船用柴油机烟气脱硝SCR反应器设计
摘要：本文目的是设计一套适用于船用柴油机烟气脱硝SCR反应器系统，减少烟气中的NOx含量，使之排放符合IMO Tier III的排放要求。作者分别从烟气特性、反应器结构尺寸、催化剂尺寸及性能参数、反应转化率、日常维护等几个方面对SCR反应系统进行了详细的理论计算和说明，并最终设计出一套较为实用的船用柴油机脱硝系统，经试运行，可以满足排放要求。
关键词：SCR反应器；脱硝；船用柴油机
中图分类号： X511 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0249-02
Abstract：This paper aims to design a set of exhaust gas De-NOx SCR reactor system for marine diesel engine， with reduction of NOx content from flue gas and according to emission standard of IMO Tier III. The author has performed theoretical calculations and descriptions in detail for SCR reactor system from waste gas feature， reactor configuration， catalyst dimensions and its specification parameters， percent conversion of reaction， and routine maintenance， etc. and finally， designed a set of De-NOx system for marine diesel， meeting relative discharging standards through test run.
Key words：SCR reactor；De-NOx；Marine diesel engine
由于船用柴油机占据了船舶动力市场百分之九十几的份额，因此其污染也最为严重。虽然它排放物中的CO、HC比车用柴油机的低，但是氮氧化物、硫化物排放严重，2008年全球海运船舶排放的NOx和SOx分别占世界NOx和排SOx放总量的18%～30% （w/w）和9% （w/w）。可见船用柴油机有害污染物的排放造成危害已经到了不容忽视的程度[1， 2]。国际海事组织的法规中也对船用柴油机的排放有了一定的规范。2011年1月起，IMO Tier II排放控制法规在IMO所有海域内强制实施。规定NOx的排放相对于Tier I要降低16%～20% （w/w），而IMO Tier III阶段法规则要求NOx要比Tier I要降低80% （w/w）[3]。所以当前利用选择性催化还原系统（Selective Catalytic Reduction， SCR）消除或减少NOx排放已经成为国外满足Tier III排放要求的主要方案。基于国内对船用SCR设计研究较少的现状，本文作者对此进行了初探[4-5]。
设计条件
1 SCR反应器设计范围和结构参数
反应器的设计范围包括：
Ⅰ 反应器入口膨胀节（不含）；Ⅱ入口烟道；Ⅲ 带加固肋的反应器壳体；Ⅳ 烟气整流板及其支撑；Ⅴ 催化剂层及其支撑；Ⅵ 催化剂的检修维护设施；Ⅶ 反应器的支撑；Ⅷ 出口烟道；Ⅸ 反应器内部的密封设施；Ⅹ 必要的检修维护平台；Ⅺ 相关的仪器仪表；Ⅻ 反应器出口膨胀节（不含）。
所有型号进出口直管段均取87mm；-进口锥角；-出口锥角；L-反应器本体段长度，mm；H-反应器总高度，mm， H=L+H1+H2+87+87；-进口直径，mm；-出口直径，mm；H1-进口锥体段长度，mm；H2-出口锥体段长度，mm； W，D-反应器横截面边长，当为正方形时，W=D， mm；C1-支撑、安装催化剂所需要的空间高度， mm； C2-入口整流层高度及安装需要的空间高度， mm；C3-备用催化剂层后预留空间，mm；δ-反应器壁厚，mm ； hlay-催化剂模块高度，mm。
2 总体设计方案
本方案是针对所选型号船用柴油机SCR反应器进行的设计。目的是为以后系列船用SCR反应器的设计积累一些有用的经验。柴油机的出口烟气温度基本处于催化剂发挥效力的温度区间，因此，反应器布置在柴油机烟气出口之后。参照瓦锡兰≤1260KW发动机所配的A1型反应器的设计参数[7]。选用单台反应器脱硝。图1为原型机SCR反应器的结构图。反应器进口与氨空气混合段联接，出口与消音器相连。在烟气进口段，尿素汽化后与稀释空气混合，经喷射单元喷入反应器。反应器入口处设烟气均布板和不锈钢丝网，使烟气均匀进入反应器内部空间，并对催化剂进行初级保护。催化剂模块在反应器内分设3层，分别安放固定在由钢板焊接而成的三层框架上。催化剂清灰采用0.7 MPa的压缩空气。反应器选用不锈钢1Cr18Ni9Ti材料，壁外加强结构及支架温度在300 ?C以下，选用普通碳素结构钢Q235材料。
3 反应器设计计算与说明
3.1 线速、空速和面速[8]
电厂线速6 m/s的流速过快，故当烟气进入催化剂横截面时，由于通过截面的扩大，线速降为 ：
由于烟气流量不大，所以催化剂拟定为初装2层，备用1层。
3.4 反應器本体段高度L和反应器总高H
L=（N+1）（C1+hlay）+C2+C3=（2+1）×（ 300+645）+200+50=3085 mm
L-反应器的本体段高度，mm； N+1，催化剂的层数；C1-支撑、安装催化剂所需要的空间高度，取300 mm； C2-入口整流层安装高度及安装需要的空间高度，取200 mm；C3-备用催化剂层后预留空间，50 mm。
H=L+H1+H2+0.087+0.087=3085+561+330+87+87=4150 m （8）
H-反应器总高，mm； H1-反应器进口段长度=561 mm； H2-反应器出口段长度=330 mm； 进出口直管段长度=87 mm。取值参照瓦锡兰A1型尺寸取值。
3.5 SCR反应器的压力损失
指烟气由反应器进口至反应器出口之间的压力降，它会影响到整个系统的安全运行和耗电量的多少。其值大小一般为1000 Pa，参见龙源电厂SCR试验证明值≤700 Pa[10]。
4 总结与展望
经试运行，可以实现IMO Tier III达标排放。SCR反应器的开发设计主要涉及大截面空间范围内对烟气流动状态参数的研究与调控问题，大型、薄壁、大重量下平板钢结构的力学设计问题，针对高温热效应的结构设计问题以及防积灰和清灰的问题。此外，SCR反应器的设计开发还包括本体之外的支承框架设计、各种检测接口以及催化剂安装更换便利性设计。需要指出的是，就目前流行的SCR反应器的结构而言，仍存在着较大的热应力，催化剂的安装与更换也费时耗力。
参考文献
[1]庞海龙， 邓成林， 姚广涛， 等. 船用柴油机有害物排放控制技术[J]. 船舶工程， 2011， 33 （1）： 21-24.
