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船舶廢氣處理SCR技術分析

文檔作者：馮龍李超李櫻王智磊李兆國徐鳳麒文檔來源：青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月10日
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第46卷
2017年11月
船海工程
SHIP&amp;amp; OCEAN ENGINEERING
Vo1．46
NOV．2017
DOI：10．3963／j．issn．1671’7953．2017．s2．033
船舶廢氣處理SCR技術分析
馮龍，李超，李櫻，王智磊，李兆國，徐鳳麒
(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東青島266101)
摘要：介紹SCR技術的工作原理，分析SCR技術應用于船舶柴油機廢氣處理過程中的關鍵問題，如：尿
素溶液注入及同廢氣的混合，反應器內(nèi)催化劑失活問題及對柴油機性能的影響，廢氣處理自動控制的實現(xiàn)。
關鍵詞：選擇性催化還原；柴油機；氮氧化物；尿素溶液
中圖分類號：U664．121；X701．7 文獻標志碼：A 文章編號：1671．7953(2017)$2-0125-04
IMO討論通過的MARPOL73／78公約附則VI
修正案? 明確了N0 排放限值的3個階段，對船
舶廢氣排放提出了更嚴格的要求，特別是對在排
放控制區(qū)(ECAs)內(nèi)航行的船舶。2015年l2月
份中國交通運輸部網(wǎng)站正式發(fā)布《關于印發(fā)珠三
角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制
區(qū)實施方案的通知》，形成了中國海域的“排放控
制區(qū)”，并嚴格執(zhí)行國際公約和國內(nèi)法律法規(guī)關
于硫氧化物、顆粒物和氮氧化物的排放控制要求。
不同時期船舶對柴油機NO 排放限值的規(guī)定，見
圖1。
標定轉(zhuǎn)速／(r·rain 。)
圖1 柴油機NO 排放限定值
根據(jù)目前的技術條件，僅依靠柴油機自身的
減排技術難以滿足Tierlll的排放要求。目前能夠
滿足NO 排放量要求的主要方法包括 J：①改善
發(fā)動機自身特性，對進氣排氣過程和燃油供應及
燃燒進行優(yōu)化的廢氣再循環(huán)技術；②后處理技術，
如選擇性催化還原技術(SCR)；③采用新能源提
收稿日期：2016一l0—20
修回日期：2016—11—20
第一作者：馮龍(1988一)，男，碩士，工程師
研究方向：船舶廢氣處理，壓載水處理
供船舶動力。在氮氧化物處理技術中，SCR技術
被認為是最成熟、有效的處理方法 。本文對船
舶柴油機廢氣處理SCR技術中的關鍵問題進行
分析。
1 SCR工作原理
選擇性催化還原(selective catalytic reduction，
SCR)技術作為典型的后處理技術，其工作原理是
將廢氣中的氮氧化物在催化劑的作用下，并在合
適的反應溫度范圍內(nèi)(300—400℃)，同具有還原
性的物質(zhì)HN 發(fā)生化學反應，生成清潔的氮氣和
水。其主要反應式為
4NO +4NH3+02 4N2+6H20
2NO2+4NH3+02_ 3N2+6H2O
6NO2+8NH3 7N2+12H20
NO+NO2+2NH3 4N2+12H2O
為了保證上述反應能夠很好地進行，排煙溫
度控制是關鍵。若溫度過高，廢氣中的氮氧化物
與催化劑的反應效率降低；反之，廢氣中的硫氧化
物將與催化劑反應產(chǎn)生副產(chǎn)物硫酸氫銨，硫酸氫
銨是一種具有吸附性的粘性物質(zhì)，將會粘結(jié)在催
化劑的表面，進而減小氮氧化物與催化劑的接觸
面積，降低反應效率，甚至使部分催化劑失活，無
法達到預定脫硝效率。因此對于二沖程和四沖程
柴油機，其布置方式是不同的。
對于四沖程的柴油機，其排煙溫度相對較高，
SCR裝置一般布置在渦輪增壓器之后，稱之為低
壓SCR系統(tǒng)，該方式對于主機的運行影響較??；
對于二沖程的低速柴油機，為了保證達到合適反
應的溫度，需要將SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之
前，這樣SCR裝置將會成為主機的一部分，為了
保證其對主機運行參數(shù)影響較小，必須采用高效
125
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201117 月 馮龍，等：船舶廢氣處理SCR技術分析 船海工程
第46卷
的渦輪增壓器，并保證SCR裝置的氣壓損失在要
求范闈之內(nèi)。
2 SCR關鍵技術
選擇性催化還原技術在火電行業(yè)已比較普
遍。根據(jù)其特點可以應用于船舶柴油機的廢氣處
理，是一種較為經(jīng)濟的減排裝置。廢氣處理裝置
主要有尿素供給噴射系統(tǒng)，反應器系統(tǒng)和SCR控
制系統(tǒng)組成。如圖2所示，應用于二沖程柴油機
的SCR系統(tǒng)組成。尿素供給噴射系統(tǒng)包括了尿
素供給單元和混合器2部分。
圖2 高壓SCR系統(tǒng)
2．1 尿素供給噴射系統(tǒng)
尿素供給噴射系統(tǒng)主要包括尿素供給系統(tǒng)和
混合器組成。如圖3所示，尿素供給系統(tǒng)主要有
