船舶柴油机Urea-SCR系统中HNCO水解特性、还原作用及逃逸率的研究

With increasingly stringent emission limitations on marine diesel engines, Urea-SCR has been the most effective technologies for NOx removal from engine exhaust, while it also occupies the characteristics of large catalyst volume, high installation and operation costs. The applications of the Urea-SCR system to marine diesels are limited to lacking of studies on chemical reaction process and catalytic mechanism in high-sulfur and oxygen-rich exhaust and under varing engine working condition. With the help of experiences in the power station SCR system, vehicle SCR system and power station SNCR system, and based on the characteristics of marine diesels and the theories of chemical kinetics, quantum chemistry and catalytic reactions, and with necessary sample and test bed experiments, studies on hydrolysis process, reduction and slip of HNCO, which are key issues of marine Urea-SCR systems, are carried out, in order to receive the key mechanisms of the marine Urea-SCR reactions, to form test and safety standards of HNCO and to provide theoretical principles for the design of marine Urea-SCR systems.

随着排放法规对船用柴油机NOx排放限制的日益严格，Urea-SCR已成为船舶柴油机满足排放法规的最有效技术。但船用SCR系统也存在体积过大、设备投资巨大和运行成本较高的缺点。对船用Urea-SCR系统在发动机富氧、高硫氧化物排气以及发动机多工况条件下化学反应过程和催化机理研究的不足，限制了船用SCR系统的广泛应用。课题针对船用柴油机排气和工作特点，采用理论和试验相结合的方法，结合化学反应动力学、量子化学和现代催化理论等学科知识，借鉴电站、车用SCR系统及电站SNCR系统的经验，通过小催化剂样本试验和发动机SCR系统台架试验，就船用SCR技术中的重要环节，HNCO的水解过程和还原作用及逃逸率展开研究，以掌握船用Urea-SCR系统的核心反应机理，形成船舶Urea-SCR系统的检测、安全规范，以期突破船用柴油机Urea-SCR系统设计的理论障碍。

本项目围绕船舶柴油机Urea-SCR系统中重要的反应机理HNCO水解过程和还原作用等重要问题，从HNCO的反应机理、制备实验、催化水解特性、还原特性和逃逸率等几方面开展了详细的研究和试验，取得了一系列的创新成果，相关成果已经发表。.第一，从不同层面，详细研究了Urea-SCR系统中HNCO的水解反应机理，发现-NCO和水的反应活性与催化剂对于HNCO水解的催化活性能够有机地统一起来，-NCO离子在其中起到了中间反应物的作用；催化剂上的Lewis酸性位对HNCO催化水解有促进作用。.第二，详细分析研究了HNCO的还原特性，发现HNCO对NO的还原反应为等摩尔反应，反应产物为CO2、CO、H2O和N2，反应机理为12成分参与的7步反应。.第三，建立了SCR系统HNCO水解反应试验系统，研究了不同类型催化剂、催化剂不同工艺以及NH3对HNCO水解过程的影响。研究发现，TiO2催化剂对于HNCO水解反应的促进效果最好；在船舶柴油机常见排温范围内，TiO2和负载型V2O5-WO3/TiO2催化剂对HNCO水解反应的促进效果最好；Urea-SCR中NH3对HNCO催化水解反应有抑制作用。.第四，建立了HNCO还原特性试验系统，研究了不同类型催化剂、不同反应条件和不同成分对HNCO还原特性的影响，并分析了相关规律。研究发现，HNCO具有一定的还原作用，脱硝率不到60%；在船舶柴油机常见排温范围内，使用负载型V2O5-WO3/TiO2催化剂时HNCO还原性能较好；各种因素对HNCO还原特性的影响与对NH3还原特性的影响规律趋势相同；Urea-SCR中NH3对HNCO还原特性影响不大。.第五，建立了SCR系统HNCO逃逸率试验系统，研究了不同因素对HNCO总逃逸率的影响以及在使用不同还原剂时HNCO的逃逸情况，并对试验规律进行了分析，提出了船舶Urea-SCR系统减少HNCO总逃逸率的措施。研究发现，反应温度、氨氮比、脱硝效率与逃逸率呈正向关系，而空速和逃逸率显反向规律。相比其他还原剂，由于Urea-SCR系统中NH3的缓释和存在中间产物，其HNCO总逃逸率最大。.最终，本项目研究发现，利用详细动力学模型、动力学试验、SCR系统仿真模拟及试验数据相结合的方式，可以高效经济地完成船舶柴油机Urea-SCR系统催化选型及优化设计，项目研究得到的结论有助于优化船舶Urea-SCR系统。.