基于scr技術的主機nox減排方案研究【輪機工程畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于SCR技術的主機NOx減排方案研究</p><p><b>　　內容摘要</b></p><p>　　摘要：本文介紹了SCR技術的研究背景和意義，SC

2、R是選擇性(selective)、催化(catalytic)和還原(reduction)英文首字母的縮寫。同時，研究了該技術的相關反應原理，并對該技術的在船舶上的應用前景、經濟性以及可行性進行了分析；綜合分析對比了與其它NOx減排技術相比的優(yōu)勢和劣勢。最后提出了SCR技術在“育鯤輪”上的設計方案。</p><p>　　關鍵詞：選擇性 催化 還原 NOx</p><p>　

3、　ABSTRACT: This thesis mainly explains the background and significance of SCR. The SCR is the abbreviation of selective, catalytic and reduction. At the same time, I study the principle of SCR; analyze the perspective, e

4、conomy and possibility of SCR. I synthetically analyze the advantage and disadvantage comparing other technology which reduces the emission of “NOx”. At last, I design the plane of “YUKUN”.</p><p>　　Keywords

5、: selective catalytic reduction NOx</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論5</b></p><p>　　1.1 研究背景5</p><p>　　1.2 應用現狀5</p><p>

6、　　2 NOx排放控制措施6</p><p>　　2.1 優(yōu)化設計和工作參數6</p><p>　　2.2 燃油乳化和直接噴水（Direct Water Injection DWI）技術7</p><p>　　2.3 廢氣再循環(huán)技術(Exhaust Gas Recirculation，EGR)8</p><p>　　2.4 均質混合壓

7、縮著火(HCCI)燃燒8</p><p>　　2.5 選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction，SCR)9</p><p><b>　　3 SCR技術9</b></p><p>　　3.1 Urea-SCR系統(tǒng)組成10</p><p>　　3.2 Urea-SCR系統(tǒng)工作原理

8、11</p><p>　　3.3 Urea-SCR系統(tǒng)主要反應12</p><p>　　3.3.1 尿素水解、熱解反應12</p><p>　　3.3.2 NOx的催化還原12</p><p>　　3.3.3 其它反應13</p><p>　　3.4 影響NOx催化轉化效率的因素13</p>

9、<p>　　3.4.1 催化器的儲氨能力13</p><p>　　3.4.2 催化劑活性14</p><p>　　3.4.3 溫度影響15</p><p>　　3.4.4 NH3／NOx摩爾比15</p><p>　　3.4.5 廢氣成分的影響16</p><p>　　4 SCR技術經濟性、可行性分

10、析19</p><p>　　5 船用SCR系統(tǒng)設計方案21</p><p>　　5.1 SCR系統(tǒng)設計原理圖21</p><p>　　5.2 SCR系統(tǒng)尿素噴射量控制策略21</p><p>　　5.2.1 穩(wěn)態(tài)策略22</p><p>　　5.2.2 瞬態(tài)排放修正策略22</p><p

11、><b>　　6 總結24</b></p><p><b>　　【參考文獻】25</b></p><p>　　基于SCR技術的主機NOx減排方案研究</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b>

12、;</p><p>　　由于現代工業(yè)不斷發(fā)展，對大氣的污染日益嚴重，使人類生存環(huán)境日漸惡化。船舶承擔著97%的世界貿易運輸量，消耗世界能源的3%，其主要動力裝置——船舶柴油機的排放量也是非常巨大的。據統(tǒng)計船舶柴油機的NOx排放約占全球NOx排放的7%，SOx占4%。隨著海上運輸業(yè)的發(fā)展，船舶保有量增加，船舶造成大氣污染也日益嚴重，對船舶柴油機的排放控制也勢在必行。</p><p>　　20

13、11年7月15日，在英國倫敦召開的IMO第62屆海環(huán)會（MEPC62）中，除了世人矚目的有關船舶二氧化碳減排方案以MARPOL附則VI修正案形式獲得批準外，氮氧化物技術規(guī)則（NOx Code修正案）和選擇性催化還原系統(tǒng)導則（SCR導則，Selective Catalytic Reduction）也獲得了通過。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA，越來越多的船舶就需要安裝滿足Tier III要求的柴油機，而目前滿足該要求的成熟產品僅有SCR系

14、統(tǒng)。在第58屆環(huán)保會上通過的MEPC.176(58)決議（MARPOL附則VI修正案）。該修正案已于2010年7月1日生效，其中第13條有關“氮氧化物（NOx）”規(guī)定：2016年1月1日或以后建造的船舶，若擬在第14條所規(guī)定的排放控制區(qū)（ECA，2011年8月1日起為北美區(qū)域）航行，對于船上安裝的柴油機，當船舶在ECA區(qū)內航行時，應符合第13.5.1.1條規(guī)定的氮氧化物Tier III排放標準；當船舶在ECA區(qū)外航行時，符合13.4條規(guī)

