李武勝

（煙臺(tái)打撈局，山東 煙臺(tái) 264000）

在2008 年國(guó)際海事組織批準(zhǔn)了MARPOL 附則的修正案后，IMO Tier Ⅲ對(duì)船舶NOX的排放有更加嚴(yán)格的限制，加大了航運(yùn)企業(yè)的壓力。近年來，各國(guó)船舶制造行業(yè)對(duì)SCR 技術(shù)在降低船舶氮氧化物排放量這一作用上逐漸展開研究，希望能夠通過這一技術(shù)減輕航運(yùn)行業(yè)對(duì)海洋造成的污染。

1 SCR 的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

SCR 選擇性還原技術(shù)主要以尿素或NH3做還原劑，利用催化原理，將NOX還原成H2O 和N2。這一技術(shù)在柴油機(jī)為其處理系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用。SCR 技術(shù)在最初的應(yīng)用與發(fā)展主要集中于發(fā)電廠設(shè)施、以四沖程柴油機(jī)作為主機(jī)的沿岸船舶等設(shè)施，隨著近年來這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，逐漸在遠(yuǎn)洋船舶上有更多的發(fā)展與研究。國(guó)際船舶大氣排放管制協(xié)會(huì)在相關(guān)的調(diào)查中顯示，從第一套SCR 應(yīng)用于船上開始，截至目前總計(jì)共有超過500 臺(tái)的SCR 系統(tǒng)被應(yīng)用于船上。就當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，SCR 技術(shù)主要應(yīng)用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上，但相對(duì)的在二沖程柴油機(jī)上并沒有太多的應(yīng)用。

SCR 系統(tǒng)能夠有效減少柴油機(jī)NOX的排放，符合國(guó)際海事組織對(duì)船舶柴油機(jī)排放污染的要求。并且，SCR 系統(tǒng)的應(yīng)用不需要對(duì)船舶柴油機(jī)做過大的改動(dòng)，有效保障了燃油的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于燃油的品質(zhì)沒有過高的要求，從而避免了船舶油耗與PM 排放的增加，是近年來船舶制造業(yè)所重視的技術(shù)之一。

2 限制SCR 技術(shù)發(fā)展的因素

我國(guó)對(duì)SCR 系統(tǒng)的研究起步較晚，由于其初裝成本較高，在船舶上還沒有得到廣泛的應(yīng)用。近年來，一些對(duì)SCR 系統(tǒng)的研究與實(shí)際的應(yīng)用中，還存在著一些問題需要改進(jìn)。

第一，SCR 催化還原反應(yīng)對(duì)溫度的限制有較高的要求，在主機(jī)排煙達(dá)到一定溫度的時(shí)候，能夠使SCR 的催化還原順利進(jìn)行。由于溫度這一因素的限制，使這一方式在船舶上的使用有一定的局限性。但在機(jī)動(dòng)航行、低負(fù)荷工況下，由于主機(jī)排煙的溫度無法滿足SCR 催化還原反應(yīng)所需的溫度條件，無法最大效率發(fā)揮SCR 系統(tǒng)的作用。

第二，船舶運(yùn)行的過程中，產(chǎn)生的一些現(xiàn)象，如在燃油中含有較大的含硫量，或機(jī)械在運(yùn)作過程中出現(xiàn)故障，都會(huì)對(duì)還原反應(yīng)的進(jìn)行造成影響。

第三，在尿素、廢氣混合不均勻的情況下，將會(huì)導(dǎo)致NOX 還原效率無法得到應(yīng)有的保障，同時(shí)使NH3的遺漏率增加,產(chǎn)生二次污染的問題。

3 試析SCR 選擇性催化還原的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的工作原理

通過SCR 技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理。這一技術(shù)將尿素或氨氣作為還原劑，使其在300 ～400℃的高溫下與NOX發(fā)生反應(yīng)，將NOX排放物轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀c水蒸氣，使NOX的排放減少，以降低柴油機(jī)廢氣對(duì)海洋環(huán)境與大氣造成的污染。其主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成

SCR 系統(tǒng)中有兩大重要組成部分，分別為反應(yīng)器與尿素系統(tǒng)。其中，尿素系統(tǒng)主要由儲(chǔ)存、供給、控制系統(tǒng)等重要部分構(gòu)成；反應(yīng)器則由性質(zhì)較為穩(wěn)定的陶瓷催化元件組成，SCR 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境內(nèi)溫度的高低變化會(huì)對(duì)其正常工作造成一定的影響。以柴油機(jī)排氣的溫度來說，四沖程采油機(jī)與二沖程柴油機(jī)有較大的差異，因此，二者的所應(yīng)用的SCR 裝置也存在一定的區(qū)別。

首先，四沖程柴油機(jī)的排煙溫度能夠達(dá)到400℃以上，即便在增壓器出口廢氣溫度下降的情況下，排煙本身的溫度也能夠滿足SCR 系統(tǒng)工作所需的溫度條件。由于這一特點(diǎn)，四沖程柴油機(jī)的SCR 系統(tǒng)通常安裝在增壓器出口和廢氣鍋爐之間，從而減少對(duì)柴油機(jī)工作帶來的影響。SCR 系統(tǒng)在四沖程柴油機(jī)的應(yīng)用中，由于安裝程序上比較簡(jiǎn)易，技術(shù)研究較為成熟，使其在船舶四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中有較多的應(yīng)用。

