郝公正

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913）

1 前言

隨著人們越來越關注環(huán)境保護，船舶在運輸過程中對環(huán)境的破壞越來越受到重視。根據(jù)海事組織對于柴油機廢氣排放的規(guī)定，對二零一六年一月一日及之后所建造的運營船舶，在排放限制區(qū)域內航行時，柴油機廢氣排放中氮氧化物的排放量的限定值應按Tier Ⅲ排放標準執(zhí)行：當柴油機轉速不超過130 r/min時，氮氧化物排放限值為3.4 g/kWh；當轉速在130 r/min～2 000 r/min 時，限值為9*Ng/kWh，當轉速超過2 000 r/min 時，限值為2.0 g/kWh，Tier Ⅲ要求的氮氧化物排放量的限值約為Tier Ⅰ標準的20%。

目前Tier Ⅲ所要求的的排放標準，只要求在相應的排放限制區(qū)域內（英吉利海峽、英國北海、波羅的海等）實施，但世界上主要的工業(yè)大國和航運大國為了保護本地的海洋環(huán)境及改善大氣質量，都在努力爭取將本國或本地區(qū)的海域設為排放限制區(qū)。因此，為了確保所屬船舶能夠在排放受限區(qū)域內航行，必須采取一定的技術措施降低柴油機廢氣排放中氮氧化物的指標，使其符合Tier Ⅲ的排放要求。

2 解決NOx 排放的技術措施

目前降低柴油機廢氣中NOx 含量的措施，主要有以下幾種（見圖1）：

（1）改進船舶動力系統(tǒng)的排放技術，主要是改進柴油機的工作過程（如：優(yōu)化進、排氣過程及供油燃燒過程或結構參數(shù)的優(yōu)化）；

（2）采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術，或聯(lián)合使用進氣加濕法等多種技術；

（3）對排放的廢氣進行處理，如采用具有選擇性催化轉化信息技術（SCR）;

（4）采用污染較少的燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的污染高的燃料，如使用液化天然氣作為燃料；

（5）采用乳化油（FWE）；

（6）采用進氣加濕（HAM）。

從圖1 中可以看到：采用SCR 系統(tǒng)及新型燃料天然氣，可以把廢氣中NOx的含量降低80%甚至更多；如果利用天然氣做燃料，則需要改造船用柴油機，增加燃氣系統(tǒng)及儲存燃氣的儲氣罐，資金投入及工作量大、時間長；而如果僅是增加SCR 系統(tǒng)的話，則不需要投入那么多的資金及改造時間，所以對舊船來說，采用SCR 系統(tǒng)是達到Tier Ⅲ排放要求的比較合適的選擇。

圖1 NOx 排放的技術措施對比

3 船舶使用SCR 現(xiàn)狀

目前我司建造的某型系列船上，主機、發(fā)電機均通過采用SCR 來降低廢氣中的NOx 的排放，該技術已得到廣泛應用。

3.1 SCR 系統(tǒng)原理

選擇性催化轉化法（簡稱為SCR），是一種廢氣再處理方法，采用此種方法能夠有效降低廢氣中氮氧化物的含量。利用SCR 來處理排出的煙氣，是目前有效的、比較成熟的技術，能夠滿足Tier Ⅲ的排放要求。

在SCR 中進行的化學物質反應過程如下：

在SCR 系統(tǒng)中發(fā)生的化學和物理反應有：尿素的水解和熱解氣相化學反應，尿素溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、以及廢氣中的氮氧化物在反應器中催化劑表面與NH3 發(fā)生的催化表面化學反應。在合適的溫度下（通常為300 ℃～400 ℃的溫度下），以氨氣或尿素作為還原劑，將排放的煙氣中的氮氧化物還原為無毒的氮氣和水,以達到減少廢氣中氮氧化物排放的目的。