15、定的氮氧化物Tier II排放標準即可。而Tier III的標準相當于在原有Tier I標準基礎上削減80%的NOx</p><p>　　由于2011年8月1日起北美區(qū)域成為第一個NOx排放控制區(qū)，這意味著在不久的將來，凡是前往美國的船舶必須滿足Tier III標準。將有占絕對比例的船舶需要配備滿足Tier III標準的柴油機。此外，本屆環(huán)保會還通過了有關加勒比海的MARPOL附則VI修正案，根據該修正案的規(guī)定，

16、該海域將于2013年1月1日成為新的NOx排放控制區(qū)。而目前還有不少歐洲國家（包括日本）也想效仿美國的做法，建立新的ECA，對船舶NOx、SOx等排放進行更嚴格的控制。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA，意味著越來越多的船舶需要安裝滿足Tier III要求的柴油機，而目前滿足該要求的成熟產品僅有SCR系統(tǒng)。</p><p><b>　　1.2 應用現狀</b></p><p

17、>　　國外生產廠家、船東和研究機構早在上世紀80年代末就開始了SCR的研發(fā)工作.根據報道，日本NYK公司在相關方的配合下，已于去年6月成功完成了首個為大型低速柴油機配套的SCR系統(tǒng)的海上試驗（該柴油機安裝在一艘92,300 DWT的散貨船上），而占全球壟斷地位的MAN公司也首次在其大型低速柴油機（7000kW）上安裝了SCR系統(tǒng)。 　　反觀國內制造業(yè)，有關船用SCR產品在國內基本上還是處于空白期，而要實現SCR產品的成熟化、產業(yè)

18、化更是遙遙無期。盡管距離Tier III生效期還有一段時期，但面對這個巨大的挑戰(zhàn)，我國的制造業(yè)特別是柴油機廠商需要考慮盡早啟動研發(fā)工作，申請國家相關綠色環(huán)保項目，爭取到一定程度的資金和政策支持，否則將有可能失去Tier III甚至整個國際航運市場。而對于設計方而言，如柴油機配備SCR系統(tǒng)，意味著現有的傳統(tǒng)設計需作改進，比如，在機艙的SCR系統(tǒng)、管系布置、相關自動控制設備、還原劑的儲存等方面作相應調整。 </p><p

19、>　　2 NOx排放控制措施</p><p>　　2.1 優(yōu)化設計和工作參數</p><p>　　通過柴油機內部結構優(yōu)化設計和電控，改變燃燒過程，可以降低最高燃燒溫度，從而降低NOx排放量。如減小噴油提前角來推遲噴射、噴油器結構改進、電控噴射及引導噴射等。一般來說，增大噴油提前角，發(fā)火前噴入氣缸的燃油量多，爆燃嚴重，最高燃燒溫度較高，NOx的生成量較多；反之，NOx生成量較少。如圖1

20、所示，推遲噴射可明顯減少缸內NOx的生成量。推遲噴射雖然會使燃燒最高溫度降低，NOx生成量減少，但會導致后燃嚴重，排氣溫度提高，柴油機熱效率下降以及微粒（PM）的排放量增加。為減少NOx的生成量，應盡可能保證柴油機在具有較高的熱效率的前提下，降低燃燒的最高溫度，從而縮短滯燃期，降低燃燒的最高溫度。近年來的高壓共軌電噴技術，能實現柴油機在不同負荷情況下優(yōu)化噴油提前角和噴油壓力。在降低燃油消耗率的基礎上，同時也降低了NOx的排放。目前這技術

21、在車用發(fā)動機上應用較廣，正逐漸被船舶柴油機所采用。</p><p>　　圖 1 同噴油提前角時NO，隨負荷變化曲線 [2]</p><p>　　2.2 燃油乳化和直接噴水（Direct Water Injection DWI）技術</p><p>　　加水處理的原理是通過采取措施使一定量的水進入氣缸，由于水的汽化潛熱很高，可以在燃燒過程中吸收大量的熱量，從而降低最高

22、燃燒溫度，減少NOx排放量。</p><p><b>　　（1）燃油乳化技術</b></p><p>　　燃油乳化是將燃油摻水形成乳化油在柴油機中進行燃燒，若干年前，燃油乳化曾作為提高柴油機經濟性的措施加以推廣。當向柴油機噴入乳化油時，乳化油中的水被蒸發(fā)，使燃燒溫度峰值下降，能較大幅度減少NOx排量。使用乳化油對發(fā)動機工作性能的影響隨機器型號不同而變化。在一般情況下增

