SCR裝置在船舶氮氧化物排放控制中的應(yīng)用

董 晶

(中外運(yùn)長航集團(tuán)南京金陵船廠，江蘇 南京 210015)

0 引言

2011年7月15日，國際海事組織(IMO)第62屆海環(huán)會(huì)(MEPC62)通過了對(duì)中國柴油機(jī)制造業(yè)、造船廠影響巨大的氮氧化物技術(shù)規(guī)則(NOXCode修正案)和選擇性催化還原系統(tǒng)導(dǎo)則(Selective Catalytic Reduction，SCR)。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA(2011年8月1日起為北美區(qū)域)，意味著越來越多的船舶需要安裝滿足Tier-III(柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的第3階段)要求的柴油機(jī)，而目前滿足該要求的成熟產(chǎn)品僅有SCR系統(tǒng)。本文以14500 DWT化學(xué)品船的SCR裝置為例，詳細(xì)介紹其安裝、調(diào)試、交驗(yàn)過程，為今后采用SCR裝置的船舶的安裝及通過測(cè)試，提供參考。

1 降低排放的措施

1.1 MEPC 176(58)和 MEPC177(58)條款

國際海事組織 MEPC 176(58)和 MEPC177(58)條款已于2010年7月1日強(qiáng)制生效。其中第13條款中對(duì)于NOX限制排放要求為:在目前階段柴油機(jī)排放要滿足Tier-II(柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的第2階段)要求，在2016年后柴油機(jī)排放要滿足Tier-III的要求。即在2016年后，低速柴油機(jī)(130 r/min以下)的NOX排放要低于3.4 g/(kw·h)，高速柴油機(jī)的排放要低于2.0 g/(kw·h)。

1.2 目前造船界應(yīng)對(duì)NOX排放標(biāo)準(zhǔn)的途徑及效果

(1)從柴油機(jī)本身著手，通過改善柴油機(jī)燃燒室的燃燒狀況，優(yōu)化燃燒過程來減少NOX的產(chǎn)生，從而降低其排放量。研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)內(nèi)NOX的形成主要原因是燃燒室內(nèi)局部性的燃燒溫度過高而造成的。如果在燃燒過程中，適當(dāng)降低燃燒室內(nèi)的高溫部位的溫度，就可以減少NOX的形成，從而減少NOX的排放。故在特定時(shí)間內(nèi)向燃燒室內(nèi)噴一定量的淡水是可以適當(dāng)降低燃燒室內(nèi)的溫度，從而達(dá)到最佳的燃燒效果。

某25000 DWT化學(xué)品船所選用的WARTSILA NSD 6L46L柴油機(jī)就是使用的這個(gè)技術(shù)。其設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是:原汽缸頭上的專用噴油閥改為能同時(shí)噴射燃料和水的復(fù)合噴射閥，這種復(fù)合噴射閥一個(gè)噴嘴噴水，另一個(gè)噴射燃料。噴入燃燒室的水通過過濾，高壓水泵將其壓力提升至20～40 MPa，再經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥將水壓調(diào)整至與負(fù)荷相匹配的準(zhǔn)確壓力，供給噴射閥。為了保證安全，在通向各氣缸的管路中設(shè)有靈敏度極高的機(jī)械式截止閥，以防止管路中流有過量的壓力水。噴水定時(shí)和周期實(shí)施電子控制，可以通過控制單元程序進(jìn)行調(diào)整。而噴水量即水與燃料之比是通過噴射時(shí)間的長短來控制的。這種方法在實(shí)船使用時(shí)效果良好，對(duì)柴油機(jī)的機(jī)械部件沒有任何副作用，在單獨(dú)停止噴水時(shí)，對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)也無任何影響。

(2)通過采用電控共軌燃油噴射技術(shù)來改善柴油機(jī)的燃燒性能，提高燃燒效率，從而降低NOX的產(chǎn)生。如W?rtsil?公司Sulzer RT-flex系列柴油機(jī)和MAN-B＆W公司的ME/ME-C系列柴油機(jī)均采用這種新的技術(shù)。其主要特點(diǎn)是:將電子設(shè)備及軟件應(yīng)用于船用柴油機(jī)并成為其重要部分的新型柴油機(jī)。根據(jù)柴油機(jī)燃燒理論，主要是應(yīng)用了電控技術(shù)，通過控制燃油噴射正時(shí)、噴油量、噴射速率、壓力以及進(jìn)、排氣閥正時(shí)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在各種負(fù)荷下的性能最優(yōu)化，從而達(dá)到在滿足最新排放要求下，提高其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、操縱靈活性和延長使用壽命。通過監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的工況變化對(duì)噴油量、噴油時(shí)間進(jìn)行最佳控制，從而達(dá)到最佳的燃燒溫度，減少了NOX的產(chǎn)生。