尿素罐，尿素供給泵，尿素計量泵，液位計，沖洗裝
置，泵控制箱等組成。該系統(tǒng)主要是在TierⅢ模
式下，提供適量的還原劑，通過尿素噴槍，并在混
合器中均勻混合，使還原劑同廢氣充分混合，為后
續(xù)在催化劑的作用下完成還原反應提供條件。
液
位
計
圖3 尿素供給噴射系統(tǒng)
尿素罐的主要功能是存儲還原劑，考慮到經(jīng)
濟性的要求，實際中采用尿素溶液作為還原劑，尿
素溶液通過噴槍霧化后，在廢氣的高溫下分解成
126
為氨氣，并同廢氣均勻混合。為保證尿素供應系
統(tǒng)的良好運行，需在尿素罐上設置液位傳感器監(jiān)
視其液位。在尿素計量泵的出口位置安裝自動開
關閥門，壓力傳感器及流量計。并通過檢測壓力
信號保證尿素溶液的供給，如出現(xiàn)壓力故障，則切
換到備用尿素計量泵，提高其運行的可靠性，并通
過流量計信號保證輸出定量的還原劑。為防止尿
素溶液在管道內(nèi)部結(jié)晶，需設置沖洗裝置，在SCR
系統(tǒng)停止后，用清水或壓縮空氣對管道內(nèi)部，計量
泵及噴槍噴嘴進行沖洗，防止尿素結(jié)晶造成的噴
嘴堵塞。
2．1．1 尿素溶液供給量的確定
通過以下公式計算氨氣用量，并通過氨水質(zhì)
量濃度，得到尿素泵輸出的量。
V ×8 X mNn
m = — — × 10
， 一3 600×Q×(P+1．01 X 10 )×273
— 一
·c)2×( 一蕞+去)
式中：Q為廢氣質(zhì)量流量，kg／s；p為廢氣的壓力，
Pa；P為氣體的密度，kg／13q ； 為氨氮比，并通過
進出口NO 的濃度計算 。
通過SCR控制系統(tǒng)與主機的通信，得到相關
的主機參數(shù)，并通過計算得到適量的還原尿素溶
液的量，并控制計量泵輸出。
2．1．2 尿素溶液轉(zhuǎn)換為氨氣后同廢氣混合均勻
性問題
尿素噴人反應器前，需要將溶液與空氣混合，
可以采用機械式的尿素溶液空氣混合器。其原理
是利用混合單元體內(nèi)結(jié)構通過增加流體層流運動
的速度梯度，或形成湍流和渦流實現(xiàn)不同流體間
的充分混合 J，然后再經(jīng)過噴氨格柵，使得產(chǎn)生
的NH 能夠充分與煙氣混合。而如出現(xiàn)混合不
充分，或者局部NH 過量，則部分區(qū)域出現(xiàn)氨逃
逸，而其他部位則達不到所要求的脫氮效率。在
溫度適宜的時候，NH 過量的副反應也將產(chǎn)生副
產(chǎn)物，硫酸氫氨的粘性將會依附催化劑表面從而
造成催化劑失活。
2．2 反應器系統(tǒng)
作為SCR系統(tǒng)內(nèi)的核心部位，反應器是該反
應進行的載體，而反應器中的催化劑提供了反應
的動力。反應器內(nèi)布置適量的催化劑是該裝置設
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第46卷
計的核心，催化劑量少于理論值則達不到要求的
處理效果；反之催化劑量遠高于理論值，造成催化
劑的使用效率低，占用空間較大，不滿足經(jīng)濟性要
求。計算催化劑的使用量，需要考慮的參數(shù)主要
有：主機煙氣的流量、溫度、壓力，煙氣各組分的含
量(包括氮氧化物，硫氧化物、氧氣)，氨逃逸的要
求，主機運行工況等，通過優(yōu)化仿真得到較為經(jīng)濟
的催化劑數(shù)量及結(jié)構。
2．2．1 催化劑失活
在溫度較低條件下(270℃ 以下)，會伴隨副
反應發(fā)生，產(chǎn)生催化劑。
SO3+NH3+H20 =NH4HSO4
SO3+2NH3+H30=(NH4)2SO4
NH HSO 和(NH ) SO 粘性物質(zhì)會吸附在
催化劑活性表面，并最終導致催化劑失活，所以必
須有效控制反應器內(nèi)溫度，以及氨逃逸的影響。
2．2．2 高壓SCR系統(tǒng)對柴油機性能的影響
二沖程柴油機SCR裝置安裝在廢氣渦輪增
壓器之前(也成為高壓SCR系統(tǒng))，這一裝置也對
柴油機的工作有一定影響，由于渦輪增壓器前增
加了SCR反應器及相關的混合器等，有一定的廢
氣壓力損失，使進入渦輪增壓的動能減少，進入氣
缸的空氣量減少。為了保證柴油機運行正常，要
求SCR設計時，對其管路壓力損失，及管道布置
提了較高要求，保持其壓力損失在70 kPa范圍
內(nèi)。
2．3 SCR控制系統(tǒng)
SCR控制系統(tǒng)采用以PLC為控制中心，以
HMI(human machine interface)為監(jiān)視和命令接受
裝置，并采用現(xiàn)場總線方式同主機及上位機進行
數(shù)據(jù)交換；通過模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字量輸入、
輸出模塊完成對SCR系統(tǒng)的控制。功能框圖如
圖4所示。
通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，完成系統(tǒng)內(nèi)煙氣溫度信
號、煙氣壓力信號、反應器進出口壓差信號、尿素
的液位信號、流量信號、氣體濃度等主要數(shù)據(jù)的采
集與處理，實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)測。并通
過PLC控制模塊，根據(jù)反饋的相關數(shù)據(jù)，判斷系
統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過控制邏輯，發(fā)送相關控制指