3.2 SCR 系統(tǒng)組成

SCR 系統(tǒng)組成：反應器、AIG、混合加藥裝置、吹灰裝置、鼓風機、燃燒單元、分解單元、NOx 分析儀。圖2 為系統(tǒng)組成圖。

圖2 SCR 系統(tǒng)組成圖

（1）反應器

是SCR 系統(tǒng)的主要部件，氮氧化物的主要化學反應都是在反應器內發(fā)生。反應器主要由外部殼體和內部的催化劑模塊組成；

（2）氨氣噴射格柵（AIG）

尿素溶液通過AIG 噴出后呈細水霧狀，與廢氣結合后蒸發(fā)，并經(jīng)靜態(tài)混合器充分混合后進入反應器進行化學反應；

（3）混合加藥裝置

混合加藥裝置是多功能單元，它可以為尿素提供預加熱，通過AIG 把尿素溶液霧化成細水霧噴入到廢氣中，尿素溶液在混合管內通過蒸得到氨氣；靜態(tài)混合器起到了使還原劑與煙氣充分混合的作用，從而使還原劑均勻的流向催化器；

（4）吹灰裝置

設備使用久了大量的煙氣顆粒和灰塵會沉積在催化劑模塊上，影響系統(tǒng)的反應效果，需要使用壓縮空氣等吹除沉積在催化劑模塊上的顆粒狀雜質及灰塵，以利于SCR 系統(tǒng)能夠有效、持續(xù)的工作，防止催化模塊被堵塞造成排氣背壓增大，降低系統(tǒng)催化的效率；

（5）鼓風機、燃燒單元

船舶在靠港或離港時，主機負荷及排出溫度較低，為改善SCR 的工作效率，需將排出的較低溫度的廢氣加熱到適宜的溫度，鼓風機的作用就是將主機排出的廢氣通過旁通運輸?shù)饺紵龁卧?，?jīng)燃燒單元加熱使其達到反應所需的最佳溫度；

（6）分解單元

在分解單元中，溶液狀的尿素被加熱、分解成氨氣，經(jīng)AIG 被噴入反應器；

（7）NOx 分析儀

可以對排放的煙氣進行檢測，分為固定式和移動式。

3.3 SCR 系統(tǒng)工作原理

（1）主機排出的廢氣經(jīng)鼓風機后進入燃燒單元加熱至400 ℃左右，之后進入分解單元。根據(jù)主機負荷的變化，適量的尿素經(jīng)尿素泵輸送至分解單元，在分解單元中，溶液狀的尿素經(jīng)加熱后分解成氨氣，經(jīng)增壓至10 bar 左右，與加熱后的主機廢氣一起輸送至分解單元的噴嘴處，經(jīng)AIG 后與主機廢氣噴到靜態(tài)混合器進行充分的混合后進入反應器進行化學反應，生成氮氣、水等無污染物質。

（2）在使用過程中，特別要注意廢氣的溫度，不同的廢氣溫度會使反應效率有很大的區(qū)別：對于大多數(shù)SCR 催化劑，最佳溫度范圍為250 ℃～425 ℃，NOx的脫除率會隨著溫度上升到370 ℃～-400℃達到最大值；當溫度高于400 ℃時，還原劑有可能會被燒掉而不能與一氧化氮、二氧化氮反應；如果溫度太低，則反應速度會降低，并且會使其中的硫酸銨凝結造成催化劑被損壞；隨著煙氣溫度接近最佳值時，反應速率上升，較少催化劑體積就可以達到相同的NOx 脫除率。當煙氣溫度從320 ℃上升到最佳反應溫度370 ℃～400℃時會使需要的催化劑體積下降約40%，催化劑體積的下降也導致催化劑系統(tǒng)投資成本的大幅下降。

（3）在整個SCR 系統(tǒng)工作中，需要關注催化劑和尿素的質量，這兩者關系著反應的最終效果。若催化劑選型不當或者尿素質量不符合要求，則處理后的煙氣中的NOx 等含量將達不到要求。下面介紹催化劑和尿素的選型及保養(yǎng)要求：