(3)以上的方法雖然都在采用，但通常最多能將NOX的排放減少約50% ～60%，這就意味著即使將所有的技術(shù)綜合起來，柴油機(jī)的NOX排放也不能達(dá)到特殊航區(qū)所要求的排放量，而且目前柴油機(jī)技術(shù)已相當(dāng)成熟，其結(jié)構(gòu)和元件已無可能作更大的改動(dòng)，因此目前柴油機(jī)機(jī)內(nèi)改造的空間是很小的。

通過在柴油機(jī)排氣管上增設(shè)一套特殊的SCR裝置，對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理，從而減少NOX的排放。其工作原理是:通過安裝一套選擇性催化轉(zhuǎn)換器SCR，利用NH3(氨)有選擇性的與NOX在催化劑的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將NOX轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。因而，柴油機(jī)所排放的廢氣中的NOX幾乎全部消除，從而完全可以滿足目前最嚴(yán)格的排放規(guī)范、規(guī)則要求。

2 安裝實(shí)例

14500 DWT化學(xué)品船是一艘高性能化學(xué)品船，其主要量度如下:

型長為146.8 m，型寬為22 m，型深為11.8 m，設(shè)計(jì)吃水為8.5 m，載重噸為14500 DWT，貨艙艙容為18700 m3;船級(jí)社為DNV。

此船航行于波羅的海和北歐近海海域，主要服務(wù)于靠近居民區(qū)的小的港口、碼頭，故船東對(duì)船的環(huán)保要求很高，特別是柴油機(jī)廢氣中的NOX含量必須很低，其相關(guān)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)的MARPOL和官方當(dāng)局的相關(guān)要求。為此，本船選用并安裝了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的氮氧化合物減排裝置:瑞典MUNTERS Europe AB公司生產(chǎn)的SCR裝置。14500 DWT化學(xué)品船總布置圖如圖1所示。

圖1 14500 DWT總布置示意圖

2.1 SCR裝置配置

本船共有2臺(tái)主機(jī)、4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，每臺(tái)柴油機(jī)的排氣管上都安裝1套SCR裝置。每套裝置配有:廢氣整流裝置、尿素液噴射裝置、尿素液混合段、轉(zhuǎn)化反應(yīng)裝置、溫度、壓力監(jiān)測(cè)裝置、吹灰裝置、控制單元、柴油機(jī)負(fù)荷監(jiān)測(cè)裝置等。其外圍裝置有尿素液艙、尿素液供應(yīng)泵組等。SCR裝置圖如圖2所示。

2.2 SCR裝置工作原理

SCR裝置工作原理:預(yù)先將固體尿素在一定的溫度下與淡水充分?jǐn)嚢?、混合，使尿素完全融化，變成水合物，其尿素含量?yīng)控制在40%左右，將此尿素液體注入尿素艙備用。需要注意的是，配比完成后，用儀器檢測(cè)尿素濃度，以防其濃度過高或過低，從而影響中和反應(yīng)。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行后，柴油機(jī)所產(chǎn)生的廢氣經(jīng)流量整流裝置調(diào)節(jié)，使廢氣以一定的流態(tài)流動(dòng)到噴射段，尿素噴射裝置在監(jiān)測(cè)到柴油機(jī)傳出的負(fù)荷參數(shù)和轉(zhuǎn)化爐體中的溫度后，噴出一定量的、經(jīng)過壓縮空氣充分霧化的尿素霧滴進(jìn)入柴油機(jī)的排氣管，尿素霧滴與廢氣經(jīng)過混合段后，NOX與尿素霧滴充分混合。當(dāng)混合氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐后，在轉(zhuǎn)化爐中的催化劑作用下，NH3與NOX充分反應(yīng)，將絕大部分的NOX轉(zhuǎn)化為水和氮?dú)馀懦觥?/p>

