船舶尾气非硫主要污染物脱除技术分析与设计.pdf

传源南环境污染防治技术ISSN1672-9064CN35-1272/TK船舶尾气非硫主要污染物脱除技术分析与设计张力（浙江天地环保科技股份有限公司浙江杭州310 0 0 3)摘要船舶尾气污染物排放受到了越来越多的关注，我国对于船舶尾气氮氧化物（NOx）、颗粒物(PM)、碳氢化合物(HC)和CO等非硫主要污染物的排放要求也日趋严格。尾气后处理净化技术是对现有船舶较为有效的达标改造方式。该文对船舶尾气净化技术进行了技术分析，介绍了氧化催化剂（DOC)、颗粒捕集器(DPF)和选择性催化还原脱硝(SCR)3种针对不同污染物的净化技术，并对非硫主要污染物脱除系统的工艺布置以及催化剂选型提出了建议，并设计了1套DOC+催化型DPF(CDPF)+SCR工艺的船舶尾气非硫主要污染协同脱除装置。关键词船舶尾气DOCDPFSCR催化剂选型中图分类号：X701污染物协同脱除文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-10 2-0 31船舶大气污染物排放情况随着经济建设的快速增长，我国航运行业的不断发展，船舶运输带来的环境污染问题也日益突出。根据2 0 2 0 年交通运输行业发展统计公报，我国拥有运输船舶12.6 8 万艘，其中包括内河运输船舶11.5万艘，沿海运输船舶10 352 艘，远洋运输船舶1 499艘1。船舶排放的硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和颗粒物(PM)分别占全球排放总量的4%9%、15%、2.8%7.3%，其中我国船舶排放的SOx、NO x 和PM分别占全球总排放量的13.15%、14.2 5%2 6.7 1%2 。2 0 19 年，船舶排放的碳氢化合物(HC)、氮氧化物（NOx）颗粒物(PM)分别为8.6 1万t139.11万t、5.81 万 t3-4。国际海事组织IMO在MARPOL公约的附则VI防止船舶造成空气污染规则就对船舶排放的SOx、NO x、PM 污染物排放等进行了限制。2 0 16 年原环境保护部发布了针对船舶发动机排放的标准：船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法中国第一、第二阶段（CB15097一2 0 16)，要求内河船、沿海船、江海直达船、海峡（渡)船和渔业船舶装用的第1类和第2类船机（额定净功率 37 kW）排气污染物中CO、H C+NO x、PM排放按阶段满足规定要求。2 0 18 年交通运输部发布了船舶大气污染物排放控制区实施方案，要求2 0 2 2 年前排放控制区内的船舶燃油硫含量不得高于0.5%,NOx排放根据发动机额定转速不同执行相应的国际海事组织(IMO)Tier标准。目前，我国针对内河、沿海运输的船舶排放要求仍低于国际最高标准，还将继续加强管控。船舶大多使用柴油或重油作为燃料，运行时会排放大量的大气污染物。改用清洁燃料（如液化天然气）虽然可以显著减少各种污染物的排放，但现运行的船舶动力系统大多以燃油作为燃料而设计的，改用液化天然气需要对船舶进行大范围的改造，更适用于新建船舶。收稿日期：2 0 2 3-0 2-17作者简介：张力（1990 一），男，研究生，硕士，工程师，从事环保领域的设计与研发工作。随着国内逐步实行车用柴油、普通柴油和部分船舶用油的“三油并轨”，柴油的品质显著提高，大幅度降低了船舶尾气中SOx的排放。但由于船舶柴油机运行条件恶劣，负荷大，工况变化剧烈,NOx、PM、H C和CO等污染物排放的形势依然严峻，难以满足现行排放法规的要求。针对船舶尾气主要污染物NOx、PM、C O 和HC的排放控制情况，尾气后处理净化技术可以高效、经济、耐久的控制船舶尾气非硫污染物排放。2船舶尾气非硫污染物后处理技术船舶柴油机排放的CO和HC主要来自燃料的不完全燃烧。CO和HC的排放控制，主要采用氧化催化剂(Diesel Oxi-dationCatalyst,DOC)，将尾气中的CO、H C 以及可溶性挥发物氧化转化成H,O和CO2。D O C 主要以Al,O,和铈锆固溶体为载体，以Pd/Pt等贵金属为活性组分。高性能DOC的研发主要在于提高贵金属的分散性能以增强催化剂的活性，在降低贵金属用量的同时保证催化剂的稳定性。目前船用燃料油质量差、硫组分含量高，因此船舶尾气中PM排放量要明显高于柴油车。PM排放控制，主要采用颗粒捕集器（Diesel ParticulateFilter,DPF）。