23、加一個百分點的水將減少一個百分點的NOx，通常乳化油中含有10%的水，可使NOx下降6%～12%，標準設計的發(fā)動機可以滿負荷時加入20%的水，此時燃油消耗率幾乎沒有變化。當水含量再增加時，燃油消耗率會稍有增加。燃油乳化可降低NOx排放30%～50%。使用乳化油還可以改善發(fā)動機的排煙，尤其在低負荷時更為明顯。但是，用乳化油會引起發(fā)動機零件的銹蝕。</p><p>　?。?）直接噴水（DWI）</p>

24、<p>　　直接噴水(DWI)技術采用雙噴嘴油頭，一個噴油，一個噴水，如圖2所示，水油比為（0.4～0.7）: 1，水在燃油噴射之前噴入缸，可以降低燃燒室溫度從而降低NOx。在噴水結束之后開始噴油，對燃油的著火和燃燒過程不會造成影響。油、水兩個系統(tǒng)是相互獨立的，噴水系統(tǒng)可以隨時切斷，柴油機在任何負荷條件下都可以進行有水和無水工作轉換。該方法可以降低NOx排放50%～60%。隨著噴入氣缸水量的增加，NOx排放量隨之減少，最大的水

25、油比例為50%，NOx排放量降低60%，當水油比例大于50%時，NOx排放量降低不明顯，而燃油消耗率將急劇上升。直接噴水法還可以降低主機的熱負荷并改善缸套清潔條件，與其它噴水加濕方法比較，水的消耗量較低。但在燃油的含硫量比較高時，可能會發(fā)生低溫腐蝕。</p><p>　　圖2 直接噴水系統(tǒng) [1]</p><p>　　2.3 廢氣再循環(huán)技術(Exhaust Gas Recirculatio

26、n，EGR)</p><p>　　廢氣再循環(huán)就是使部分排氣再次進入氣缸進行循環(huán)，一般情況下可使10%～20%的廢氣再次進入發(fā)動機氣缸。采用廢氣再循環(huán)后，由于進氣中氧濃度降低和熱容量的增加，可獲得較低的燃燒溫度從而降低NOx的生成。但隨著再循環(huán)廢氣量增加，燃燒過程會變慢以至會使顆粒排放和耗油率增加。廢氣再循環(huán)可使NOx排放降低30%～50%。</p><p>　　但是，對于船用柴油機來說，使

27、用該技術來降低NOx排放的效果較小。因為船舶柴油機平均使用負荷較高，并且大負荷工況時過量空氣系數較小，不可能使用較大的廢氣再循環(huán)率，所以使用EGR降低NOx排放的效果不好。而且由于渦輪增壓柴油機在大部分運行范圍內的進氣管壓力均大于排氣管壓力，EGR不能像非增壓機那樣自動實現，過分復雜的設計又往往不受歡迎。同時，廢氣再循環(huán)會引起微粒對渦輪和冷卻器的污染，增加氣缸磨損。對于用蒸餾油的柴油機，由于產生的顆粒較少，并不會引起嚴重問題。對于船舶柴

28、油機而言，燃用重油的發(fā)動機產生的顆粒較多，而且也會使起動更加困難。因此，這種方法適用于中、小型柴油機而不適用于大型柴油機。</p><p>　　2.4 均質混合壓縮著火(HCCI)燃燒</p><p>　　均質混合壓縮著火(Homogeneous Charge Combustion Ignition，HCCI)是近年來發(fā)展起來的一種新型燃燒方式。HCCI是在進氣及壓縮過程形成均質的混合氣，

29、當活塞壓縮到上止點附近時均質混合氣自燃著火。HCCI是均質的混合工質壓縮燃燒，其均勻混合物的燃燒在整個燃燒室容積內多點同時進行，沒有火焰前鋒面，而且局部不會形成過濃狀態(tài)，這使其燃燒溫度較低，具有低溫和反應快的特點，從而可以同時大大降低PM和NO。的排放，而且稀薄均質混合氣的燃燒還可以降低燃油消耗。但由于HCCI的燃燒溫度低，反應時間快，所以相比傳統(tǒng)的燃燒模式，不能降低CO和HC的排放。HCCI的燃燒方式真正實現了低排放和高效率的特點，但

30、國內還沒有在船舶柴油機上進行實驗研究。</p><p>　　2.5 選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction，SCR)</p><p>　　SCR法是目前大幅度降低NOx排放的最有效方法。如圖 3，其工作原理是以氨或尿素作為還原劑，使廢氣中NOx在300～400℃的溫度下在SCR反應器中將廢氣中的NOx還原為N2，來達到減少NOx的排放目的，主要反應如