SCR裝置主要優(yōu)點(diǎn)是:氨的來源(尿素)成本較低、制作簡(jiǎn)單、儲(chǔ)存方便，整個(gè)裝置的使用費(fèi)用不高。整個(gè)系統(tǒng)為全自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制，操作極為簡(jiǎn)單。對(duì)船上的其他系統(tǒng)沒有過多的特別要求，對(duì)廢氣鍋爐沒 影響，并且能起到一定的降低柴油機(jī)的噪音作用。

圖2 SCR裝置圖

2.3 設(shè)計(jì)、安裝注意事項(xiàng)

(1)柴油機(jī)的排氣允許的工作背壓要提高，特別是配有廢氣鍋爐的主機(jī)。由于SCR整套系統(tǒng)所產(chǎn)生的背壓約為:290～350 Pa，故與柴油機(jī)廠家進(jìn)行技術(shù)談判時(shí)應(yīng)將此參數(shù)告知廠家。在柴油機(jī)及增壓器選型時(shí)，要考慮安裝SCR系統(tǒng)時(shí)所產(chǎn)生的額外的排氣背壓。如柴油機(jī)選擇不當(dāng)，將會(huì)嚴(yán)重影響柴油機(jī)組的工作工況，甚至導(dǎo)致柴油機(jī)不能正常工作。

(2)尿素液的配比應(yīng)盡量滿足SCR裝置的要求。由于還原劑NH3的用量是根據(jù)NOX的濃度來確定的，而SCR裝置每次所噴射的NH3量是按照尿素液體積計(jì)算的，如尿素液配比濃度過高，單位次數(shù)所噴射的NH3就會(huì)太多，從而會(huì)在轉(zhuǎn)化爐中生成其他有害物質(zhì)，造成新的污染。如配比濃度過低，則NH3與NOX反應(yīng)會(huì)不充分，使NOX的轉(zhuǎn)化效果降低，無法達(dá)到減排的目的。因此本船特別設(shè)計(jì)了帶加熱的尿素液攪拌系統(tǒng)來配比尿素液，以達(dá)到配比均勻。在設(shè)計(jì)尿素系統(tǒng)時(shí)要特別注意，由于尿素液體具有腐蝕性，故整個(gè)系統(tǒng)的管路，包括輸送管路，透氣管甚至輸送泵，均需選用不銹鋼材質(zhì)，以防尿素腐蝕;且尿素艙也要進(jìn)行特涂，以防艙壁板被腐蝕。

(3)控制霧化空氣的質(zhì)量。因整個(gè)尿素噴射系統(tǒng)均為精密電磁閥件控制，壓縮空氣中不能含有油分、水和雜質(zhì)，絕對(duì)不能用沒有進(jìn)過處理的空氣。故整個(gè)系統(tǒng)的壓縮空氣的質(zhì)量必須得到保證，必須設(shè)有精密的空氣過濾系統(tǒng)來處理為尿素系統(tǒng)服務(wù)的壓縮空氣。

(4)由于整套裝置均需安裝在排氣管路中，且裝置體積較大，需要一定的安裝、維護(hù)空間和一些特殊安裝的要求，故排氣管放樣時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照廠家的要求布設(shè)，特別是在整流段后到混合段間管路布設(shè)應(yīng)嚴(yán)格按照廠家的要求做。3 m長左右的直管不能有任何彎曲，這段管路材質(zhì)也應(yīng)按廠家要求選用不銹鋼的，以防整流后的氣體流態(tài)、速度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，影響廢氣與尿素液的混合，從而影響兩者的化學(xué)反應(yīng)。在整個(gè)排氣管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多設(shè)一些能檢測(cè)排氣壓力、溫度的接頭或支管，其位置和角度應(yīng)先與廠家溝通，了解檢測(cè)儀器的接口形式和必要的操作空間，以便系統(tǒng)能順利調(diào)試。建議在船舶系統(tǒng)管路放樣時(shí)，應(yīng)先保證排氣管路的布設(shè)，然后再考慮其他系統(tǒng)的管路。如有可能，在排氣管路設(shè)計(jì)好后邀請(qǐng)SCR服務(wù)工程師校核一下，以防后患。