D PF为壁流式结构，当尾气通过DPF时，PM在通道壁面上被过滤捕集，从而达到减排的目的。DPF可有效过滤尾气中的碳烟颗粒，碳烟颗粒的累积会造成排气背压升高，导致油耗增加、动力损失和排放恶化等问题。采用催化型DPF(即CDPF)可在催化剂的作用下降低碳烟颗粒的燃烧温度，实现催化剂的连续被动再生。船舶柴油机使用的燃料油中氮含量不高，尾气中的NOx主要是热力型NOx，由空气中N2在高温条件下氧化生成，而燃料型NOx排放量较少。NOx排放控制，主要采用的是选择性催化还原脱硝技术（SelectiveCatalyticReduction,SCR)。在催化剂作用下，利用尿素分解产生的氨将尾气中的NOx还原成N2，从而降低NOx排放。目前柴油机尾气脱硝主要采用钒钨钛(V-W/TiO2)的SCR催化剂,该催化剂在船舶尾气低硫、温度波2023.NO.4.102传源卤环境污染防治技术动较大的条件下能保持优异的催化活性以及稳定性。NOx与烟尘的含量也随着排气背压的增加而升高。因此,单从3船舶尾气净化工艺选型设计柴油机本体考虑，净化装置对背压的影响越低越好。对于同一针对船舶尾气非硫主要污染物的净化技术主要将DOC、催化剂，选择低空速可以降低其对背压的影响。但低空速需要DPF、SC R 3种技术进行结合，达到多种污染物协同控制的目使用更多的催化剂，这又增加了催化剂的成本以及对加装净的。由于船舶尾气排放量较大且污染物浓度也高于车用柴油化装置改造的空间有了更大要求。有研究者对柴油机排气背机，该技术在船舶柴油机的使用尚在试验阶段。为了实现更好压对油耗的影响做了实验,对无废气再循环(EGR)的柴油机油的净化效果，需进一步对净化系统工艺、反应器结构和控制策耗随背压增加而增加，且呈现较好的线性关系；对于有ECR的略等进行优化，达到低压降、低能耗、高稳定性等目标。柴油机，在低背压段，背压对油耗的增加的影响较小，在高背柴油机尾气非硫主要污染物净化装置一般可采用DOC+压段，油耗受背压增加的影响急剧增大13。因此，净化装置在DPF+SCR、D PF+SC R+D O C、SC R+D O C+D PF等布置。不同的设设计时需同时考虑脱除效率以及其对背压的影响。备布置方式具有各自的优势,DOC前置可以在脱除CO、H C的催化剂空速选型与其孔密度、涂覆成分及质量等因素有同时将部分NO氧化为NO2,从而促进DPF的被动再生，降低关。采用高孔密度的催化剂有利于提高净化的效率和处理量，DPF主动再生频率5-6 ,同时也增加SCR系统中快速SCR反应可以缩小反应器的体积。如采用高孔密度的催化剂,DOC催化比例进而提升NOx转化效率7 。但NO,含量的升高也存在增剂处理空速达到8 0 0 0 0 h-时，其CO脱除效率仍可达90%；加SCR系统N2O排放水平的风险。将DPF系统前置可以首先DPF的处理空速达到30 0 0 0 h-,其PM脱除效率仍可达95%；脱除烟气中的PM从而减轻后续SCR系统积灰堵塞问题，减SCR催化剂的处理空速则可达2 0 0 0 0 h-,其脱硝效率仍可达少吹灰频率。在柴油机启动和低负荷运行等排烟温度较低的80%。但高孔密度催化剂也增加了催化剂的成本以及对排气背工况时，将SCR系统前置，通过将装置靠近柴油机出口安装可压的影响，船舶的设备安装空间与车辆相比相对宽裕，因此在以减少热损并且提高进人SCR系统的烟气温度，从而提高催化剂选型上可以选择低于车用催化剂的孔密度以降低改造NOx的转化效率；但当排烟温度到达一定温度后,DOC与DPF和运行成本，同时催化剂的孔密度应高于固定源的净化装置。氧化CO与HC时放热量将大于系统热损失量，SCR系统后置针对大部分船用柴油机，当NOx脱除效率达到7 0%以上、PM更有利于脱硝8 。的脱除效率达到9 5%以上、CO的脱除效率达到50%以上时，目前，车用柴油机净化装置布置多采用DOC+DPF+SCR，其污染物排放均能满足船舶发动机排气污染物排放限值及针对船舶柴油机尾气污染物净化的研究也多采用DOC+DPF+测量方法（中国第一、第二阶段）(GB15097一2 0 16)要求。因SCR工艺路线，通过对SCR催化剂的优化来解决N2O排放与此,综合考虑脱除效率、背压等问题,船用柴油机DOC系统的低温时脱硝效率不足的问题。提高钒基催化剂低温区域的活空速设计一般为2 0 0 0 0 8 0 0 0 0 h-,DPF系统的空速设计一性以及降低铜基分子筛催化剂N2O的转化率都能有效解决这般为10 0 0 0 30 0 0 0 h-,SCR系统的空速设计一般为50 0 0 些问题9。