郝公正
（上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913）
随着人们越来越关注环境保护，船舶在运输过程中对环境的破坏越来越受到重视。根据海事组织对于柴油机废气排放的规定，对二零一六年一月一日及之后所建造的运营船舶，在排放限制区域内航行时，柴油机废气排放中氮氧化物的排放量的限定值应按Tier Ⅲ排放标准执行：当柴油机转速不超过130 r/min时，氮氧化物排放限值为3.4 g/kWh；
当转速在130 r/min～2 000 r/min 时，限值为9*Ng/kWh，当转速超过2 000 r/min 时，限值为2.0 g/kWh，Tier Ⅲ要求的氮氧化物排放量的限值约为Tier Ⅰ标准的20%。
目前Tier Ⅲ所要求的的排放标准，只要求在相应的排放限制区域内（英吉利海峡、英国北海、波罗的海等）实施，但世界上主要的工业大国和航运大国为了保护本地的海洋环境及改善大气质量，都在努力争取将本国或本地区的海域设为排放限制区。因此，为了确保所属船舶能够在排放受限区域内航行，必须采取一定的技术措施降低柴油机废气排放中氮氧化物的指标，使其符合Tier Ⅲ的排放要求。
目前降低柴油机废气中NOx 含量的措施，主要有以下几种（见图1）：
（1）改进船舶动力系统的排放技术，主要是改进柴油机的工作过程（如：优化进、排气过程及供油燃烧过程或结构参数的优化）；
（2）采用废气再循环(EGR)技术，或联合使用进气加湿法等多种技术；
（3）对排放的废气进行处理，如采用具有选择性催化转化信息技术（SCR）;
（4）采用污染较少的燃料代替传统的污染高的燃料，如使用液化天然气作为燃料；
（5）采用乳化油（FWE）；
（6）采用进气加湿（HAM）。
从图1 中可以看到：采用SCR 系统及新型燃料天然气，可以把废气中NOx的含量降低80%甚至更多；
如果利用天然气做燃料，则需要改造船用柴油机，增加燃气系统及储存燃气的储气罐，资金投入及工作量大、时间长；
而如果仅是增加SCR 系统的话，则不需要投入那么多的资金及改造时间，所以对旧船来说，采用SCR 系统是达到Tier Ⅲ排放要求的比较合适的选择。
图1 NOx 排放的技术措施对比
目前我司建造的某型系列船上，主机、发电机均通过采用SCR 来降低废气中的NOx 的排放，该技术已得到广泛应用。
3.1 SCR 系统原理
选择性催化转化法（简称为SCR），是一种废气再处理方法，采用此种方法能够有效降低废气中氮氧化物的含量。利用SCR 来处理排出的烟气，是目前有效的、比较成熟的技术，能够满足Tier Ⅲ的排放要求。
在SCR 中进行的化学物质反应过程如下：
在SCR 系统中发生的化学和物理反应有：尿素的水解和热解气相化学反应，尿素溶液的喷射、雾化、蒸发、以及废气中的氮氧化物在反应器中催化剂表面与NH3 发生的催化表面化学反应。在合适的温度下（通常为300 ℃～400 ℃的温度下），以氨气或尿素作为还原剂，将排放的烟气中的氮氧化物还原为无毒的氮气和水,以达到减少废气中氮氧化物排放的目的。
3.2 SCR 系统组成
SCR 系统组成：反应器、AIG、混合加药装置、吹灰装置、鼓风机、燃烧单元、分解单元、NOx 分析仪。图2 为系统组成图。
图2 SCR 系统组成图
（1）反应器
是SCR 系统的主要部件，氮氧化物的主要化学反应都是在反应器内发生。反应器主要由外部壳体和内部的催化剂模块组成；
（2）氨气喷射格栅（AIG）
尿素溶液通过AIG 喷出后呈细水雾状，与废气结合后蒸发，并经静态混合器充分混合后进入反应器进行化学反应；
（3）混合加药装置
混合加药装置是多功能单元，它可以为尿素提供预加热，通过AIG 把尿素溶液雾化成细水雾喷入到废气中，尿素溶液在混合管内通过蒸得到氨气；
静态混合器起到了使还原剂与烟气充分混合的作用，从而使还原剂均匀的流向催化器；
（4）吹灰装置
设备使用久了大量的烟气颗粒和灰尘会沉积在催化剂模块上，影响系统的反应效果，需要使用压缩空气等吹除沉积在催化剂模块上的颗粒状杂质及灰尘，以利于SCR 系统能够有效、持续的工作，防止催化模块被堵塞造成排气背压增大，降低系统催化的效率；
（5）鼓风机、燃烧单元
船舶在靠港或离港时，主机负荷及排出温度较低，为改善SCR 的工作效率，需将排出的较低温度的废气加热到适宜的温度，鼓风机的作用就是将主机排出的废气通过旁通运输到燃烧单元处，经燃烧单元加热使其达到反应所需的最佳温度；
（6）分解单元
在分解单元中，溶液状的尿素被加热、分解成氨气，经AIG 被喷入反应器；
（7）NOx 分析仪
可以对排放的烟气进行检测，分为固定式和移动式。
3.3 SCR 系统工作原理