31、下：</p><p>　　4NO + 4NH3 + O2 =4N2 + 6H2O</p><p>　　6NO2+ 8NH3 = 7N2 + 12H2O</p><p>　　圖 3 催化轉化原理圖 [1]</p><p>　　使用SCR技術能有效降低NO。排放85％～90％，并且不影響柴油機的燃油消耗率和排氣中煙度的增加，還具有降低噪聲的效果。

32、但SCR系統(tǒng)體積比較龐大，整套系統(tǒng)的費用較高，目前只有在環(huán)保要求較嚴的航區(qū)才率先采用，對一般的航運企業(yè)推廣較為困難。再有就是氨的溢漏和新反應物的產生可能導致新的污染物和一定的毒性危險。但SCR技術是目前船舶柴油機凈化NOx排放的切實可行的措施。</p><p><b>　　3 SCR技術</b></p><p>　　雖然NH3是良好的還原劑，但是有很強的刺激性，而尿素

33、水溶液無毒、無害、儲存和運輸方便且不具有刺激性氣味，因此一般使用尿素(Urea)水溶液作為SCR系統(tǒng)的還原劑組成Urea-SCR系統(tǒng)。歐洲使用的32．5％濃度的尿素水溶液被稱為“Adblue”，譯成中文為“添藍”。</p><p>　　3.1 Urea-SCR系統(tǒng)組成</p><p>　　對于理想的Urea-SCR系統(tǒng)[3],由安裝在發(fā)動機排氣管上的預氧化器、裝在排氣管中游的添藍噴射裝置、

34、混合器、水解催化器以及下游的Urea-SCR催化器和后氧化催化器組成，如圖4所示。</p><p>　　圖 4 Urea-SCR系統(tǒng)主要組成部分</p><p><b>　　(1)預氧化催化器</b></p><p>　　預氧化催化器用于將NO氧化成N02，提高Urea-SCR系統(tǒng)的低溫活性。其采用的催化劑一般為貴金屬，如Pt。預氧化催化劑的不

35、足之處有：①增加了S02的氧化以及硫酸鹽的形成；②增加了溫度低于200℃時NH4N03的形成。</p><p>　　(2)添藍噴射和控制系統(tǒng)</p><p>　　為了在所有工況都能提供精確流量的添藍，需要有一個精密而復雜的噴射系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。添藍的噴射量必須嚴格控制，這樣噴射的添藍才能與發(fā)動機實時產生的NOx量精密地匹配。噴射和控制系統(tǒng)主要由各類傳感器、供給模塊、噴射裝置和電控單元等組成。

36、</p><p>　　(3)Urea-SCR催化器</p><p>　　催化轉換器的外表與消聲器很像，只是尺寸大一些。在很多情況下，催化轉換器就安裝在消聲器中，這時消聲器的體積必須有所增加，理論上講要增加15％左右才能滿足噪聲排放標準以及背壓的需要[4]。催化轉換器中裝有礬基催化劑，在NH3出現時幫助其將NOx轉變成無害的N2和H20。</p><p><b&

37、gt;　　(4)后氧化催化器</b></p><p>　　后氧化催化器中的氧化催化劑和預氧化催化劑體積相當，但是貴金屬含量卻少很多，文獻[5]顯示，預氧化催化劑中Pt約為90g/ft3，后氧化催化劑約為10g／ft3。后氧化催化劑的功能為防止NH3滑失，附加的功能可以控制HC和CO排放。后氧化催化劑的缺點是增加了排氣中N20和NO的濃度[6]。</p><p>　　3.2 Ur

38、ea-SCR系統(tǒng)工作原理</p><p>　　使用的Urea-SCR系統(tǒng)采用開環(huán)控制，并且需要空氣進行輔助。其工作原理如下：</p><p>　　圖 5 SCR系統(tǒng)工作原理圖</p><p>　　SCR系統(tǒng)工作時，測量裝置采集發(fā)動機的轉速、扭矩以及催化器溫度等信號，傳送給SCR控制器。SCR控制器根據控制策略，計算出所需的尿素量。經過計量噴射泵，尿素與壓縮空氣混合后

39、經噴嘴進入SCR催化器的入口前段。在排氣管中尿素經蒸發(fā)、熱解以及水解等一系列的物理化學反應后部分或全部分解成NH3和H20并與排氣充分混合，然后進入SCR催化器。在催化劑的催化作用下，NH3與NOx迅速反應生成N2和H20，隨排氣排入大氣。</p><p>　　3.3 Urea-SCR系統(tǒng)主要反應</p><p>　　Urea．SCR系統(tǒng)的化學反應過程十分復雜，主要包括尿素熱解、水解反應，

40、NOx的催化還原反應等[7-10]。</p><p>　　3.3.1 尿素水解、熱解反應</p><p>　　尿素在通過水解、熱解等一系列反應后成NH3，NH3才是NOx的直接還原劑。</p><p>　　尿素的熱解反應為： </p><p>　　NH2-CO-NH2→NH3+HNCO （3-1）</p>

