船舶柴油机Urea-SCR系统双基循环反应路径及其耦合动力学特性研究

Nowadays, NOx emission limitation of marine diesel is becoming more and more complete and stringent, and comprehensive and detailed studies on the selective catalytic reduction (SCR) technology in the marine diesel are necessary to be carried out. According to the working characteristics of marine diesel, especially low-speed two-stroke diesel with multi working conditions, low exhaust temperature, high water and sulfur contents, kinetics studies on the catalytic reaction pathway and its coupling characteristics of Urea-SCR system in the marine diesel are carried out, and competition, coordination and coupling mechanisms among denitration reactions are also analyzed in the project. Then gas-solid reaction kinetics model of SCR reaction with vanadium-based catalyst is proposed, and it’s using scope is also verified. Consequently, gas and catalytic reaction models of marine SCR system are further completed, by which kinetics characteristics of working process and reaction process in the SCR system can be analyzed completely. And it is also helpful for finding efficient and economical optimization and design methods, and solving practical problems in the marine SCR system.

近年来，船舶柴油机NOx排放标准正逐步完善化、严格化，开展船舶柴油机选择性催化还原（SCR）技术的全面细致化研究势在必行。本项目针对船用柴油机（尤其是低速二冲程主机）工况变化复杂、排气温度低、含水量和含硫量高的工作特点，开展船舶柴油机Urea-SCR系统催化反应路径及其耦合动力学特性研究，分析脱硝反应间的竞争机制、协同机制及耦合机制，构建基于钒基催化剂的SCR气-固反应动力学模型，并标定其适用范围，进而完善船舶柴油机SCR系统的化学反应、催化反应模型，以助于更加全面分析SCR系统反应过程及工作过程的特点，找寻高效经济的船舶柴油机SCR系统优化设计方法，解决船舶柴油机SCR系统的实际应用问题。

2016年，国际海事组织（IMO）将强制实施更加严格的氮氧化物（NOx）排放标准，而选择性催化还原（SCR）技术是实现IMO Tier Ⅲ标准最有效的途径。但是，船舶柴油机排气温度低、废气成分复杂，极大地限制了SCR系统的大规模应用。催化剂性能直接关系着SCR系统工作性能，而SCR反应路径直接决定了催化剂活性和选择性。本项目从理论分析、工程应用两个角度，深入分析了船用柴油机SCR系统催化反应及工作过程的影响规律，研究成果可以为船舶柴油机SCR系统的优化设计提供理论参考。.（1）根据研制任务，研究了船用柴油机高压SCR系统和低压SCR系统的工作特点及差异性，明确了SCR系统实船应用的技术瓶颈及关键问题，细化了项目研究内容及技术方案。.（2）详细分析了SCR系统工作过程、催化反应路径，明确了SCR反应过程中内外扩散动力学、本征反应动力学等对SCR系统脱硝效率的影响规律；在Eley-Redeal催化机理的基础上，将SCR反应过程划分为尿素分解反应路径、标准SCR反应路径、低温反应路径以及高温氧化反应路径，构建了SCR系统气-固基元反应模型，并提出了相应的简化气-固总包反应模型；.（3）开展了基于催化剂小样的SCR反应动力学试验，分别验证了构建了SCR系统气-固基元反应模型和总包反应模型的精确性；在此基础上，分别利用构建反应模型，探究了不同催化反应间的竞争、耦合作用，并分析了温度、氨氮比及空间速度等因素对SCR系统脱硝性能的影响规律，从反应机理、反应路径角度分析了提高SCR系统工作性能的途径和方法；.（4）完成了低压、高压SCR系统工作过程的一体化模拟研究，明确了气固反应模型、气相反应模型对于低压SCR系统的工作性能预测精度影响及适用范围；在此基础上，耦合构建反应模型，完成了高压SCR系统的结构优化、设计评测的研究，优化了蒸发混合器、SCR进口段流场，分析了高压SCR系统工作过程及特性，获得了满足船用低速柴油机要求的高压SCR系统方案；从工程设计、实际应用角度分析了提高SCR系统工作性能的途径和方法。