另外船舶尾气中SO,浓度较高，分子筛催化剂抗硫15000h-。所选催化剂的孔密度宜控制在10 0 2 0 0 目，整个净能力差,因此钒基催化剂更适合用于船舶尾气控制10 。化装置的阻力不宜超过2 0 0 0 Pa。加装净化装置在脱除污染物的同时，也增加了柴油机的4船舶尾气非硫污染物协同脱除系统排气背压,DPF因其壁流式结构对排气背压的增加的影响尤为使船舶尾气中的污染物排放达到标准，在船舶发动机为显著。排气背压的增加对柴油机油耗、污染物排放、排气温排气管道加装非硫污染物协同脱除系统（DOC+CDPF+SCR）是度各项性能均有负面影响1-12 。虽然排烟温度升高有利于SCR较为经济可行的方式，其工艺流程见图1。反应器脱硝效率的提升以及DPF催化剂的被动再生，但其船舶尾气非硫污染物协同脱除系统，主要包括催化氧化81SSN1672-9064CN35-1272/TK尿素溶液储罐9M10PIR101134TIR)(TIR1012675(PIR)(NOXNO柴油发动机1-催化氧化反应器；2-DOC催化剂；3-颗粒物过滤反应器；4-CDPF催化剂；5-氨空气混合器；6-脱硝反应器；7-SCR催化剂；8-尿素溶液储罐；9-喷氨装置；10-压力传感器；11-温度传感器；12-NOx传感器。图1船舶尾气非硫污染物协同脱除系统工艺流程图2023.NO.4.103传源南环境污染防治技术1SSN1672-9064CN35-1272/TK反应器、DOC催化剂、颗粒物过滤反应器、CDPF催化剂、氨空气混合器、脱硝反应器、SCR催化剂、喷氨装置、尿素溶液储罐、压力传感器、温度传感器、NOx传感器等设备。该系统可采用嵌入式控制系统、PLC系统、DCS系统等进行控制。烟气首先进入催化氧化反应器，反应器中烟气流速宜控制在2 6 m/s，烟气中的CO与HC等污染物在DOC催化剂的作用下催化氧化脱除。之后烟气进人颗粒物过滤反应器，反应器中烟气流速宜控制在1 4m/s，烟气中的碳烟颗粒经CDPF催化剂过滤脱除，同时碳烟颗粒可在催化剂的作用下燃烧分解，根据烟气情况反应器中可加装催化剂主动再生装置。随后烟气进入氨空气混合器，氨空气混合器内烟气停留时间不宜低于0.5s，氨空气混合器内设置扰流装置使尿素溶液雾滴与烟气充分混合并分解。尿素溶液通过喷氨装置喷人氨空气混合器中，与热烟气混合并受热分解，混合后的含氨烟气进脱硝反应器中，经过SCR催化剂时烟气中的氮氧化物与氨反应，实现烟气脱硝。反应器中烟气流速宜控制在1 3m/s，SCR催化剂前可设多孔板以保证流场均匀，根据烟气情况反应器中可加装吹灰装置。船舶尾气非硫污染物协同脱除系统在设计时需充分考虑到船舶内部空间紧凑的问题，烟气处理装置应采用简洁的工艺，各设备结构应便于安装与维护。笔者在10 0 0 kW柴油机排气管抽取部分烟气并加装1套船舶尾气非硫污染物协同脱除系统。设备运行情况见表1，CO脱除效率达到9 1%,NOx脱除效率达到8 7%,PM脱除效率达到96%，烟气排放指标能够满足规范要求。表1船舶尾气非硫污染物协同脱除试验序号项目1入口烟气温度/2人口CO浓度/3出口CO浓度/（mg/Nm）4人口NO,浓度/(mg/Nm)5出口NO,浓度/(mg/Nm）6人口光吸收系数/m-17出口光吸收系数/m-18CO脱除效率/%9NO,脱除效率/%10PM脱除效率/%5结语我国针对船舶的大气污染物排放控制正在逐步严格，针对已运行的船舶，尾气末端处理技术是较为可行的船舶尾气控制方案。船舶柴油机尾气污染物控制宜采用DOC+CDPF+SCR工艺路线，催化剂选型时需兼顾脱除效率以及背压的影响。船舶尾气非硫污染物脱除系统设计时需充分考虑船舶空间布置，便于设备的安装与维护。参考文献1交通运输部.2 0 2 0 年交通运输行业发展统计公报R/OL.(2021-05-19)2023-02-17.http:/ 0 2 0(10)：94-97.3生态环境部.中国移动源环境管理年报(2 0 2 0)R/OL.(2020-08-10)2023-02-17.https:/ 0 14:10 8.5ZHONC C,CONG J K,WANG S L,et al.NO2 catalytic formation,consumption,and efflux in various types of diesel 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