(5)正常情況下，該裝置適用于硫含量的燃油最高為3%。如果使用過高硫含量的燃油，NH3有可能與SOX反應(yīng)生成硫酸氨而附著在多孔陶瓷磚上，造成孔洞堵塞。且多孔陶瓷磚的孔徑是根據(jù)柴油機(jī)所使用的燃油選用，油品越差，其孔徑越大，如使用燃油不當(dāng)，極易堵塞，從而造成柴油機(jī)排氣背壓增大惡化柴油機(jī)的工作工況，最終會(huì)造成柴油機(jī)功率急速降低而停車。故在與船東制定技術(shù)規(guī)格書時(shí)就應(yīng)明確船舶柴油機(jī)使用的燃油規(guī)格，并應(yīng)可能使用低硫燃油，不能輕易更換燃油。

(6)SCR的轉(zhuǎn)化效率、轉(zhuǎn)化爐的使用壽命取決于作為催化劑的TiO2和V2O5及其載體的多孔陶瓷磚安裝狀況，故轉(zhuǎn)化爐內(nèi)多孔陶瓷磚的裝配是整個(gè)系統(tǒng)安裝工作的難點(diǎn)之一。其主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)化爐內(nèi)工作空間狹小，陶瓷磚難以固定，陶瓷磚堆放時(shí)既要保證陶瓷磚的孔與孔相對(duì)，又要使支架能固定住磚塊。如果安裝失誤，船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)由于磚塊發(fā)生位移而使陶瓷磚孔與孔之間發(fā)生錯(cuò)位，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)的排氣背壓迅速增大，造成柴油機(jī)由于燃燒不充分產(chǎn)生大量的碳顆粒，而碳顆粒會(huì)迅速附著在多孔陶瓷磚上，覆蓋住催化劑，并會(huì)堵塞陶瓷磚的孔眼，其結(jié)果是會(huì)更加影響柴油機(jī)的性能，產(chǎn)生更多的顆粒，造成惡性循環(huán)，輕者將會(huì)造成柴油機(jī)背壓過高而無法工作，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞增壓器或碰碎磚塊，造成更大的事故。

(7)SCR系統(tǒng)與柴油機(jī)之間通訊連接也是本系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)。由于國內(nèi)主機(jī)廠的技術(shù)支持工程師一般都不是很了解SCR系統(tǒng)，不清楚SCR系統(tǒng)需要接受柴油機(jī)的哪些信息，也不清楚在自己的控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中安裝哪些SCR的模塊。故SCR系統(tǒng)的技術(shù)協(xié)議中應(yīng)明確:SCR系統(tǒng)的哪些控制模塊需整合到柴油機(jī)控制或監(jiān)測(cè)單元中，SCR系統(tǒng)需要的柴油機(jī)的信息清單和通訊協(xié)議。柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安保系統(tǒng)的協(xié)議中應(yīng)將SCR系統(tǒng)的要求告訴這些設(shè)備商，并在相關(guān)的資料認(rèn)可期間召開相關(guān)設(shè)備的技術(shù)協(xié)調(diào)會(huì)，把問題預(yù)先暴露，并協(xié)調(diào)解決。做調(diào)試SCR系統(tǒng)需要的時(shí)間較長，幾乎貫穿整個(gè)柴油機(jī)的碼頭試驗(yàn)和航行試驗(yàn)。SCR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要分析柴油機(jī)大量的多種工況的參數(shù)，如溫度、壓力，廢氣流量，轉(zhuǎn)速，燃油齒條刻度等，均需在調(diào)試時(shí)實(shí)際測(cè)量后輸入，因此還需要柴油機(jī)廠家的充分配合。這就要求船廠在簽訂柴油機(jī)的技術(shù)協(xié)議時(shí)就應(yīng)與廠家明確配合時(shí)間，同時(shí)也要考慮充分船舶的海試時(shí)間。

3 結(jié)語

根據(jù)船舶安裝的SCR裝置最終的測(cè)試結(jié)果顯示，其氮氧化合物的排量小于1.0 g/(kw·h)，完全滿足目前所有的航區(qū)要求。

［1］張潔，等.船用柴油機(jī)NOX等有害排放氣體的評(píng)價(jià)及處理研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，(4):380-385.