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船舶废气处理SCR技术分析

文档作者：冯龙李超李樱王智磊李兆国徐凤麒文档来源：青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司		点击数：	更新时间： 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
船舶废气处理SCR技术分析
冯龙，李超，李樱，王智磊，李兆国，徐凤麒
(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛266101)
摘要：介绍SCR技术的工作原理，分析SCR技术应用于船舶柴油机废气处理过程中的关键问题，如：尿
素溶液注入及同废气的混合，反应器内催化剂失活问题及对柴油机性能的影响，废气处理自动控制的实现。
关键词：选择性催化还原；柴油机；氮氧化物；尿素溶液
中图分类号：U664．121；X701．7 文献标志码：A 文章编号：1671．7953(2017)$2-0125-04
IMO讨论通过的MARPOL73／78公约附则VI
修正案⋯ 明确了N0 排放限值的3个阶段，对船
舶废气排放提出了更严格的要求，特别是对在排
放控制区(ECAs)内航行的船舶。2015年l2月
份中国交通运输部网站正式发布《关于印发珠三
角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制
区实施方案的通知》，形成了中国海域的“排放控
制区”，并严格执行国际公约和国内法律法规关
于硫氧化物、颗粒物和氮氧化物的排放控制要求。
不同时期船舶对柴油机NO 排放限值的规定，见
图1。
标定转速／(r·rain 。)
图1 柴油机NO 排放限定值
根据目前的技术条件，仅依靠柴油机自身的
减排技术难以满足Tierlll的排放要求。目前能够
满足NO 排放量要求的主要方法包括 J：①改善
发动机自身特性，对进气排气过程和燃油供应及
燃烧进行优化的废气再循环技术；②后处理技术，
如选择性催化还原技术(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：冯龙(1988一)，男，硕士，工程师
研究方向：船舶废气处理，压载水处理
供船舶动力。在氮氧化物处理技术中，SCR技术
被认为是最成熟、有效的处理方法 。本文对船
舶柴油机废气处理SCR技术中的关键问题进行
分析。
1 SCR工作原理
选择性催化还原(selective catalytic reduction，
SCR)技术作为典型的后处理技术，其工作原理是
将废气中的氮氧化物在催化剂的作用下，并在合
适的反应温度范围内(300—400℃)，同具有还原
性的物质HN 发生化学反应，生成清洁的氮气和
水。其主要反应式为
4NO +4NH3+02 4N2+6H20
2NO2+4NH3+02_ 3N2+6H2O
6NO2+8NH3 7N2+12H20
NO+NO2+2NH3 4N2+12H2O
为了保证上述反应能够很好地进行，排烟温
度控制是关键。若温度过高，废气中的氮氧化物
与催化剂的反应效率降低；反之，废气中的硫氧化
物将与催化剂反应产生副产物硫酸氢铵，硫酸氢
铵是一种具有吸附性的粘性物质，将会粘结在催
化剂的表面，进而减小氮氧化物与催化剂的接触
面积，降低反应效率，甚至使部分催化剂失活，无
法达到预定脱硝效率。因此对于二冲程和四冲程
柴油机，其布置方式是不同的。
对于四冲程的柴油机，其排烟温度相对较高，
SCR装置一般布置在涡轮增压器之后，称之为低
压SCR系统，该方式对于主机的运行影响较小；
对于二冲程的低速柴油机，为了保证达到合适反
应的温度，需要将SCR系统布置在涡轮增压器之
前，这样SCR装置将会成为主机的一部分，为了
保证其对主机运行参数影响较小，必须采用高效
125
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201117 月 冯龙，等：船舶废气处理SCR技术分析 船海工程
第46卷
的涡轮增压器，并保证SCR装置的气压损失在要
求范闱之内。
2 SCR关键技术
选择性催化还原技术在火电行业已比较普
遍。根据其特点可以应用于船舶柴油机的废气处
理，是一种较为经济的减排装置。废气处理装置
主要有尿素供给喷射系统，反应器系统和SCR控
制系统组成。如图2所示，应用于二冲程柴油机
的SCR系统组成。尿素供给喷射系统包括了尿
素供给单元和混合器2部分。
图2 高压SCR系统
2．1 尿素供给喷射系统
尿素供给喷射系统主要包括尿素供给系统和
混合器组成。如图3所示，尿素供给系统主要有
尿素罐，尿素供给泵，尿素计量泵，液位计，冲洗装
置，泵控制箱等组成。该系统主要是在TierⅢ模
式下，提供适量的还原剂，通过尿素喷枪，并在混
合器中均匀混合，使还原剂同废气充分混合，为后
续在催化剂的作用下完成还原反应提供条件。
液
位
计
图3 尿素供给喷射系统
尿素罐的主要功能是存储还原剂，考虑到经
济性的要求，实际中采用尿素溶液作为还原剂，尿
素溶液通过喷枪雾化后，在废气的高温下分解成
126
为氨气，并同废气均匀混合。为保证尿素供应系
统的良好运行，需在尿素罐上设置液位传感器监
视其液位。在尿素计量泵的出口位置安装自动开
关阀门，压力传感器及流量计。并通过检测压力
信号保证尿素溶液的供给，如出现压力故障，则切
换到备用尿素计量泵，提高其运行的可靠性，并通
过流量计信号保证输出定量的还原剂。为防止尿
素溶液在管道内部结晶，需设置冲洗装置，在SCR
系统停止后，用清水或压缩空气对管道内部，计量
泵及喷枪喷嘴进行冲洗，防止尿素结晶造成的喷
嘴堵塞。
2．1．1 尿素溶液供给量的确定
通过以下公式计算氨气用量，并通过氨水质
量浓度，得到尿素泵输出的量。
