船舶尾氣高效脫硝系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化.pdf

1、多年以來，由于相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的缺失、監(jiān)管防治不到位等原因，我國(guó)船舶尾氣污染日益凸顯，對(duì)眾多港口城市以及內(nèi)河區(qū)域的大氣質(zhì)量造成了嚴(yán)重的不良影響，引起了全社會(huì)的強(qiáng)烈關(guān)注，船舶廢氣治理迫在眉睫。其中，NOx作為船用柴油機(jī)排放中主要的大氣污染物之一在設(shè)立的排放控制區(qū)內(nèi)受到嚴(yán)格排放控制。為滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，船用Urea-SCR技術(shù)是最為有效的NOx控制途徑。但由于船內(nèi)空間狹小、排放尾氣溫度低、工況波動(dòng)大等惡劣條件，長(zhǎng)期存在還原劑尿素分解

2、不充分且副產(chǎn)物沉積結(jié)晶等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致的還原劑消耗量大、系統(tǒng)腐蝕、管道沉積堵塞等嚴(yán)重問題，對(duì)整體脫硝系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行提出挑戰(zhàn)。因此，為滿足船舶高效脫硝的要求，解決還原劑尿素分解率低和狹小空間內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)關(guān)鍵問題。本研究將針對(duì)還原劑尿素的高效分解展開研究，深入分析尿素的分解反應(yīng)特性研究其中間產(chǎn)物生成情況，并探索性地通過研究利用催化作用改變其分解特性以及優(yōu)化系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)來達(dá)到提高尿素產(chǎn)氨率以及減少反應(yīng)副產(chǎn)物的目的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了尿素在催化

3、作用下分解率與反應(yīng)選擇性都有較大提升并且優(yōu)選了催化劑配方，結(jié)合其產(chǎn)物分布探究了尿素催化分解過程的反應(yīng)機(jī)理與反應(yīng)路徑。同時(shí)，針對(duì)典型船舶排放工況開展對(duì)應(yīng)脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究，分析了不同船舶典型運(yùn)行工況、噴射特性等環(huán)境參數(shù)對(duì)還原劑尿素分解的影響規(guī)律，并基于Urea-SCR系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的耦合優(yōu)化，最終成功實(shí)現(xiàn)船用脫硝系統(tǒng)的工程應(yīng)用。全文得到的主要結(jié)果如下：
　　一、深入研究了還原劑尿素?zé)峤夥磻?yīng)過程。對(duì)尿素的熱解反應(yīng)過程進(jìn)行分析，并通過

4、傅里葉紅外光譜技術(shù)（FTIR）對(duì)生成的副產(chǎn)物進(jìn)行分析。通過優(yōu)化色譜條件，建立了一種基于普通C18柱的反相高效液相色譜技術(shù)（HPLC）的檢測(cè)方法，對(duì)尿素及其主要副產(chǎn)物（雙縮脲、三聚氰酸、三聚氰胺）進(jìn)行標(biāo)定與定量分析，并得到尿素?zé)峤膺^程中的反應(yīng)方程式與分解路徑。
　　二、研究了基于V-Ti催化劑的尿素催化熱解反應(yīng)過程。通過研究尿素在不同釩負(fù)載量的V-Ti催化劑表面的熱解反應(yīng)特性，篩選得到其催化活性順序?yàn)閂1Ti>V0.5Ti≈TiO2

5、>V5Ti>V10Ti>純尿素，并且催化劑表面的總酸量與催化活性具有很好的相關(guān)性。V1Ti具有最佳的催化活性，使尿素轉(zhuǎn)化率提高約40％，主要產(chǎn)物NH3、HNCO分別提高32%、40%。通過熱重分析（TG/DTG）發(fā)現(xiàn)尿素及其產(chǎn)物均存在催化分解現(xiàn)象，分解溫度降低。通過FTIR與HPLC結(jié)合分析的方法，對(duì)比分析了尿素催化熱解過程的產(chǎn)物分布并計(jì)算得到反應(yīng)選擇性，證明了在催化條件下副反應(yīng)被明顯抑制，并且得到了尿素在V-Ti催化劑表面的催化分解機(jī)

6、制與反應(yīng)路徑。
　　三、研究了實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)對(duì)還原劑尿素分解的影響作用規(guī)律并進(jìn)行集成優(yōu)化。設(shè)計(jì)搭建基于船用柴油機(jī)的尾氣處理試驗(yàn)平臺(tái)，通過模擬船舶主機(jī)典型工況的排放特性，研究還原劑尿素的噴射參數(shù)、柴油機(jī)的工況特性對(duì)尿素分解率以及產(chǎn)氨率的影響規(guī)律，進(jìn)而與Urea-SCR系統(tǒng)耦合進(jìn)行脫硝實(shí)驗(yàn)研究，并在50-100%負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。最終，基于本文的研究成果，成功對(duì)舟山某漁船進(jìn)行脫硝系統(tǒng)改造，并在