41、<p><b>　　尿素的水解反應為：</b></p><p>　　HNCO+H20→NH3+C02 （3-2）</p><p>　　化學反應(3-1)屬于吸熱反應，因此在HNCO和NH3到達催化器的進口時就已經呈氣態(tài)。SCR催化劑對化學反應(3-2)有催化作用，能促進HNCO的進一步水解。</p><p

42、>　　3.3.2 NOx的催化還原</p><p>　　NOx的催化還原主要有以下兩個反應式：</p><p>　　4NH3+4NO+02→4N2+6H20 (3-3)</p><p>　　2NH3+NO+N02→2N2+3H20 (3-4)</p><p>　　柴油機的NOx排放中NO含量通

43、常占85％～95％，因此在NOx的催化還原反應中化學反應(3-3)是最主要的反應，被稱為標準SCR反應，在溫度為300℃～400℃時，有較高的轉化效率，但在溫度較低時(250℃，如在冷機起動時)NOx轉化效率較低。</p><p>　　大量研究結果表明，當改變NOx中N02的比例時，可以改變低溫條件下Urea-SCR對NOx的轉化效率，如下圖[11]。</p><p>　　圖 6 NOx

44、轉化效率隨 NO2/NO 比值變化曲線</p><p>　　當NO與N02濃度之比為l時將會有最高的NOx催化轉化效率。式(3-4)的反應在低溫條件下的反應速率是標準SCR反應的17倍，因此被稱為快速SCR反應。在SCR催化器的上游安裝預氧化催化器將一部分NO氧化成N02，可解決低溫情況下Urea-SCR法NOx轉化效率低的問題。</p><p>　　3.3.3 其它反應</p>

45、;<p>　　當使用硫含量比較高的柴油時，發(fā)動機排氣中含有S02，S02在催化劑的作用下容易被氧化成S03。通常在排氣溫度低于250℃的情況下NH3和S02容易結合生成NH4HS04和(NH4)2S04。生成的NH4HS04和(NH4)2S04可能會沉積在催化劑表面，減小催化劑的比表面積從而降低SCR催化器的活性。可以通過提高尿素噴入溫度的方法來解決這個問題，NH4NO3和(NH4)2S04在溫度高于300℃的條件下很容易

46、分解。在低于200℃的條件下，NH3可以與N02反應生成易爆物質NH4NO3，在溫度低于350℃的條件下HNCO可能共聚產生三聚氰酸聯合體。生成的NH4NO3、三聚氰酸聯合體以固態(tài)或液態(tài)形式沉積在催化劑表面的微孔上，導致催化劑臨時性的中毒。</p><p>　　3.4 影響NOx催化轉化效率的因素</p><p>　　3.4.1 催化器的儲氨能力</p><p>　

47、　SCR催化劑的材料是多孔結構，當NH3穿過這些孔狀材料時它可以吸附在催化劑的表面。吸附在催化劑表面的NH3并沒有全部參與NOx氧化還原反應，這里將這部分沒有參與NOx氧化還原反應的氨氣的質量大小定義為催化劑的儲氨能力，單位為g。</p><p>　　催化器的儲氨性能具有一定的緩沖作用，當尿素噴射停止后儲存的NH3會繼續(xù)同NOx反應一段時間。但是在催化器的溫度突然升高時，低溫下儲存的NH3會大量釋放出來，導致NH

48、3流失。催化器的特性決定了它的儲氨能力。表l為不同類型催化器的儲氨能力對比[12]。</p><p>　　表 1不同類型催化器的儲氨能力</p><p>　　由表1可以發(fā)現，雖然活性成分的含量不同，但是兩種涂層型催化劑的儲氨能力比較接近。與涂層型催化劑相比，擠壓型催化劑可以儲存更多的氨。圖7為NOx轉化效率與催化器的氨釋放量的關系[13]。</p><p>　　圖

49、7 NOx轉化效率與氨釋放量的關系</p><p>　　從在圖7中可以發(fā)現，在不同的溫度下，NH3的釋放量越大，NOx的轉化效率越高。NH3的釋放量與NH3的儲存量密切相關，存儲的NH3量越大，可以釋放的NH3也越多。</p><p>　　3.4.2 催化劑活性</p><p>　　不同的催化劑具有不同的活性溫度窗口，根據活性溫度窗口的不同，可將催化劑分為三大類：沸

