾氣排放，一般都不是對(duì)柴油機(jī)本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，而是對(duì)其排出的廢氣采取措施，進(jìn)行控制，減少污染。所以，柴油機(jī)只需要配備專門的減排設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排放物中的氮氧化物的控制，方便經(jīng)濟(jì)。目前，僅有選擇性催化還原系統(tǒng)(簡(jiǎn)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(jī)排放的尾氣中的氮氧化物的含量減少一半以上。對(duì)于較大排量的船舶類的交通工具發(fā)動(dòng)機(jī)而言，SCR 系統(tǒng)是一種相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)有效的減排系統(tǒng)［2］。

選擇性催化還原系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱SCR 系統(tǒng)，主要功能是用于去除柴油機(jī)排放的廢氣中的各種氮氧化物，減少對(duì)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(jī)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(jìn)行催化，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在高氧濃度下，將氮氧化物還原為對(duì)大氣無(wú)害的N2，實(shí)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(jìn)行均勻混合，然后將混合氣體通過(guò)噴氣裝置噴入到柴油機(jī)排放的廢氣中，然后尿素與廢氣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，能將廢氣中的氮氧化物還原成氮?dú)夂退?，兩者都是?duì)環(huán)境相對(duì)沒(méi)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(gè)關(guān)鍵性因素，對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)具有較大影響:

1)還原劑的選擇

在氮氧化物還原的過(guò)程中需要借助特定的還原劑才能實(shí)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(jìn)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(jìn)行混合(尿素與水按2:5 的比例混合，相對(duì)比較合適)，然后將混合后的尿素通過(guò)特殊裝置噴入柴油機(jī)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(jìn)行反應(yīng)，還原為氮?dú)夂退?/p>

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(duì)于整個(gè)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。可以說(shuō)，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(dòng)等都會(huì)對(duì)催化劑的性能的發(fā)揮和效用時(shí)間都有著很大的影響。因此保證良好的工作環(huán)境，對(duì)于催化劑發(fā)揮作用，對(duì)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(duì)溫度的控制是一個(gè)重要的部分。相同的物質(zhì)在不同的溫度下會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)。因此需要對(duì)SCR 系統(tǒng)中還原反應(yīng)的溫度經(jīng)行嚴(yán)格控制。對(duì)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(huì)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(guò)高，則反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生NO 這種物質(zhì)。因此，為了保障氮氧化物進(jìn)行高效的還原反應(yīng)，需要對(duì)工作溫度進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，溫度一般控制在300℃～500℃之間為最佳，不宜過(guò)低，也不宜過(guò)高［3］。

2 船用SCR 廢氣減排系統(tǒng)

上一節(jié)分析了柴油機(jī)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(jìn)行使用，是一種比較經(jīng)濟(jì)的適合船用的柴油機(jī)減排裝置。船用柴油機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)，PLC 控制系統(tǒng)是控制機(jī)構(gòu)，上位機(jī)是觀測(cè)機(jī)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(shí)完成對(duì)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(chǔ)尿素，并且尿素箱中帶有液位傳感器和溫度傳感器等檢測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)尿素的液位高度和溫度高低進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能。當(dāng)檢測(cè)到尿素箱中的尿素的液位低于之前設(shè)定值的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)將液位數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，提示用戶液位偏低，需要及時(shí)對(duì)尿素進(jìn)行補(bǔ)充。同理，當(dāng)尿素箱中的尿素溶液的溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，制系統(tǒng)會(huì)將溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，提示用戶溫度偏高或偏低，需要對(duì)溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。計(jì)量單元是一個(gè)智能計(jì)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(guò)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(huì)發(fā)生凍結(jié)，從而導(dǎo)致不能進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)關(guān)鍵的物質(zhì)，催化器裝置則是進(jìn)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(chǎng)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)裝置溫度、液位和氮氧等參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，用于實(shí)時(shí)對(duì)SCR 各部分的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

