Tier III 排放控制方法   （EGR与SCR简介）

Tier III 排放控制方法   （EGR与SCR简介）

朱庆荣 张金宝

江南造船（集团）有限责任公司

江南造船（集团）有限责任公司 

一、简介

根据MARPOL Annex VI，2016年1月1日及以后建造（即入坞或上船台）的船舶，在氮氧化物排放控制（NOx Emission Control Area）区内航行时，柴油机废气排放需满足Tier III的要求，在氮氧化物排放控制区外航行时，柴油机废气排放需满足Tier II的要求。

图1.01 氮氧化物排放控制区

图1.02 柴油机氮氧化物排放限制值

根据现有的技术，通过对柴油机本身进行升级改造，废气排放不能满足Tier III的要求，只能通过对废气处理的方法。

对船用柴油机废气进行处理，使排放能够达到Tier III的要求，主要有两种方法，

1)废气再循环（Exhaust Gas Recirculation），简称EGR；

2)选择性催化降解（Selective Catalytic Reduction），简称SCR，根据安装位置的不同，又分为高压（HP SCR）与低压（LP SCR）两种形式。

图1.03 EGR

图1.04 HP SCR

图1.04 LP SCR

以上的两种后处理方式，EGR与SCR都是基于燃油的硫含量≤0.1%的情况，因为氮化物排放控制区（NOx ECA）与硫化物排放控制区（SOx ECA）重合。

图1.04硫化物排放控制区（SOx ECA）

对于燃油的硫含量>0.1%的情况，需对废气进行脱硫处理，系统将会变得极其复杂，在本文中不做讨论。

二、废气再循环（EGR）与选择性催化降解（SCR）工作原理

1. EGR

1.1EGR工作原理

船用柴油机废气中所含氮氧化物热力型氮氧化物，即在燃烧过程中空气中的氮气与氧气发生反应，氮氧化物的生成随着燃烧温度升高而增加。反应式如下：

N2 + O2  →  2NO

NO + O2 →  NO2

从废气集管出来的废气，一部分经过清洗和冷却，进入扫气集气箱。扫气空气中的部分氧气被置换成二氧化碳。氧气含量降低，扫气空气的热容增大，从而降低了燃烧温度，减少了氮氧化物（简称NOx）的生成。NOx的减少量与废气循环量几乎为线性关系。

图2.01 EGR系统图

循环废气经过预喷淋装置，初步冷却与清洁，然后进入EGR单元。在EGR单元中，先经过喷淋，进一步冷却与清洁，再进入冷却器，然后通过汽水分离器，由EGR鼓风机送出与增压空气混合后，进入扫气集气箱。

图2.02 EGR单元

由于循环废气中含有硫，喷淋冷却后由于温度降低，会析出形成酸，因此，EGR单元及冷却器材料需为不锈钢。不锈钢不能耐受海水中氯离子的腐蚀，因此，喷淋水和冷却水必须为淡水。而淡水需循环使用，这就意味着须有一套冷却水处理系统。

1.2冷却水处理系统

为避免循环废气中的硫与固体颗粒对柴油机造成伤害，废气需利用淡水进行清洁，过程如1.1所述。

在废气清洁/冷却过程中，固体颗粒和硫会混入水中，因此，需有一套水处理系统，使淡水可循环使用。水处理系统还有另外三个作用

1)给EGR单元供水

2)处理燃烧过程中产生的水

3)水若需排舷外，保证水质可满足MEPC 259 (68).的要求

图2.03 水处理系统

来自EGR单元的水泄放到收集柜，再由循环泵供给到EGR单元。部分循环水进入水处理单元处理后由供给泵送入EGR单元。循环水中的酸被NaOH中和。燃烧过程产生的水经处理后排舷外。处理过程中产生的固体废物排入油渣舱。

若由于处理后水质不能满足排放要求或当地的排放限制，燃烧过程产生的水需排入油渣舱或单独的泄放舱。因为燃烧过程产生的水量特别大，泄放舱的容积会很大，有可能无法布置。

NaOH柜及管系设计要特别注意。NaOH溶液是腐蚀性液体，在低温下有结晶的倾向。NaOH柜材料需为不锈钢或碳钢内部特涂。50%的NaOH溶液，结晶温度为120C，30%的NaOH溶液，结晶温度为40C。

1.3EGR控制

安装在扫气集气箱的氧气含量传感器发送氧气含量到控制系统，控制系统控制EGR鼓风机的转速来调节循环废气量。

1.4EGR系统参数

1)油耗

45 ≤ Bore ≤ 70 - By pass matching

SFOC g/kWh – relative to Tier II standard engine%

2)耗电量 kW

3)NaOH消耗 l/h/MW

4)固体废物 l/h/MW

5)燃烧产生水量 l/h/MW

6)水处理单元

进: 400 l/h/MW +燃烧产生水量

出: 400 l/h/MW

7)淡水消耗

固体废物 x 1.2

8)EGR冷却水

空冷器冷却水量 x 0.45

9)EGR鼓风机滑油流量（）

0.3 m3/h/MW，min.3.6 m3/h

10)压缩空气消耗 （密封空气）

2.5 kg/h/MW，min.30kg/h

2. SCR

SCR工作原理

SCR技术是以NH3作为还原剂，在催化剂的作用下将烟气NOx还原成N2和H2O。 NH3有选择的与NOx反应，而自身不被烟气中残余的O2氧化，因此这种方法被称作选择性催化技术。

