6DK柴油机加装SCR后处理排放测试分析文献综述
2020-04-15 20:39:16
1.1研究背景
内燃机排放污染已成为国际公认的一大公害，国内外相继制定了内燃机排放污染的法规，且随着对环境保护意识的不断加强，内燃机排放法规也越来越严格。柴油机排放氮氧化物种类【1】大部分是一氧化氮（NO），也有小部分是二氧化氮（NO2），可用 NOx 表示，内燃机排气中，NO2的浓度比NO低得多，大约为 5%左右，NO 为无色气体，具有中等毒性，同时其在紫外线的照射下会发生氧化反应形成褐色且有刺激气味的 NO2，NO2在人体内会与水结合形成硝酸，也是引起气喘、咳嗽，甚至肺气肿的重要原因。氮氧化物作为内燃机排放污染物之一，对环境的危害极大，它既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗臭氧的重要因子。研究表明，酸雨对土壤、水体、森林、建筑等带来的危害十分严重，不仅造成巨大经济损失，更危及人类生存和发展；光化学烟雾严重危害人和动物的健康，严重影响植物生长，对建筑材料破坏极强……臭氧层作为人类的保护膜，其重要性尤为明显。因此，内燃机污染物排放引起了世界各国的极大关注。
国际海协（IMO）制定了MARPOL 73/78 公约【2】作为船舶发动机排放法规，并通过了MARPOL 73/78 公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》用于限制船舶的排放污染，该附则第3章条例13规定了船舶柴油机氮氧化物的排放限制值。该条例适用于2000年1月1日后建造和经过重大改装的安装于船舶上的功率超过130KW的柴油机。2000年1月1日以后安装的新主机氮氧化物排放按时间分3个等级（见表1）：
表1柴油机NOx排放限制值【3】
| 额定转速 | NOx限制值/【g/（KW#8729;h）】 | ||
| Tier I | Tier II | Tier III | |
| ≤130 | 17.0 | 14.4 | 3.4 |
| 130～1999 | 45n-0.2 | 44n-0.23 | 9n-0.2 |
| ≥2000 | 9.8 | 7.66 | 1.96 |
为了满足船舶柴油机氮氧化物排放标准，各船舶柴油机制造厂商使劲浑身解数，不断通过技术革新和科技创新来控制氮氧化物的排放。国际法规对于船舶柴油机氮氧化物排放的要求只会越来越严格，这就要求船舶柴油机技术发展必须考虑如何降低氮氧化物的产生以及如何减轻氮氧化物的排放以适应船舶发展的大趋势。SCR（选择性催化还原）技术【4～5】目前成为一项优良的NOx减排技术，受到国际上的广泛关注和研究，并取得了成果，对船用SCR系统性能的提升和NOx的减排具有重要意义。
1.2国内外的研究现状
1.2.1SCR系统【6】
（1）SCR原理
SCR 是“SelectiveCatalyticReduction”的缩写，即选择性催化还原，其原理就是在含有氮氧化物 NOx 的尾气中喷入氨气、尿素或者其它含氮化合物，和尾气中的 NOx 进行催化还原反应，生成无毒无污染的氮气和水。还原反应在较低的温度范围（315 ℃～ 400 ℃）内进行，利用还原剂（氨气、尿素溶液等）有选择性地与 NOx 在催化剂涂层上进行催化还原反应，故称之为选择性催化还原。
（2）SCR系统组成
SCR 系统主要由尿素供给与喷射装置、混合器、反应器、吹灰系统、主机控制系统等组成。SCR 系统目前主要有两种型式：一种是高温高压 SCR 系统，即反应器和混合器布置在增压器前；一种是低温低压SCR 系统，即反应器和混合器布置在增压器后。
（3）SCR系统优缺点
SCR 最大的优点是可以减少柴油机 80% ～ 95% 的氮氧化物排放，是目前效率较高的达到 Tier III 排放标准的控制技术。使用 SCR 系统不必对柴油机做较大的改动，发动机耐久性好、燃油经济性好、对燃油油品和机油品质要求较低且不会增加油耗和黑烟的排放，这也是 SCR 技术被普遍看好的原因。
然而 SCR 在应用过程中也存在一些问题，具体表现在系统的初装成本高、尺寸大，在船舶有限的空间内布置较为困难。此外，还原剂和催化剂的消耗也是潜在的投入成本。
1.2.2国外研究现状