50、石型高溫催化劑、V205／Ti02型中溫催化劑、以Pt為活性組分的低溫催化劑。</p><p>　　圖8催化劑的溫度窗口</p><p>　　如圖8所示[14]，Pt催化劑在150～300℃的溫度區(qū)間內具有較高的NOx轉化效率，但該催化劑存在著活性窗口窄、耐硫性能差的缺點。在345～590℃的溫度范圍內，沸石型催化劑表現出極高的催化活性，但該催化劑在425℃以上才具耐硫性。V205／Ti0

51、2型催化劑具備較寬的活性溫度窗口(260～425℃)和優(yōu)異的耐硫性能，已廣泛應用于機動車SCR系統(tǒng)中，并以V205-W03／Ti02或V205-Mo03／Ti02體系最為廣泛。在V-W-Ti與V-Mo-Ti體系中，Ti02為載體，且多為銳鈦礦型。活性組分V的主要作用是促進NOx選擇性催化還原，但同時也加速了S02被氧化為S03的反應。鑒于此，V的含量一般較低，尤其是排氣中硫的含量較高時，其含量僅為1％(質量分數)。與活性組分V相比，W或

52、Mo的含量就高得多，可分別占催化劑重量的10％(以W03計)與6％(以Mo03計)。以上助劑的作用體現在：拓寬NOx選擇性還原的溫度窗口，抑制S02的氧化，增強催化劑在機械、結構與形態(tài)方面的性能。</p><p>　　3.4.3 溫度影響</p><p>　　Urea-SCR技術減少NOx排量需要適宜的溫度，反應溫度不僅決定反應物的反應速度，而且決定催化劑的反應活性。一般來說，反應溫度越高

53、，反應速度越快，催化劑的活性也越高。但反應溫度過高，會造成催化劑燒結，NH3被氧化而不與NOx反應。而反應溫度如果過低，催化器對NOx的催化轉化效率會下降。同時，尿素水解也需要一定的溫度，只有達到所要求的反應溫度，水解才能順利、高效進行。</p><p>　　3.4.4 NH3／NOx摩爾比</p><p>　　NH3／NOx摩爾比是SCR系統(tǒng)運行中一個非常重要的指標，它直接決定還原劑的用

54、量，對NOx的轉化率有較大影響，此外它還與NH3的泄漏有關。還原劑添加量少，則導致NOx的轉化效率低，添加量過多則會因氨的泄漏導致二次污染。圖9為溫度為320℃和空速為45000 1／h的條件下，NH3／NOx摩爾比與NOx轉化效率和NH3泄漏的關系[15]。</p><p>　　圖 9不同NH3／NOx摩爾比下的NOx轉化效率和NH3泄漏</p><p>　　由圖9可以看出，隨著NH3／

55、NOx摩爾比的增加，NOx轉化效率逐漸增大。雖然在NH3／NOx摩爾比大于0．8后NOx轉化效率繼續(xù)增加，但NH3開始發(fā)生泄漏。排放法規(guī)要求NH3泄漏量必須控制在一個非常低的范圍內，因此不能僅僅通過增加還原劑的量來提高NOx轉化效率，還需要通過改善反應氣體的混合均勻性來提高NOx轉化效率。</p><p>　　3.4.5 廢氣成分的影響</p><p>　　柴油機廢氣中對NOx催化轉化效率

56、有影響的主要有NO2、HC、SO2和H2O。</p><p><b>　　（1）NO2的影響</b></p><p>　　廢氣中的組成NOx的主要成分是NO(體積含量約占85．95％)和少數的NO2 (體積含量約占5．15％)，研究表明，提高廢氣中NO2的含量能夠改善V205的低溫活性，即提高低溫下NOx的轉化效率。圖10為N02對NOx轉化效率的影響[3]。<

57、/p><p>　　圖10 NO2對NOx轉化效率的影響</p><p>　　從圖10可以發(fā)現，反應溫度較低時，NO2的存在不同程度地提高了NOx轉化效率；反應溫度升高到300℃后，NO2對NOx轉化效率的影響逐漸變弱。在SCR系統(tǒng)的實際應用中，可以在尿素噴入點上游安裝預氧化催化器來促進NO氧化為NO2，提高NO2的含量。</p><p><b>　?。?）HC

58、的影響</b></p><p>　　HC會降低使用V205催化劑的NOx轉化效率，這主要是因為HC濃度的增加會引起催化器起燃溫度輕微增加，如圖11所示[3]。使用預氧化催化劑能把HC從廢氣中消除，進而改善SCR系統(tǒng)的低溫性能。</p><p>　　圖 11 HC對NOx轉化效率的影響</p><p><b>　　（3）SO2的影響</b&

59、gt;</p><p>　　圖12為存在SO2和不存在SO2的情況下NOx轉化效率的對比。從圖中可以看出，加入SO2后，催化劑在低于500℃的溫度范圍內還原NOx的活性得到不同程度地提高。[16]</p><p>　　圖 12 SO2對NOx轉化效率的影響</p><p>　　這是由于SO2被吸附在金屬氧化物的酸性中心位上形成亞硫酸鹽離子SO42-，然后與被吸附的0