① 目前廣泛使用的催化劑型式，主要有波紋板式、板式、蜂窩式，如圖3 所示。

圖3 催化劑的樣式

② 各種催化劑因其結構不同，適用范圍也不相同。表1 為三種不同類型的催化劑的特點及應用范圍。

表1 三種催化劑的特點及適用范圍

因為蜂窩式催化劑具有體積小、活性高以及表面積大等優(yōu)點，目前船上主機、發(fā)電機所使用的催化劑均為蜂窩式。

在使用過程中要特別注意催化劑的失活現(xiàn)象（活性下降），表現(xiàn)在如下幾個方面：

① 中毒

排放的廢氣中有一些成分會對催化劑產(chǎn)生中毒作用，催化劑失活的主要原因是催化劑中毒所造成的；導致催化劑中毒的成分有Pb、Mg、Na、K、As、Hg 和Ca 等物質及其氧化物以及HCl、HF 等。這些成分會滲透到催化劑模塊小孔的活性位上，并與其發(fā)生不可逆的結合，從而導致催化劑活性下降；

② 熱燒結

SCR 系統(tǒng)工作時，反應器內持續(xù)的高溫環(huán)境會減少催化劑模塊的使用壽命，產(chǎn)生燒結現(xiàn)象。燒結的產(chǎn)生，是由于反應器內持續(xù)的高溫使得催化劑上存在的孔的結構發(fā)生永久改變，從而使得催化劑活性發(fā)生不可逆的降低的現(xiàn)象；催化劑模塊的熱燒結的程度，取決于催化劑的結構與組成。使用的催化劑的載體材料越合理，則催化劑模塊可以更耐熱燒結，從而使催化劑的壽命得以延長；

③ 表面掩蔽、阻塞及粘污

排放的廢氣中的硫酸銨鹽、飛灰及其他的顆粒物會堵塞、遮蔽催化劑的表面和加劇催化劑的不正常磨損。若催化劑的表面和空洞被灰塵或其他顆粒物堆積，則會導致氮氧化物還原反應的活性位的數(shù)量下降，使催化劑的壓降上升；

④ 磨損

排放的廢氣中的通常伴隨有顆粒物，顆粒物在較大的內部氣流的沖擊下會加速催化劑的磨損，因此在制造催化劑時，若在催化劑上使用比較堅硬導流角或者增加催化劑強度，則可以使得催化劑更耐磨損，延長其使用壽命；

⑤ 老化

催化劑的化學及物理特性會隨著時間的推移而發(fā)生變化，活性降低；

⑥ 尿素溶液的有效性

防止尿素溶液的失效造成SCR 系統(tǒng)的無效工作。不同含量的尿素在不同的環(huán)境溫度下，其保存周期是不同的。

4 測試試驗

以某型船上安裝的SCR 系統(tǒng)實際試驗過程為例，對比采用SCR 前后廢氣中的NOx 的含量的處理效果：

（1）試驗程序按照柴油機100%、75%、50%、25%四擋負荷，每檔負荷工況穩(wěn)定運行10 分鐘后，分別測量SCR 運行前NOx 的含量，檢查SCR 對于煙氣中的NOx 的含量的不同來驗證其處理效果。此次試驗使用移動式NOx 分析儀對煙氣中的NOx 含量進行分析。柴油機排氣管上預留了分析儀的接口，試驗時按各檔負載接入分析儀，讀取數(shù)據(jù)并進行記錄。

（2）測試記錄數(shù)據(jù)可以看出：柴油機在運行SCR前，四擋負荷下測得的煙氣中的NOx 濃度分別為734 ppm、727 ppm、800 ppm、675 ppm。根據(jù)排放要求，Tier Ⅲ的氮氧化物排放量的限量值約為Tier Ⅰ標準的20%，即排放的NOX 濃度降低到原來濃度的80%即符合要求；從測試數(shù)據(jù)中得知，運行SCR 后NOx 的含量分別下降至145 ppm、128 ppm、149 ppm、135 ppm,與原數(shù)值相比約減少了80%左右。

5 結論

本文根據(jù)某型船實際應用的SCR 系統(tǒng)，簡單介紹了系統(tǒng)的組成及各組分的大致功能，并通過在建船舶上的設備實際試驗進行驗證，SCR 對柴油機廢氣中NOx 含量排放的減小，證明了SCR 的工作的有效性，滿足Tier Ⅲ的排放要求。