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为废气质量流量，kg／s；p为废气的压力，
Pa；P为气体的密度，kg／13q ； 为氨氮比，并通过
进出口NO 的浓度计算 。
通过SCR控制系统与主机的通信，得到相关
的主机参数，并通过计算得到适量的还原尿素溶
液的量，并控制计量泵输出。
2．1．2 尿素溶液转换为氨气后同废气混合均匀
性问题
尿素喷人反应器前，需要将溶液与空气混合，
可以采用机械式的尿素溶液空气混合器。其原理
是利用混合单元体内结构通过增加流体层流运动
的速度梯度，或形成湍流和涡流实现不同流体间
的充分混合 J，然后再经过喷氨格栅，使得产生
的NH 能够充分与烟气混合。而如出现混合不
充分，或者局部NH 过量，则部分区域出现氨逃
逸，而其他部位则达不到所要求的脱氮效率。在
温度适宜的时候，NH 过量的副反应也将产生副
产物，硫酸氢氨的粘性将会依附催化剂表面从而
造成催化剂失活。
2．2 反应器系统
作为SCR系统内的核心部位，反应器是该反
应进行的载体，而反应器中的催化剂提供了反应
的动力。反应器内布置适量的催化剂是该装置设
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计的核心，催化剂量少于理论值则达不到要求的
处理效果；反之催化剂量远高于理论值，造成催化
剂的使用效率低，占用空间较大，不满足经济性要
求。计算催化剂的使用量，需要考虑的参数主要
有：主机烟气的流量、温度、压力，烟气各组分的含
量(包括氮氧化物，硫氧化物、氧气)，氨逃逸的要
求，主机运行工况等，通过优化仿真得到较为经济
的催化剂数量及结构。
2．2．1 催化剂失活
在温度较低条件下(270℃ 以下)，会伴随副
反应发生，产生催化剂。
SO3+NH3+H20 =NH4HSO4
SO3+2NH3+H30=(NH4)2SO4
NH HSO 和(NH ) SO 粘性物质会吸附在
催化剂活性表面，并最终导致催化剂失活，所以必
须有效控制反应器内温度，以及氨逃逸的影响。
2．2．2 高压SCR系统对柴油机性能的影响
二冲程柴油机SCR装置安装在废气涡轮增
压器之前(也成为高压SCR系统)，这一装置也对
柴油机的工作有一定影响，由于涡轮增压器前增
加了SCR反应器及相关的混合器等，有一定的废
气压力损失，使进入涡轮增压的动能减少，进入气
缸的空气量减少。为了保证柴油机运行正常，要
求SCR设计时，对其管路压力损失，及管道布置
提了较高要求，保持其压力损失在70 kPa范围
内。
2．3 SCR控制系统
SCR控制系统采用以PLC为控制中心，以
HMI(human machine interface)为监视和命令接受
装置，并采用现场总线方式同主机及上位机进行
数据交换；通过模数、数模转换模块，数字量输入、
输出模块完成对SCR系统的控制。功能框图如
图4所示。
通过模数转换模块，完成系统内烟气温度信
号、烟气压力信号、反应器进出口压差信号、尿素
的液位信号、流量信号、气体浓度等主要数据的采
集与处理，实现了对整个系统的实时监测。并通
过PLC控制模块，根据反馈的相关数据，判断系
统的工作状态，通过控制逻辑，发送相关控制指
令，完成对反应器人口阀、出口阀、节流阀等开关
控制，对尿素计量泵流量输出控制，系统吹灰系统
的控制；完成对系统的在线监控。如出现异常，将
会发出声光报警，同时通知上位机，并根据报警内
图4 控制系统功能
容选择过滤器旁通阀的开闭，以防对柴油机正常
运行产生不利的影响。系统自动记录相关数据及
报警清单，方便用户检查并分析故障原因。
SCR工作流程如图5所示，当柴油机切换至
TierHI模式下运行时，首先通过阀门切换将所有
烟气经过反应器装置。当反应器旁通阀门完全关
闭后，所有烟气都通过反应器，并逐步提高反应器
温度，使之达到SCR反应的要求。通过温度检测
装置，对反应器进出口烟气温度进行实时检测，当
反应器装置出口处烟气温度能稳定保持在反应温
度以上时(一般设置为300℃)，控制系统将启动
尿素供给单元，并通过流量计监视尿素溶液供给
流量。尿素溶液经混合器同空气混合，并通过尿
素喷枪将雾化还原剂与烟气充分混合后，在反应
器内催化剂的载体上面，使得氮氧化物同氨气进
行还原反应，生产氮气和水。并通过后面气体分
析仪对反应后的气体进行实时监测，通过气体中
氮氧化物质量浓度及氨逃逸的浓度，实时反馈到
满
等待
反应器
温升
调整
参数
图5 SCR工作控制逻辑
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201117月正 冯龙，等：船舶废气处理SCR技术分析 船海工程
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控制系统中，并及时对还原剂的用量进行调整，保
证SCR反应的顺利进行，并达到所要求的排放标
准。在整个过程中，基于上位机和PLC的控制系
统会实时的采集各个仪表的数据，通过数据分析
控制输出单元做出相应的动作。。 ，确保经过反应
后排除的气体氮氧化物浓度低于标准要求。
参考文献
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TION MEPC．176(58)，Revised MARPPOL Annex VI
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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页)
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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