船舶尾气高效脱硝系统的开发与优化

摘要

多年以来，由于相关排放标准的缺失、监管防治不到位等原因，我国船舶尾气污染日益凸显，对众多港口城市以及内河区域的大气质量造成了严重的不良影响，引起了全社会的强烈关注，船舶废气治理迫在眉睫。其中，NOx作为船用柴油机排放中主要的大气污染物之一在设立的排放控制区内受到严格排放控制。为满足Tier III排放标准，船用Urea-SCR技术是最为有效的NOx控制途径。但由于船内空间狭小、排放尾气温度低、工况波动大等恶劣条件，长期存在还原剂尿素分解不充分且副产物沉积结晶等现象，进而导致的还原剂消耗量大、系统腐蚀、管道沉积堵塞等严重问题，对整体脱硝系统的高效稳定运行提出挑战。因此，为满足船舶高效脱硝的要求，解决还原剂尿素分解率低和狭小空间内的系统设计两个关键问题。本研究将针对还原剂尿素的高效分解展开研究，深入分析尿素的分解反应特性研究其中间产物生成情况，并探索性地通过研究利用催化作用改变其分解特性以及优化系统环境参数来达到提高尿素产氨率以及减少反应副产物的目的，实验发现了尿素在催化作用下分解率与反应选择性都有较大提升并且优选了催化剂配方，结合其产物分布探究了尿素催化分解过程的反应机理与反应路径。同时，针对典型船舶排放工况开展对应脱硝系统设计优化的研究，分析了不同船舶典型运行工况、喷射特性等环境参数对还原剂尿素分解的影响规律，并基于Urea-SCR系统进行参数的耦合优化，最终成功实现船用脱硝系统的工程应用。全文得到的主要结果如下：
　　一、深入研究了还原剂尿素热解反应过程。对尿素的热解反应过程进行分析，并通过傅里叶红外光谱技术（FTIR）对生成的副产物进行分析。通过优化色谱条件，建立了一种基于普通C18柱的反相高效液相色谱技术（HPLC）的检测方法，对尿素及其主要副产物（双缩脲、三聚氰酸、三聚氰胺）进行标定与定量分析，并得到尿素热解过程中的反应方程式与分解路径。
　　二、研究了基于V-Ti催化剂的尿素催化热解反应过程。通过研究尿素在不同钒负载量的V-Ti催化剂表面的热解反应特性，筛选得到其催化活性顺序为V1Ti>V0.5Ti≈TiO2>V5Ti>V10Ti>纯尿素，并且催化剂表面的总酸量与催化活性具有很好的相关性。V1Ti具有最佳的催化活性，使尿素转化率提高约40％，主要产物NH3、HNCO分别提高32%、40%。通过热重分析（TG/DTG）发现尿素及其产物均存在催化分解现象，分解温度降低。通过FTIR与HPLC结合分析的方法，对比分析了尿素催化热解过程的产物分布并计算得到反应选择性，证明了在催化条件下副反应被明显抑制，并且得到了尿素在V-Ti催化剂表面的催化分解机制与反应路径。
　　三、研究了实际应用中系统环境参数对还原剂尿素分解的影响作用规律并进行集成优化。设计搭建基于船用柴油机的尾气处理试验平台，通过模拟船舶主机典型工况的排放特性，研究还原剂尿素的喷射参数、柴油机的工况特性对尿素分解率以及产氨率的影响规律，进而与Urea-SCR系统耦合进行脱硝实验研究，并在50-100%负荷范围内实现低于IMO Tier III排放标准。最终，基于本文的研究成果，成功对舟山某渔船进行脱硝系统改造，并在正常航行工况下达到Tier III排放标准。

目录

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致谢

第1章 绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2船用柴油机Urea-SCR技术

1.3还原剂尿素分解特性的研究进展

1.4本论文研究目的与内容

第2章 实验系统的建立与分析方法

2.1引言

2.2实验材料及仪器

2.3实验装置及流程

2.4催化剂制备及模拟尿素负载

2.5催化剂样品表征分析

2.6尿素副产物检测技术

第3章 还原剂尿素热解反应的研究

3.1 引言

3.2 尿素热解反应实验

3.3 尿素热解过程固态产物FTIR分析

3.4 副产物检测方法及标准曲线的建立

3.5 尿素热解副产物定量测量

3.6 实验结果讨论

3.7本章小结

第4章 尿素催化热解及反应路径的研究

4.1 引言

4.2尿素与催化剂结合方式的研究

4.3 V-Ti催化剂材料表征

4.4 尿素催化热解实验分析

4.5 尿素催化热重实验分析

4.6 尿素催化分解过程中的副产物定量检测

4.7 基于V-Ti催化剂的尿素催化热解反应路径分析

4.8 本章小结

第5章 船用Urea-SCR系统的柴油机台架实验及工程应用

5.1 引言

5.2 船用柴油机SCR测试台架

5.3 尿素溶液分解产氨的柴油机台架实验

5.4 船用Urea-SCR系统台架实验

5.5 舟山某400kW船用主机SCR系统工程案例

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 本文创新点

6.3 展望

参考文献

作者简历与在校期间学术成果