图2.04 SCR原理

化学反应如下

4NO + 4NH3 + O2  →  4N2 + 6 H2O

2NO + 2NO2 + 4NH3  →  4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2  →  3N2 + 6H2O

任何化学反应都存在适合发生反应的温度，这个适合发生反应的温度区间称为“温度窗口”。在没有催化剂的情况下，NH3对NOx的还原温度窗口为850~12000C，低于这个区间，反应速度会非常缓慢。催化剂的作用是提高反应速度，降低窗口温度。催化剂可使窗口温度降低到250~4200C。

美国Englehard于1957年申请了最早的SCR喷氨法专利。最初使用的催化剂为铂类贵金属催化剂，日本在1970年代最早开发出实用的商业催化剂-钛基V2O5催化剂。1979年，世界第一个工业规模的SCR装置在日本Kudamatsu电厂投入运行。目前SCR商用催化剂基本上都是以TiO2为基材，以V2O5为主要活性成分，以WO3，MoO3位抗氧化，抗毒化的辅助成分。

SCR的还原剂由三种类型：

1)液氨

液氨属于有毒，易爆，强刺激性，强腐蚀性物质

2)氨水

与液氨相似，但危害强度降低

3)尿素

无毒，无爆炸性，溶液有一定腐蚀性

对于船用SCR，出于安全原因，尿素溶液时唯一可行的还原剂。尿素溶液在喷入高温废气时，会产生如下化学反应：

(NH2)2CO(aq)  →  (NH2)2CO(s) + x H2O(g)

(NH2)2CO(s)  →  NH3(g) + HNCO(g)

HNCO(g) + H2O(g)  →  NH3(g) + CO2(g)

SCR处理过程中，进气温度是最重要的参数。温度下限由燃油中的硫含量决定。在低温时，废气中形成的硫酸与氨的中和反应加剧，形成一种粘性物质NH4HSO4。温度高时，这个反应可被抑制。在硫含量≤0.1%时，废气温度为3100C可完全抑制这个反应。排气压力越低，温度下限越低。

图2.05 SCR反应温度与硫含量，排气压力的关系

另一方面，排气温度也不能过高，温度达到5000C时，氨的氧化作开始发生，这样，氨的消耗量会增大。在5000C以上时，催化材料有可能会发生烧结。

温度限制范围根据催化材料的不同会有所变化。

SCR系统

1)高压SCR系统 (HP SCR)

图2.06 HP SCR 系统

在HP SCR系统中，有两个主要部件，蒸发/混合器和SCR反应器。在蒸发/混合器中，尿素溶液被注入，遇高温分解成氨，并与废气混合，混合器气体进入SCR反应器发生还原反应。

根据SCR对反应温度的要求，HP SCR系统比较适用于两冲程柴油机。根据柴油机负荷的不同，高压侧（废气涡轮前）废气温度比低压侧（废气涡轮后）高50~1750C。

当柴油机负荷很低时，排气温度会过低，这种情况下，从扫气集气箱旁通一路空气到废气涡轮进口，以提高排气温度。但同时油耗会上升。

图2.07 扫气集气箱旁通

在极低负荷的情况下，约低于15% SMCR的情况下，SCR系统将停止工作。

蒸发/混合器和SCR反应器有很大的热容量，在运行时，会造成柴油机和废气涡轮工作不稳定，辅助鼓风机需提供额外的增压空气，以使系统稳定。在Tier III模式下，若柴油机负荷低于65% SMCR，辅助鼓风机需持续运转，因此，辅助鼓风机的马达功率需为Tier II柴油机的1.5倍。

2)低压SCR系统 (LP SCR)

在HP SCR系统中，有三个主要部件，SCR反应器，AIG（ammonia injection grid）和分解单元（DCU）。DCU包括三个部分，鼓风机，加热器和蒸发器。

尿素溶液注入蒸发器形成氨蒸气，由鼓风机驱动通过AIG进入SCR反应器。当排气温度过低时，一部分废气旁通过废气涡轮进入低压侧。但同时油耗会上升。

可能形成的NH4HSO4通过DCU加热循环进行去除。

图2.08 LP SCR系统

3)SCR辅助系统

1. 尿素水供给系统和SCR吹灰系统

图2.09 尿素溶液供给系统和SCR吹灰系统

尿素溶液可储存在船上的箱柜中，溶液的浓度通常为32.5%或40%。尿素溶液有一定的的腐蚀性，储存箱柜的材料为不锈钢或内表面特涂。尿素溶液也可以用尿素颗粒与纯净水在船上制备。

尿素溶液的储存有一定的温度要求，以32.5%的尿素溶液为例，

最低储存温度不能低于-50C，其他温度的储存见下表

在使用后，需对尿素溶液喷口进行冲洗，避免堵塞。同样，应定期对SCR反应器进行吹灰清洁。

2. SCR加热系统

如前所述，蒸发/混合器和SCR反应器有很大的热容量，为使SCR系统达到反应温度，及时投入使用，SCR系统需配备加热系统。

SCR控制

通过测量废气中NOx的含量来控制氨的注入量

SCR参数

1)油耗

SFOC g/kWh HP SCR

SFOC g/kWh LP SCR

2)耗电量

5kW/MW SMCR

3)尿素溶液消耗

40% 尿素溶液 17.9g/kWh 或16.1lL/MWh