趙曉明，李雙明

（1. 武警海警學(xué)院，浙江寧波 315801；2. 寧波市漁業(yè)互保協(xié)會(huì)，浙江寧波 315800）

0 引言

柴油機(jī)由于具有較高的熱效率、良好的機(jī)動(dòng)性和較低的燃油消耗率，被船舶廣泛用于主動(dòng)力推進(jìn)裝置[1]。隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的全球化，船舶數(shù)量逐漸增加，柴油機(jī)尾氣排放的問題也日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球氮氧化物（NOX）排放量的15%來源于柴油機(jī)，NOX的過度排放會(huì)造成環(huán)境污染， 導(dǎo)致酸雨的產(chǎn)生，另外人體吸入少量的NOX會(huì)產(chǎn)生頭暈現(xiàn)象，吸入過多則會(huì)導(dǎo)致惡心嘔吐等癥狀[2]。為控制船舶柴油機(jī)排放造成的污染，國際海事組織（IMO）推出了IMO Tier III 排放標(biāo)準(zhǔn)，對柴油機(jī)氮氧化物排放做出了更加嚴(yán)格的限制。

2.2 SCR 催化器體積的影響

保持催化器長度與孔密度不變，通過改變催化器截面積的方式來改變催化器體積，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果建立催化器體積與尾氣脫硝率、尾氣壓降之間的關(guān)系，如表4 和圖4 所示。

表4 催化器體積與尾氣脫硝率、壓降間的關(guān)系

圖4 催化器體積與尾氣脫硝率、壓降間的關(guān)系

由圖4 可知，當(dāng)催化器體積較小時(shí)，尾氣脫硝率隨體積增大而上升明顯；體積較大時(shí)，尾氣脫硝率增長趨勢緩慢，直至不變。同時(shí)，增大體積也能有效降低尾氣壓降，直至下降至較小值不再變化。這是由于催化器體積較小時(shí)，SCR 反應(yīng)受催化器體積的制約，尿素水解未進(jìn)行充分，較多的尿素被噴入催化器后未及時(shí)水解。同時(shí)，催化器體積小時(shí)，催化器內(nèi)混合氣體壓力較大，不利于氮氧化物還原反應(yīng)的正向進(jìn)行。增大催化器體積，不但能使得尿素水解充分，同時(shí)還可以使氮氧化物充分反應(yīng)，尾氣脫硝率提高明顯。當(dāng)體積較大時(shí)，由于尿素的水解與氮氧化物的還原反應(yīng)已進(jìn)行充分，尾氣脫硝率基本處于穩(wěn)定，不再上升。在尾氣壓降方面，催化器體積小，會(huì)導(dǎo)致NH3、NOX、N2、H2O 的混合氣體密度較大，氣體所受管道阻力也隨之增大。增大催化器體積，能夠有效降低混合氣體的密度，減小排氣阻力，進(jìn)而有效降低尾氣壓降。增大SCR 催化器體積對尾氣的處理與排放的作用是雙向的：不僅可以提高尾氣的脫硝率，同時(shí)還能有效地降低尾氣壓降。因此選擇SCR 催化器的體積時(shí)，需盡量擴(kuò)大催化器的體積，同時(shí)要符合機(jī)艙的容納范圍。

2.3 SCR 催化器孔密度的影響

保持催化器長度、截面積不變，研究催化器的孔密度與尾氣脫硝率、尾氣壓降之間的關(guān)系，如表5 和圖5 所示。

表5 催化劑孔密度與尾氣脫硝率、壓降間的關(guān)系

圖5 催化劑孔密度與尾氣脫硝率、壓降間的關(guān)系

由圖5 可知，當(dāng)催化器的孔密度較小時(shí)，尾氣脫硝率隨孔密度增大上升較明顯，此時(shí)壓降上升較緩；孔密度較大時(shí)，尾氣壓降隨孔密度增加上升較快，而脫硝率基本保持不變。這是由于孔密度較小時(shí)，催化器的比表面積隨孔密度的上升增大明顯，這也使得催化器的吸附能力變強(qiáng)，更多的NH3吸附在催化劑表面，發(fā)生催化還原反應(yīng)，催化器脫硝率升高。當(dāng)催化器的孔密度比較高時(shí)，催化器對NH3的吸附能力達(dá)到飽和，此時(shí)催化器對氨的吸收能力不隨比表面積的增大而上升，此時(shí)尾氣脫硝率基本達(dá)到峰值，增長緩慢。然而，比表面積的持續(xù)增加引起了管道阻力的不斷上升，與此同時(shí)，尾氣壓降上升明顯。催化器的孔密度過小，會(huì)使得催化器捕捉不到足夠氨氣，SCR 反應(yīng)不充分，尾氣脫硝率處于較低水平；而孔密度過大，則會(huì)導(dǎo)致尾氣壓降過高，極易使得柴油機(jī)的排氣背壓超標(biāo)，而且極易引起堵塞。因此，選擇催化器的孔密度需適中，在滿足尾氣壓降標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以適當(dāng)提高催化器的孔密度，這樣可以使得尾氣的脫硝率保持在較高的水平。

3 結(jié)論

本文主要分析了改變SCR 催化器的長度、體積、孔密度對尾氣脫硝率與壓降的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，得知催化器的長度越長，尾氣脫硝率越高，催化效果越好。但脫硝率不會(huì)隨長度的增長而無限變大，同時(shí)催化器長度的增長也會(huì)引起尾氣壓降的線性增大。催化器體積越大，尾氣脫硝率越高，尾氣壓降越小。催化器孔密度的增大能有效提高尾氣脫硝率，但孔密度較大時(shí)尾氣壓降較大。因此從提高催化器催化效率的角度考慮，可以增大催化器的長度、體積和孔密度，但也需注意控制排氣壓降。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮機(jī)艙容積與經(jīng)濟(jì)成本，提出最優(yōu)化設(shè)計(jì)。