某85000DWT散貨船SCR供氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方案

陸淦金 石保國 何新式

摘 ? ?要：基于還原催化法（SCR）脫硝系統(tǒng)的基本原理，討論壓縮空氣供應(yīng)對SCR系統(tǒng)正常工作的作用。本文以某85000DWT散貨船主輔機SCR系統(tǒng)為例，研究供氣壓力不穩(wěn)定對SCR系統(tǒng)的影響，分析其出現(xiàn)的原因，結(jié)合實船應(yīng)用的工程經(jīng)驗和系統(tǒng)設(shè)計的兼容性、經(jīng)濟性，提出改善其壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案建議。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝；船舶主機；壓縮空氣；吹灰

中圖分類號：U662.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Compressed Air Supply System Problem and Design Optimization Study of 85 000 DWT Bulk Carrier SCR System

Lu Ganjin1， ?Shi Baoguo2， ?He Xinshi1

（ 1.Guangzhou Interstellar Offshore Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510250; ?2.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Proceed from the basic principle of the Selective Catalytic Reduction （SCR） De-NOx System to discuss the important function of compressed air for SCR system normal operation. Based on the Main & Aux. Engine SCR system of 85 000 DWT bulk carrier， research the effect of unstable supply pressure of compressed air on SCR system， study its primary cause by calculation analysis and propose the rectification measures. Combine the engineering experience of application on Ship and the system compatibility， economy to put forward optimization suggestions for improving the design of compressed air supply system for Marine SCR system， which provides significant reference for similar type vessel design and application.

Key words： SCR De-NOx; Main diesel engine; Compressed air; Soot blowing

1 ? ? 前言

根據(jù)國際海事組織（IMO）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，船舶尾氣的氮氧化物（NOx）年排放是占全球排放總量的15%，為控制船舶主機的NOx排放量，IMO制訂了嚴格的排放法規(guī)。當前對船舶NOx排放控制的主流方法之一，是采用選擇性催化還原法（SCR）對柴油機尾氣進行后處理，使排放滿足法規(guī)要求。

經(jīng)過大量的研究和實踐，SCR系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用日趨成熟，但對為SCR系統(tǒng)服務(wù)的壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)的重要性卻很少受到關(guān)注。本文結(jié)合某85 000DWT散貨船的實船應(yīng)用情況，討論SCR系統(tǒng)的壓縮空氣供應(yīng)問題，并提出相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化建議。

2 ? ?SCR系統(tǒng)工作原理

2.1 ? SCR系統(tǒng)組成

通常，船舶SCR系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：還原劑計量泵站、還原劑噴射裝置、還原劑廢氣混合管段、反應(yīng)器單元等。典型的低速柴油機SCR系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

2.2 ? ?SCR系統(tǒng)工作過程

船舶SCR系統(tǒng)有TierⅢ和TierⅡ兩種工作模式：

（1）TierⅢ模式

計量泵單元向廢氣管中噴射適量還原劑，還原劑被噴入后迅速蒸發(fā)分解為氨，在混合管段中與廢氣混合后進入反應(yīng)器單元，在催化劑作用下廢氣中的NOx被轉(zhuǎn)化為氮氣和水，隨廢氣一同排出外界。

（2）TierⅡ模式

SCR系統(tǒng)待機，廢氣經(jīng)由主排氣管路直接排出外界。此時SCR系統(tǒng)管路被持續(xù)注入壓縮空氣，以維持相對主排氣管側(cè)的正壓，避免廢氣污染催化劑。

2.3 ? 影響SCR系統(tǒng)的主要因素

（1）反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度對SCR系統(tǒng)反應(yīng)速率和催化劑活性具有決定性影響。通常情況下，反應(yīng)溫度越高、反應(yīng)速率越快，催化劑活性也越高。

（2）空間速度

空間速度反應(yīng)了廢氣在催化劑載體內(nèi)停留的時間，直接影響著催化反應(yīng)的充分性和廢氣流動的阻力。

（3）氨氮比

氨（NH3）直接影響SCR系統(tǒng)脫硝能力，氨量不足會導(dǎo)致反應(yīng)效率降低，而氨量過多則會造成氨逃逸量增加。有研究表明，1：1的氨氮比是比較理想的狀態(tài)。

（4）還原劑混合情況

還原劑溶液的噴霧質(zhì)量以及與廢氣的混合均勻程度很重要。霧化效果越好，溶液與廢氣混合越均勻充分，脫硝效率越高，氨逃逸量越少。

（5）催化劑模塊的性能

催化劑是SCR系統(tǒng)的核心部件，催化劑模塊的構(gòu)造型式、催化活性以及表面潔凈狀態(tài)，決定了SCR系統(tǒng)的脫硝效率。

2.4 ? 壓縮空氣的作用

壓縮空氣雖然不參與SCR系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)，也不直接決定脫硝效率，但對SCR系統(tǒng)性能具有重大影響。