[2]肖森， 于学兵. 船用柴油机NOx测量原理及控制分析[J]. 农业装备与车辆工程， 2014， 52 （3）： 51-54.
[3]康双琦， 谢荣， 马婷. 船用柴油机尾气排放标准及控制技术[J]. 煤炭技术， 2011， 30 （12）： 216-217.
[4]张洁， 高杉喜雄， 菊池正晃， 等. 船用柴油机NOx等有害排放气体的评价及处理研究--燃料喷射系统对乳化燃料在船用柴油机上使用的影响及脱硝装置的适用性[J]. 内燃机学报， 2000， 18 （4）： 380-386.
[5]徐月明. 船用柴油机SCR催化剂选型及性能评价研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2012.
[6]吴丽燕， 舒英钢， 梁材， 等. 中等温度SCR脱硝催化剂在高硫、高钙条件下的适应性研究[J]. 电力环境保护， 2008，24 （02）： 13-16.
[7]WARTSILA. SHIP POWER PRODUCT CATALOGUE[M]. Finland： WARTSILA Corporation， 2010.
[8]中國大唐集团科技工程有限公司. 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009：98.
[9]中国大唐集团科技工程有限公司. 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009：99.
[10]江苏龙源催化剂有限公司. SCR脱硝催化剂[Z]. 2009.
作者简介：路小彬 （1974-），男，博士，副教授，研究方向为化工污染治理技术。
关键词：SCR反应器；脱硝；船用柴油机
中图分类号： X511 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0249-02
Abstract：This paper aims to design a set of exhaust gas De-NOx SCR reactor system for marine diesel engine， with reduction of NOx content from flue gas and according to emission standard of IMO Tier III. The author has performed theoretical calculations and descriptions in detail for SCR reactor system from waste gas feature， reactor configuration， catalyst dimensions and its specification parameters， percent conversion of reaction， and routine maintenance， etc. and finally， designed a set of De-NOx system for marine diesel， meeting relative discharging standards through test run.
Key words：SCR reactor；De-NOx；Marine diesel engine
由于船用柴油机占据了船舶动力市场百分之九十几的份额，因此其污染也最为严重。虽然它排放物中的CO、HC比车用柴油机的低，但是氮氧化物、硫化物排放严重，2008年全球海运船舶排放的NOx和SOx分别占世界NOx和排SOx放总量的18%～30% （w/w）和9% （w/w）。可见船用柴油机有害污染物的排放造成危害已经到了不容忽视的程度[1， 2]。国际海事组织的法规中也对船用柴油机的排放有了一定的规范。2011年1月起，IMO Tier II排放控制法规在IMO所有海域内强制实施。规定NOx的排放相对于Tier I要降低16%～20% （w/w），而IMO Tier III阶段法规则要求NOx要比Tier I要降低80% （w/w）[3]。所以当前利用选择性催化还原系统（Selective Catalytic Reduction， SCR）消除或减少NOx排放已经成为国外满足Tier III排放要求的主要方案。基于国内对船用SCR设计研究较少的现状，本文作者对此进行了初探[4-5]。
设计条件
1 SCR反应器设计范围和结构参数
反应器的设计范围包括：
Ⅰ 反应器入口膨胀节（不含）；Ⅱ入口烟道；Ⅲ 带加固肋的反应器壳体；Ⅳ 烟气整流板及其支撑；Ⅴ 催化剂层及其支撑；Ⅵ 催化剂的检修维护设施；Ⅶ 反应器的支撑；Ⅷ 出口烟道；Ⅸ 反应器内部的密封设施；Ⅹ 必要的检修维护平台；Ⅺ 相关的仪器仪表；Ⅻ 反应器出口膨胀节（不含）。