60、2反應生成硫酸鹽，硫酸鹽有很強的酸性，可以大大提高催化劑表面的酸性，使得S042-可以將更多的NH3以NH4+的形式吸附在催化劑表面，使反應物更容易活化，從而提高NOx的轉化效率。</p><p>　?。?） H2O的影響</p><p>　　對于大多數的SCR催化劑，低溫時H2O對催化劑的活性具有一定的抑制作用，降低了NOx的轉化效率。而在較高溫度時H2O基本不影響NOx的轉化效率。圖1

61、3為150～550℃時水蒸氣對V205-W203／Ti02催化劑的活性的影響情況[16]。H2O對催化劑的影響主要是競爭吸附占據催化劑表面的活性位，導致NH3吸附位的減少，進而抑制了反應。H2O的這種負面效應主要在低溫下得以體現，高溫下H2O容易脫落，因而高溫下H2O的抑制作用沒有表現出來。</p><p>　　圖 13 H2O對NOx轉化效率的影響</p><p>　　4 SCR技術經濟

62、性、可行性分析</p><p>　　通常人們認為SCR技術是一項高投入技術，會增加很多的成本。這對于石化鍋爐是正確的，然而對于柴油機而言SCR技術的消耗只有很小的影響。實驗證明，在一臺2.0 MW的柴油機上裝配SCR技術的費用是14 000～16 000美元，包括技術投人和裝配費用，這種價格變動取決于NOx的降低的程度?？傊?，這項技術對于整機而言是很小的。</p><p>　　有很多種方法

63、來分析裝配在柴油機上的SCR系統(tǒng)的經濟性，常用的一種是在當今市場環(huán)境下，分析SCR技術對整臺機器運行費用的最小影響。表2是一臺2.0 MW的機器在不同運行時間下消耗費用的對比?？梢钥闯?，一臺2.O MW的柴油機，運行5000 h，若沒裝有SCR裝置，其運行費用為O.143美元／(KW?h)，若裝有SCR裝置，其運行費用為0.162美元／(KW?h)，二者僅僅相差0.019美元／(KW?h)。</p><p>　　

64、表 2 裝配SCR技術裝置、功率為2.0MW的柴油機運行費用[17]</p><p>　　對一臺巳運行15年、功率為1752 KW的四沖程柴油機，在各種負荷運行條件下，分析利用SCR技術的RJM ARIS系統(tǒng)投資和運行費用。表3 、表4列出了該柴油機的基礎數據和投資費用，表5比較了RJM ARIS在不同工況下的消耗費用。</p><p>　　表3裝配了SCR技術裝置的柴油機的基礎數據[17

65、]</p><p>　　表4裝配SCR技術裝置的柴油機每年投資和運行費用[17]</p><p>　　圖5裝配SCR技術裝置的柴油機在不同運行工況下的運行費用 [17] 美元·t-1</p><p>　　通過以上分析，說明SCR技術能夠有效地減少船舶柴油機NOx的排放，正確使用SCR技術裝置，能使船舶柴油機在正常運行的同時，既能達到環(huán)保的要求，又能把整

66、臺柴油機的運行費用降低到可以接受的程度。糾正了柴油機SCR技術是一項高投入技術的錯誤觀點，證明了在船上發(fā)展利用SCR技術是可行的，以及在環(huán)保要求和排放法規(guī)不斷嚴格的背景下，發(fā)展利用SCR技術的必要性。</p><p>　　5 船用SCR系統(tǒng)設計方案</p><p>　　5.1 SCR系統(tǒng)設計原理圖</p><p>　　根據SCR技術的原理以及船舶柴油機的特點，簡單設

67、計了船用SCR系統(tǒng)，如圖14。</p><p>　　圖14 SCR系統(tǒng)設計原理圖</p><p>　　其工作原理是：尿素泵將尿素柜中的尿素溶液泵如計量器中，于是計量器中就形成了具有一定壓力的尿素待用溶液。計量器中要供入壓縮空氣，當計量器收到控制中心的指令后，就會提取一定量的尿素溶液與壓縮空氣混合形成初級霧化的尿素通往噴槍，多余的尿素溶液則返回尿素存儲柜中；同時根據尿素的量選取一定量的壓縮空

68、氣，經過另一條管路通往噴槍。在噴槍中，初級霧化的尿素溶液與壓縮空氣混合形成進一步霧化的尿素溶液噴入排氣管中，在排氣管中的混合區(qū)域，尿素已經分解為NH3和H2O與排氣充分混合后進入SCR催化氧化器中進行反應。</p><p>　　5.2 SCR系統(tǒng)尿素噴射量控制策略</p><p>　　SCR系統(tǒng)的還原劑尿素噴射量控制非常重要，要根據柴油機的轉速、轉矩、排煙溫度、負荷、廢氣流量等各方面的參數