PLC 控制模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及判斷，然后根據(jù)各級(jí)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(lái)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。一旦SCR 系統(tǒng)中出現(xiàn)有異常，就會(huì)立即報(bào)警，并點(diǎn)亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機(jī)，方便顯示給用戶，用戶在電腦上進(jìn)行可視化檢測(cè)，對(duì)于有必要的人工操作，在通過(guò)界面按鈕等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 的人機(jī)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(dá)的指令，進(jìn)行加熱、補(bǔ)充尿素等操作。

簡(jiǎn)而言之，首先各個(gè)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(duì)這些信息進(jìn)行處理和判斷，然后把這些指令傳達(dá)給執(zhí)行器，來(lái)達(dá)到對(duì)SCR 系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的效果，同時(shí)將這些信息傳遞到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，氮氧化物分析儀開(kāi)始工作，對(duì)廢氣的溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)測(cè)得的廢氣溫度高于設(shè)定的溫度時(shí)(一般設(shè)定為300°)，PLC 即刻發(fā)出指令，啟動(dòng)尿素泵和計(jì)量器。隨即，尿素泵打開(kāi)開(kāi)關(guān)，提取尿素溶液，同時(shí)計(jì)量器則根據(jù)廢氣中氮氧化物的含量來(lái)計(jì)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(shí)實(shí)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(jìn)行還原反應(yīng)，生成水蒸汽和氮?dú)狻Ｖ?，氮氧化物分析儀對(duì)經(jīng)過(guò)處理之后的排放廢氣進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)此時(shí)氮氧化物的含量仍然超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)量單元會(huì)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(gè)過(guò)程中，PLC 控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)采集和分析各傳感器數(shù)據(jù)，監(jiān)控各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)，確保最后經(jīng)過(guò)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(yǔ)

目前，船舶的動(dòng)力系統(tǒng)主要都采用柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，柴油機(jī)的不充分燃燒會(huì)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(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。為了控制船舶柴油機(jī)排放廢氣以及綜合利用，本文基于PLC 技術(shù)，對(duì)船用的SCR 廢氣減排與綜合利用系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究。SCR 系統(tǒng)能夠減少船舶柴油機(jī)廢氣中50%以上的氮氧化物的排放，可以有效地保護(hù)大氣環(huán)境。

［1］薛陽(yáng)，尹自斌，楊國(guó)豪，等．SCR 反應(yīng)器對(duì)船用柴油機(jī)性能影響仿真分析［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37(2):92－96．XUE Yang，YIN Zi-bin，YANG Guo-hao，et al．Performance analysis of SCR catalytic converter of diesel engine［J］．Ship Science and Technology，2015，37(2):92 －96．

［2］宋鑫．船機(jī)選擇性催化還原系統(tǒng)SCR 排氣處理的數(shù)值計(jì)算［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36(9):114 －117．SONG Xin．Numerical calculation of selective catalyst reduction(SCR)for exhaust gas of vessel engine［J］．Ship Science and Technology，2014，36(9):114 －117．

［3］羅嘯，劉赟．船舶柴油機(jī)SCR 控制系統(tǒng)研究［J］．柴油機(jī)，2013，35(1):22 －25．LUO Xiao，LIU Yun．Research on marine diesel engine SCR control system［J］．Diesel Engine，2013，35(1):22 －25．

［4］趙明哲，張躍文，仉大志，等．SCR 技術(shù)在船舶柴油機(jī)上的應(yīng)用［J］．交通節(jié)能與環(huán)保，2013，9(1):51 －54，67．ZHAO Ming-zhe，ZHANG Yue-wen，ZHANG Da-zhi，et al．Application of SCR technology on marine diesel engine［J］．Transport Energy Conservation and Environmental Protection．2013，9(1):51 －54，67．

［5］肖青云，呂庭豪．SCR——一種新型環(huán)保裝置［J］．船海工程，2002(2):32 －34．XIAO Qing-yun，LV Ting-hao．SCR．a(chǎn) new type of environmental protecting device［J］．Ship ＆ Ocean Engineering，2002(2):32 －34．