所有型号进出口直管段均取87mm；-进口锥角；-出口锥角；L-反应器本体段长度，mm；H-反应器总高度，mm， H=L+H1+H2+87+87；-进口直径，mm；-出口直径，mm；H1-进口锥体段长度，mm；H2-出口锥体段长度，mm； W，D-反应器横截面边长，当为正方形时，W=D， mm；C1-支撑、安装催化剂所需要的空间高度， mm； C2-入口整流层高度及安装需要的空间高度， mm；C3-备用催化剂层后预留空间，mm；δ-反应器壁厚，mm ； hlay-催化剂模块高度，mm。
2 总体设计方案
本方案是针对所选型号船用柴油机SCR反应器进行的设计。目的是为以后系列船用SCR反应器的设计积累一些有用的经验。柴油机的出口烟气温度基本处于催化剂发挥效力的温度区间，因此，反应器布置在柴油机烟气出口之后。参照瓦锡兰≤1260KW发动机所配的A1型反应器的设计参数[7]。选用单台反应器脱硝。图1为原型机SCR反应器的结构图。反应器进口与氨空气混合段联接，出口与消音器相连。在烟气进口段，尿素汽化后与稀释空气混合，经喷射单元喷入反应器。反应器入口处设烟气均布板和不锈钢丝网，使烟气均匀进入反应器内部空间，并对催化剂进行初级保护。催化剂模块在反应器内分设3层，分别安放固定在由钢板焊接而成的三层框架上。催化剂清灰采用0.7 MPa的压缩空气。反应器选用不锈钢1Cr18Ni9Ti材料，壁外加强结构及支架温度在300 ?C以下，选用普通碳素结构钢Q235材料。
3 反应器设计计算与说明
3.1 线速、空速和面速[8]
电厂线速6 m/s的流速过快，故当烟气进入催化剂横截面时，由于通过截面的扩大，线速降为 ：
由于烟气流量不大，所以催化剂拟定为初装2层，备用1层。
3.4 反應器本体段高度L和反应器总高H
L=（N+1）（C1+hlay）+C2+C3=（2+1）×（ 300+645）+200+50=3085 mm
L-反应器的本体段高度，mm； N+1，催化剂的层数；C1-支撑、安装催化剂所需要的空间高度，取300 mm； C2-入口整流层安装高度及安装需要的空间高度，取200 mm；C3-备用催化剂层后预留空间，50 mm。
H=L+H1+H2+0.087+0.087=3085+561+330+87+87=4150 m （8）
H-反应器总高，mm； H1-反应器进口段长度=561 mm； H2-反应器出口段长度=330 mm； 进出口直管段长度=87 mm。取值参照瓦锡兰A1型尺寸取值。
3.5 SCR反应器的压力损失
指烟气由反应器进口至反应器出口之间的压力降，它会影响到整个系统的安全运行和耗电量的多少。其值大小一般为1000 Pa，参见龙源电厂SCR试验证明值≤700 Pa[10]。
4 总结与展望
经试运行，可以实现IMO Tier III达标排放。SCR反应器的开发设计主要涉及大截面空间范围内对烟气流动状态参数的研究与调控问题，大型、薄壁、大重量下平板钢结构的力学设计问题，针对高温热效应的结构设计问题以及防积灰和清灰的问题。此外，SCR反应器的设计开发还包括本体之外的支承框架设计、各种检测接口以及催化剂安装更换便利性设计。需要指出的是，就目前流行的SCR反应器的结构而言，仍存在着较大的热应力，催化剂的安装与更换也费时耗力。
参考文献
[1]庞海龙， 邓成林， 姚广涛， 等. 船用柴油机有害物排放控制技术[J]. 船舶工程， 2011， 33 （1）： 21-24.
[2]肖森， 于学兵. 船用柴油机NOx测量原理及控制分析[J]. 农业装备与车辆工程， 2014， 52 （3）： 51-54.
[3]康双琦， 谢荣， 马婷. 船用柴油机尾气排放标准及控制技术[J]. 煤炭技术， 2011， 30 （12）： 216-217.
[4]张洁， 高杉喜雄， 菊池正晃， 等. 船用柴油机NOx等有害排放气体的评价及处理研究--燃料喷射系统对乳化燃料在船用柴油机上使用的影响及脱硝装置的适用性[J]. 内燃机学报， 2000， 18 （4）： 380-386.
[5]徐月明. 船用柴油机SCR催化剂选型及性能评价研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2012.
[6]吴丽燕， 舒英钢， 梁材， 等. 中等温度SCR脱硝催化剂在高硫、高钙条件下的适应性研究[J]. 电力环境保护， 2008，24 （02）： 13-16.
[7]WARTSILA. SHIP POWER PRODUCT CATALOGUE[M]. Finland： WARTSILA Corporation， 2010.
[8]中國大唐集团科技工程有限公司. 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009：98.
[9]中国大唐集团科技工程有限公司. 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009：99.
[10]江苏龙源催化剂有限公司. SCR脱硝催化剂[Z]. 2009.
作者简介：路小彬 （1974-），男，博士，副教授，研究方向为化工污染治理技术。