69、以及催化器的儲氨特性、催化器的儲熱特性和轉化效率等進行尿素噴射量的調節(jié)。如果尿素供給量過多，會造成尿素的浪費增加成本，同時多余的NH3進入大氣會造成污染。如果尿素供給量不足，會造成NOx反應不完全，達不到減少NOx排放的目的。下面從穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個方面分析噴射控制策略。</p><p>　　5.2.1 穩(wěn)態(tài)策略</p><p>　　在穩(wěn)態(tài)模型中，只考慮柴油機的穩(wěn)定工況。柴油機在工況穩(wěn)定時，

70、NOx的排放和NOx的最大轉化效率均為定值，此時通過確定排氣溫度，排氣流量及其對應的NOx排放量等參量。根據化學方程式計算可求得反應NOx所需的最少尿素水溶液的流量?？刂撇呗匀缦聢D15</p><p>　　圖15 SCR系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制模型</p><p>　　5.2.2 瞬態(tài)排放修正策略</p><p><b>　　（1）儲氨修正</b><

71、;/p><p>　　SCR系統(tǒng)的催化器通常具有一定的NH3儲存能力。排氣溫度低時，催化器的儲氨能力強，當發(fā)動機從高排溫工況瞬間過渡到低排溫工況時，由于NH3大量儲存在催化器中，會降低NOx的轉化效率；而在排氣溫度高時，催化器的儲氨能力弱，當發(fā)動機從低排溫工況瞬間過渡到高排溫工況時，儲存的NH3會釋放出來，可能導致NH3過量從而出現NH3的滑失現象。因此，在制定尿素流量控制策略時還需要考慮催化器對NH3的儲存作用。儲氨

72、修正策略如下圖16。</p><p>　　圖 16儲氨修正模型</p><p><b>　　（2）排氣溫度修正</b></p><p>　　在穩(wěn)態(tài)控制模型中，只考慮了柴油機系統(tǒng)各參數，如轉速、扭矩、催化器溫度等均達到穩(wěn)定的情形，但是在實際使用中，由于催化器具有容熱容性，當發(fā)動機從一個工況過渡到另一個工況時，催化器的床溫有一段時間的延時即催化器的

73、床溫不能隨轉速扭矩的變化迅速達到穩(wěn)定時的溫度。</p><p>　　當柴油機從高排溫工況瞬間過渡到低排溫工況時，催化器的床溫通常較穩(wěn)定時的溫度高，催化器的轉化效率也較穩(wěn)定時的轉化效率高，但是此時通過穩(wěn)態(tài)控制模型計算的尿素水溶液流量是按溫度穩(wěn)定時的轉化效率來計算的，如果能根據催化器的實時溫度適當加大尿素水溶液的流量，就可以提高NOx的轉化效率。當柴油機從低排溫工況瞬間過渡到高排溫工況時，SCR系統(tǒng)控制器根據瞬間檢測

74、到的發(fā)動機轉速和扭矩發(fā)出高排溫工況對應的尿素流量指令，然而此時催化器的床溫還未來得及達到穩(wěn)定時的溫度，噴入的尿素溶液在低排溫環(huán)境下會生成氨鹽覆蓋在催化劑表面。隨著催化劑床溫的逐步升高，催化劑內部吸附的氨氣會大量逸出，氨鹽也發(fā)生熱解反應釋放出氨氣，此時氨氣的量往往會超出理論需求量，在催化器出口以滑失的形式排出，造成二次污染。</p><p>　　如果當柴油機工況發(fā)生變化時，讓噴射量在一段時間內緩慢發(fā)生變化，以適應催

75、化器溫度變化規(guī)律。就可以使NOx的轉化效率達到較高的水平，同時也降低了NH3的泄漏。控制策略如圖17。</p><p><b>　　圖17排溫控制模型</b></p><p><b>　　6 總結</b></p><p>　　本文介紹了SCR技術的原理，闡述了該技術的應用前景以及在環(huán)保要求和防污染公約日益嚴格的情況下應用S

76、CR技術的必要性。同時，通過與其它NOx減排技術方法對比，論證了該技術在船舶上使用的經濟性以及可行性，并且提出了在船舶上應用的方案。但由于時間和知識的有限，對于一些詳細的問題不能更深入的證明分析，比如對于一些參數不能進行定量的計算、實驗與建模分析。最后要感謝各位老師的精心指導，在寫論文期間給了我很多建議，讓我倍受啟發(fā)。</p><p><b>　　【參考文獻】</b></p>

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