令，完成對反應器人口閥、出口閥、節(jié)流閥等開關
控制，對尿素計量泵流量輸出控制，系統(tǒng)吹灰系統(tǒng)
的控制；完成對系統(tǒng)的在線監(jiān)控。如出現(xiàn)異常，將
會發(fā)出聲光報警，同時通知上位機，并根據(jù)報警內(nèi)
圖4 控制系統(tǒng)功能
容選擇過濾器旁通閥的開閉，以防對柴油機正常
運行產(chǎn)生不利的影響。系統(tǒng)自動記錄相關數(shù)據(jù)及
報警清單，方便用戶檢查并分析故障原因。
SCR工作流程如圖5所示，當柴油機切換至
TierHI模式下運行時，首先通過閥門切換將所有
煙氣經(jīng)過反應器裝置。當反應器旁通閥門完全關
閉后，所有煙氣都通過反應器，并逐步提高反應器
溫度，使之達到SCR反應的要求。通過溫度檢測
裝置，對反應器進出口煙氣溫度進行實時檢測，當
反應器裝置出口處煙氣溫度能穩(wěn)定保持在反應溫
度以上時(一般設置為300℃)，控制系統(tǒng)將啟動
尿素供給單元，并通過流量計監(jiān)視尿素溶液供給
流量。尿素溶液經(jīng)混合器同空氣混合，并通過尿
素噴槍將霧化還原劑與煙氣充分混合后，在反應
器內(nèi)催化劑的載體上面，使得氮氧化物同氨氣進
行還原反應，生產(chǎn)氮氣和水。并通過后面氣體分
析儀對反應后的氣體進行實時監(jiān)測，通過氣體中
氮氧化物質(zhì)量濃度及氨逃逸的濃度，實時反饋到
滿
等待
反應器
溫升
調(diào)整
參數(shù)
圖5 SCR工作控制邏輯
127
201117月正 馮龍，等：船舶廢氣處理SCR技術分析 船海工程
第46卷
控制系統(tǒng)中，并及時對還原劑的用量進行調(diào)整，保
證SCR反應的順利進行，并達到所要求的排放標
準。在整個過程中，基于上位機和PLC的控制系
統(tǒng)會實時的采集各個儀表的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析
控制輸出單元做出相應的動作。。 ，確保經(jīng)過反應
后排除的氣體氮氧化物濃度低于標準要求。
參考文獻
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[J]．艦船科學技術，2015：37(6)：221-224．
Analysis of SCR Technology on Marine Exhaust Gas Treatment
FENG Long，LI Chao，LI Ying，W ANG Zhi-lei，LI Zhao-guo，XU Feng-qi
(SunRui Marine Environment Engineering Co．，Ltd，Qingdao Shandong 266101，China)
Abstract：The principle of the selective catalytic reduction(SCR)technology was introduced．The key issues of SCR technology
applied in marine diesel engine exhaust gas treatment process were discussed，such as injection of the urea solution，the
mixture between urea solution and exhaust gas，the deactivation problem of the catalyst，the effect on engine performance，and
the automatic control logic of exhaust gas treatment process．
Key words：selective catalytic reduction(SCR)；diesel engine；NO ；Urea solution
(上接第124頁)
On the Key Points in Modification of the 1 5 ppm Tank
Bottom Water Alarming Device for Actual Ship
ZHANG Jun-yan
(Zhejiang Branch of China Classification Society，Ningbo Zhejiang 315000，China)
Abstract：A case of the 15ppm warning device found not in accordmlce with the requirements of MEPC．107(49)resolution
i’n the operation inspection was studied．The requirements of MEPC．107(49)resolution，the modification scheme for actual ship
and the possible defects of the warning device were analyzed．
Key words：15ppm tank bottom water alarming device；MEPC．107(49)；modification scheme
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