（1）主机排出的废气经鼓风机后进入燃烧单元加热至400 ℃左右，之后进入分解单元。根据主机负荷的变化，适量的尿素经尿素泵输送至分解单元，在分解单元中，溶液状的尿素经加热后分解成氨气，经增压至10 bar 左右，与加热后的主机废气一起输送至分解单元的喷嘴处，经AIG 后与主机废气喷到静态混合器进行充分的混合后进入反应器进行化学反应，生成氮气、水等无污染物质。
（2）在使用过程中，特别要注意废气的温度，不同的废气温度会使反应效率有很大的区别：对于大多数SCR 催化剂，最佳温度范围为250 ℃～425 ℃，NOx的脱除率会随着温度上升到370 ℃～-400℃达到最大值；
当温度高于400 ℃时，还原剂有可能会被烧掉而不能与一氧化氮、二氧化氮反应；
如果温度太低，则反应速度会降低，并且会使其中的硫酸铵凝结造成催化剂被损坏；
随着烟气温度接近最佳值时，反应速率上升，较少催化剂体积就可以达到相同的NOx 脱除率。当烟气温度从320 ℃上升到最佳反应温度370 ℃～400℃时会使需要的催化剂体积下降约40%，催化剂体积的下降也导致催化剂系统投资成本的大幅下降。
（3）在整个SCR 系统工作中，需要关注催化剂和尿素的质量，这两者关系着反应的最终效果。若催化剂选型不当或者尿素质量不符合要求，则处理后的烟气中的NOx 等含量将达不到要求。下面介绍催化剂和尿素的选型及保养要求：
① 目前广泛使用的催化剂型式，主要有波纹板式、板式、蜂窝式，如图3 所示。
图3 催化剂的样式
② 各种催化剂因其结构不同，适用范围也不相同。表1 为三种不同类型的催化剂的特点及应用范围。
表1 三种催化剂的特点及适用范围
因为蜂窝式催化剂具有体积小、活性高以及表面积大等优点，目前船上主机、发电机所使用的催化剂均为蜂窝式。
在使用过程中要特别注意催化剂的失活现象（活性下降），表现在如下几个方面：
① 中毒
排放的废气中有一些成分会对催化剂产生中毒作用，催化剂失活的主要原因是催化剂中毒所造成的；
导致催化剂中毒的成分有Pb、Mg、Na、K、As、Hg 和Ca 等物质及其氧化物以及HCl、HF 等。这些成分会渗透到催化剂模块小孔的活性位上，并与其发生不可逆的结合，从而导致催化剂活性下降；
② 热烧结
SCR 系统工作时，反应器内持续的高温环境会减少催化剂模块的使用寿命，产生烧结现象。烧结的产生，是由于反应器内持续的高温使得催化剂上存在的孔的结构发生永久改变，从而使得催化剂活性发生不可逆的降低的现象；
催化剂模块的热烧结的程度，取决于催化剂的结构与组成。使用的催化剂的载体材料越合理，则催化剂模块可以更耐热烧结，从而使催化剂的寿命得以延长；
③ 表面掩蔽、阻塞及粘污
排放的废气中的硫酸铵盐、飞灰及其他的颗粒物会堵塞、遮蔽催化剂的表面和加剧催化剂的不正常磨损。若催化剂的表面和空洞被灰尘或其他颗粒物堆积，则会导致氮氧化物还原反应的活性位的数量下降，使催化剂的压降上升；
④ 磨损
排放的废气中的通常伴随有颗粒物，颗粒物在较大的内部气流的冲击下会加速催化剂的磨损，因此在制造催化剂时，若在催化剂上使用比较坚硬导流角或者增加催化剂强度，则可以使得催化剂更耐磨损，延长其使用寿命；
⑤ 老化
催化剂的化学及物理特性会随着时间的推移而发生变化，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 系统的无效工作。不同含量的尿素在不同的环境温度下，其保存周期是不同的。
以某型船上安装的SCR 系统实际试验过程为例，对比采用SCR 前后废气中的NOx 的含量的处理效果：
（1）试验程序按照柴油机100%、75%、50%、25%四挡负荷，每档负荷工况稳定运行10 分钟后，分别测量SCR 运行前NOx 的含量，检查SCR 对于烟气中的NOx 的含量的不同来验证其处理效果。此次试验使用移动式NOx 分析仪对烟气中的NOx 含量进行分析。柴油机排气管上预留了分析仪的接口，试验时按各档负载接入分析仪，读取数据并进行记录。
（2）测试记录数据可以看出：柴油机在运行SCR前，四挡负荷下测得的烟气中的NOx 浓度分别为734 ppm、727 ppm、800 ppm、675 ppm。根据排放要求，Tier Ⅲ的氮氧化物排放量的限量值约为Tier Ⅰ标准的20%，即排放的NOX 浓度降低到原来浓度的80%即符合要求；
从测试数据中得知，运行SCR 后NOx 的含量分别下降至145 ppm、128 ppm、149 ppm、135 ppm,与原数值相比约减少了80%左右。
本文根据某型船实际应用的SCR 系统，简单介绍了系统的组成及各组分的大致功能，并通过在建船舶上的设备实际试验进行验证，SCR 对柴油机废气中NOx 含量排放的减小，证明了SCR 的工作的有效性，满足Tier Ⅲ的排放要求。
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