关于NOx减排技术，国外在这方面的研究进行得较早，且取得了大量研究成果，其中备受关注的一项技术是掺水技术，其原理是在燃料中掺水，利用水来降低燃烧的最高温度，从而实现NOx的减排。掺水技术主要有：进气空气增湿技术、乳化技术和燃油直接喷水技术【7】。YarongBai等【8】通过制备一系列镶嵌在多碳孔（CoOx@ PC-T）中的Co3O4纳米粒子作为催化剂在低温下用NH3选择性催化还原NOx。实验表明，CoOx@PC-800显示出最高的NOx转化效率，归因于其较高的Co3 /Co2 比例和较大的比面积。Magnusson【9】在研究中指出船用 SCR 系统已经达到了一定的技术成熟度，是一种高效的NOx 减排技术，该技术可以满足MARPOL 73/78 公约附则第3章条例13 Tier III的排放要求，甚至于能满足未来更加严苛的氮氧化物排放法规。近些年来，SCR技术日趋成熟，俨然成为国际上控制NOx排放的主要减排技术，且在船舶、汽车等领域的氮氧化物排放中得到了广泛应用。Konstandopoulos【10】进行了船用柴油机 SCR 催化剂的研究，提出一系列相关的燃料质量和排气条件。Kamble等【11】研究了基于V2O5/TiO2作为选择性催化还原（SCR）催化剂的开发，在最佳条件下合成的催化剂NOx转化率大于97%,而且使用O2作为载气可以增强SCR系统性能。总之，在日趋严苛的排放法规下，创新氮氧化物（NOx）减排技术和控制策略势在必行。
1.2.3国内研究现状
关于NOx减排技术，国内的研究晚于国外，国内学界对这一方面的研究源于MARPOL 73/78 公约提出。为保证符合氮氧化物的排放标准，各海事局、中国船级社、大连理工大学、武汉理工大学等高校都投入到排放法规和NOx的减排研究之中，并取得优秀成果。王国仰等【12～13】对重型柴油车尿素SCR系统及其控制策略进行了研究，并提出了DeNOx系统催化器集成方案。研究结果表明：SCR系统面临以下问题：模型非线性问题、多时间尺度耦合控制问题、商业传感器测量问题；研究结果还表明闭环控制系统的NOx转化效率比开环控制系统高。孟海斌【14】对重型柴油机箱式SCR催化反应器结构设计与性能进行了研究和改进，经设计和改进后的箱体不仅能满足声学开发目标，还能有效减少传递计算损失。汪立志等【15】对船用柴油机选择性催化还原(SCR)系统关键技术进行了研究，提出了详细的船用SCR系统设计、试验、检验方案和建议，对船用柴油机SCR系统的理解和应用具有重要的借鉴意义。
减少NOx排放的各种方法中SCR方法的主要优点在于NOx转化效率高，可将废气中的NOx大部分降低，目前已经开始投入大规模的研究和应用，但因其安装尺寸较大，因此对SCR系统结构进行优化设计又向世界各国发起了挑战，此外，SCR
还存在一系列其它问题也需要解决。
2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1基本内容
了解柴油机污染排放的特性，分析排放产生的原因，了解NOx排放污染物的产生机理和影响因素；熟悉《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则修正案》（2008年NOx技术规范）；了解SCR技术的应用及原理；熟悉船用柴油机排放测试规范，完成试验计算分析。
查阅文献，查找英文翻译原文和参考文献，对排放法规进行学习，并对测试机器进行了解和学习，然后做台架试验对某台机器进行测试。
要求完成的主要任务:
（1）理解NOx排放污染物的产生机理和影响因素，了解柴油机台架试验要求，了解SCR应用技术及原理；
（2）熟知《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则修正案》（2008年NOx技术规范）；
（3）针对某台发动机实验数据，分析计算；
（4）完成英译汉（5000字符），完成论文书写；
（5）15篇参考文献（包括英文至少三篇）及其摘要（250～300字）。
2.3目标
（1）熟悉NOx排放法规；
（2）依照法规对某一台机器进行测试；
（3）编写气态排放物的计算程序，进行计算分析后对机器进行评估。
[1]李矗.船舶柴油机氮氧化物SCR技术研究[D].大连理工大学,2017.