與四沖程柴油機(jī)相比，二沖程柴油機(jī)的排氣溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于400℃，增壓器出口的溫度僅有230 ～260℃左右，無法滿足SCR 系統(tǒng)正常工作的溫度需求。為使二沖程柴油機(jī)能夠正常工作，需要將SCR 系統(tǒng)安裝于二沖程柴油機(jī)增壓器的前面，也稱為高壓SCR 系統(tǒng)。高壓SCR 系統(tǒng)在不同的工作情況下，需要利用柴油機(jī)進(jìn)行控制與條件，對(duì)柴油機(jī)的工作產(chǎn)生較大的影響。

3.3 工作流程

首先，將尿素與淡水在相適應(yīng)的溫度下進(jìn)行混合、攪拌，形成混合均勻的混合溶液，并將其置入尿素儲(chǔ)存的容器內(nèi)，利用供給泵將混合液輸送至計(jì)量模塊，在傳感器感應(yīng)到容器中煙氣內(nèi)NOX含量之后，將測(cè)量信息傳輸至計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的測(cè)量值與氮氧化物的估計(jì)值做對(duì)比，根據(jù)具體數(shù)值提取相應(yīng)比例的尿素溶液，使其與熱空氣接觸產(chǎn)生反應(yīng)，分解為霧狀噴入柴油機(jī)的排氣管道內(nèi)。在高溫條件下，尿素溶液分解為NH3與H2O，隨同排氣進(jìn)入到SCR 反應(yīng)器內(nèi)，通過還原反應(yīng)，將廢氣分解為對(duì)海洋與大氣無污染的N2和H2O。

3.4 催化反應(yīng)器

催化反應(yīng)器是SCR 系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，NOX催化還原反應(yīng)就是在反應(yīng)器中進(jìn)行的，并為其提供反應(yīng)條件與催化劑。當(dāng)前，船舶SCR 系統(tǒng)所使用的主要催化劑為金屬氧化物，例如五氧化二釩（V2O5）、二氧化鈦（TiO2）等，從結(jié)構(gòu)來看能夠分為蜂窩式與波紋板式兩種。催化反應(yīng)器通常采用固定床式，具體的尺寸按照催化劑的體積與空間布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.5 影響NOX 減排效果的因素

通過SCR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)NOX的減排具有較高的要求，雖然制造商爆出的減排率高達(dá)80%～95%，但要實(shí)現(xiàn)大效率的安排效果，在應(yīng)用過程中，仍然需要注意很多因素。

第一，溫度。SCR 還原反應(yīng)的過程需要在溫度適宜的條件下進(jìn)行，同時(shí)其中需要有O2。過高的溫度與過低的溫度都會(huì)對(duì)反應(yīng)速度造成影響。在過高的溫度條件中，很可能引起NH3產(chǎn)生燃燒，導(dǎo)致其與NOX的反應(yīng)過程受到影響；NH3與NOX在低溫度的環(huán)境中，反應(yīng)速度會(huì)大幅度減慢，而環(huán)境中的溫度低于350℃，H2O 會(huì)抑制SCR 活性劑的作用。

第二，柴油的品質(zhì)。SCR 系統(tǒng)的工作效果在一定程度上受到柴油品質(zhì)的影響。通常來講，柴油中硫會(huì)導(dǎo)致催化裝置內(nèi)的催化劑受到污染，從而導(dǎo)致SCR 系統(tǒng)的工作效率降低。

第三，SOX在低溫的條件下會(huì)對(duì)催化劑造成干擾，產(chǎn)生毒化的作用，使SCR 系統(tǒng)的工作效率大幅度降低；而在高溫的條件下，SOX能夠促進(jìn)反應(yīng)速度的加快，使NOX的轉(zhuǎn)化率得到提升。

第四，固體顆粒排放物。PM 是柴油機(jī)排氣中的重要污染成分之一。PM 的大量堆積，會(huì)使催化器內(nèi)的排氣阻力增加，導(dǎo)致排氣不暢通，無法與催化劑進(jìn)行接觸，使SCR 系統(tǒng)催化的效率受到很大的影響。對(duì)此，需要讓排氣在SCR 進(jìn)行催化還原反應(yīng)之前通過顆粒捕集器，在降低柴油機(jī)PM 排放的同時(shí)，解決SCR 催化還原過程中受到的影響。

4 結(jié)語

綜上所述，IMO Tier Ⅲ對(duì)氮氧化物排放量限制的加強(qiáng)，船舶企業(yè)及制造業(yè)為確保行業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展，首先需要降低船舶運(yùn)行過程中，由于氮氧化物排放對(duì)海洋造成的影響。通過SCR 技術(shù)，有效降低船舶柴油機(jī)有害氣體的排放量，通過不斷的技術(shù)改良，不斷優(yōu)化SCR 在四沖程柴油機(jī)與二沖程柴油機(jī)中的應(yīng)用，針對(duì)影響催化還原反應(yīng)進(jìn)行的各方面因素要制定出具有針對(duì)性的解決措施。