[2]周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制 [M] .北京：北京航空航天大学出版社，2010.7
[3]赵挺,张海冲,翟徐昌,刘宇.船用柴油机尾气处理技术比较[J].内燃机与配件,2018(23):231-232.
[4]张肖肖.富氧条件下氢气选择催化还原汽车尾气氮氧化物的研究进展[J/OL].化工进展:1-11[2019-03-10].1000-6613.2018-0720.
[5] 王俊凯,张学军.Ce基催化剂选择性催化还原NOx的研究进展[J].石化技术,2018,25(11):263.
[6]曹艳东.船舶柴油机排放控制SCR技术探讨[J].广东造船,2018,37(01):45-47.
[7] Mohsin M，Meribout M. Oil-water de-emulsification using ultrasonic technology[J].Ultrasonics Sonochemistry，2015，22：573-579.
[8]Yarong Bai,Junping Dong,YaqinHou,Yaoping Guo,Yongjin Liu,Yulin Li,Xiaojin Han,Zhanggen Huang. Co3O4@PCderived from ZIF-67 as an efficient catalyst for the Selective CatalyticReduction of NOx with NH3 at low temperature[J]. ChemicalEngineering Journal,2018.
[9] Magnusson M. NOx Abatement Techniquefor Marine Diesel Engines - Improved Marine SCR Systems[J]. 2014.
[10] Konstandopoulos A G， Zarvalis D， Chasapidis L， et al. Investigation of SCRCatalysts for Marine Diesel Applications[J]. 2017.
[11]Kamble,Unnikrishnan,Khot,Ananthanarayanan,Banerjee,Gopalakrishnan,Shah,Agarwal.Development of De-NOx selective catalytic reduction catalyst using V2O5/TiO2 supported on a ceramic filter candle[J]. International Journal of EnvironmentalStudies,2019,76(2).
[12]王国仰,张俊,祁金柱,刘世宇,肖建华,帅石金.重型柴油车尿素SCR系统及其控制策略研究进展[J].内燃机工程,2018,39(06):1-10.
[13]欧顺华. 船舶柴油机SCR尿素喷射电控系统研发[D].集美大学,2018.
[14]孟海斌. 重型柴油机箱式SCR催化反应器结构设计与性能改进[D].大连理工大学,2017.
[15]汪立志,张凌,史红军,王民,温苗苗.船用柴油机选择性催化还原(SCR)系统关键技术[J].船舶工程,2017,39(S1):260-265.
1.1研究背景
内燃机排放污染已成为国际公认的一大公害，国内外相继制定了内燃机排放污染的法规，且随着对环境保护意识的不断加强，内燃机排放法规也越来越严格。柴油机排放氮氧化物种类【1】大部分是一氧化氮（NO），也有小部分是二氧化氮（NO2），可用 NOx 表示，内燃机排气中，NO2的浓度比NO低得多，大约为 5%左右，NO 为无色气体，具有中等毒性，同时其在紫外线的照射下会发生氧化反应形成褐色且有刺激气味的 NO2，NO2在人体内会与水结合形成硝酸，也是引起气喘、咳嗽，甚至肺气肿的重要原因。氮氧化物作为内燃机排放污染物之一，对环境的危害极大，它既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗臭氧的重要因子。研究表明，酸雨对土壤、水体、森林、建筑等带来的危害十分严重，不仅造成巨大经济损失，更危及人类生存和发展；光化学烟雾严重危害人和动物的健康，严重影响植物生长，对建筑材料破坏极强……臭氧层作为人类的保护膜，其重要性尤为明显。因此，内燃机污染物排放引起了世界各国的极大关注。
国际海协（IMO）制定了MARPOL 73/78 公约【2】作为船舶发动机排放法规，并通过了MARPOL 73/78 公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》用于限制船舶的排放污染，该附则第3章条例13规定了船舶柴油机氮氧化物的排放限制值。该条例适用于2000年1月1日后建造和经过重大改装的安装于船舶上的功率超过130KW的柴油机。2000年1月1日以后安装的新主机氮氧化物排放按时间分3个等级（见表1）：
表1柴油机NOx排放限制值【3】