在SCR系統(tǒng)工作中，壓縮空氣輔助還原劑溶液的噴射，對反應(yīng)器吹灰以及在Tier Ⅱ常規(guī)模式下維持SCR系統(tǒng)的相對正壓。如果壓縮空氣的流量和壓力不穩(wěn)定，會影響計量泵單元的給藥量和霧化效果，從而影響系統(tǒng)的氨氮比、還原劑與廢氣的混合情況；供氣問題對反應(yīng)器的吹灰效果也有顯著的影響，使催化劑模塊的性能降低，影響SCR系統(tǒng)的正常工作和脫硝效果，并且還會導(dǎo)致催化劑載體更換頻率上升，使系統(tǒng)經(jīng)濟效益降低。據(jù)研究，吹灰效果均勻可以使脫硝效果提升20%；如果吹灰不均勻，需要的吹灰頻率更大、持續(xù)時間更長、消耗的壓縮空氣更多，還會導(dǎo)致柴油機排氣背壓增加，不利于柴油機的正常運行。[6]

3 ? ?SCR供氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

3.1 ? SCR供氣系統(tǒng)設(shè)計

（1）用氣需求

該船主柴油機SCR系統(tǒng)在日常運行中，需消耗壓縮空氣主要有三處：TierⅢ脫硝模式下的尿素噴射；反應(yīng)器定時吹灰；TierⅡ常規(guī)模式下對SCR系統(tǒng)的保壓動作。SCR系統(tǒng)對壓縮空氣的要求，見表1、表2：

主機SCR反應(yīng)器，共設(shè)12套吹灰脈沖閥及噴嘴：在一輪吹灰中，每次吹灰作業(yè)只開啟1個脈沖閥，依次開啟12套脈沖閥后即完成一輪吹灰； 2次吹灰作業(yè)的間隔時間約為10 s；一輪吹灰作業(yè)完成后，間斷約30 min再自動開啟下一輪作業(yè)，吹灰的理論頻率約為24次/h。

輔機SCR反應(yīng)器，設(shè)有2套吹灰裝置：每次吹灰只吹其中1套，持續(xù)4～5 s，結(jié)束后即完成一輪吹灰；等待約30 min后，開啟下一輪吹灰。

（2）供氣系統(tǒng)設(shè)計

該船主機SCR系統(tǒng)消耗的壓縮空氣，由船上配備的低壓雜用空氣系統(tǒng)供應(yīng)。雜用空氣系統(tǒng)中，配置1臺工作空壓機和工作空氣瓶，系統(tǒng)工作壓力為10.0 bar，壓縮空氣從空氣瓶出來后經(jīng)過必要的減壓、過濾、干燥后輸送至SCR系統(tǒng)使用。

供氣系統(tǒng)配置情況見表3，系統(tǒng)原理見圖3。

（3）供氣系統(tǒng)應(yīng)用情況

① 存在問題

該船主輔機SCR系統(tǒng)進行試驗時發(fā)現(xiàn)，在TierⅢ脫硝模式運行過程中，一旦主機反應(yīng)器進行吹灰動作，尿素供給單元和反應(yīng)器即發(fā)出空氣壓力低報警。主機SCR反應(yīng)器吹灰空氣設(shè)計壓力為7.0 bar，當壓力低于5 bar且在規(guī)定時間內(nèi)無法恢復(fù)到5 bar以上時即發(fā)出報警信號；在吹灰試驗中，從第3次開始吹灰空氣壓力再也沒能恢復(fù)到5 bar以上，因此持續(xù)觸發(fā)報警。

② 計算分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)合吹灰動作參數(shù)，可推算出主輔機SCR系統(tǒng)在試驗時的最大耗氣量，根據(jù)此耗氣量可校核該船SCR供氣系統(tǒng)能力。

計算結(jié)果表明：試驗時在工作空氣瓶充滿的情況下，僅能夠支持主輔機SCR系統(tǒng)正常工作約40 s，期間主機SCR反應(yīng)器可進行約3次吹灰動作，氣瓶的壓力降到約7.5 bar，工作空壓機自動起動補氣。但是由于這時SCR系統(tǒng)最大耗氣量約為447.4 Nm3/h，大于工作空壓機的能力348 Nm3/h，因此氣瓶壓力繼續(xù)下降，最壞情況下氣瓶壓力降至約6.3 bar；在一輪吹灰結(jié)束后，空氣瓶從6.3 bar充滿至10 bar所需時間約3.5 min，而試驗時每兩輪吹灰之間的等待時間僅3 min，因此在下一輪吹灰開始時，氣瓶內(nèi)的壓力將低于10 bar（約為9.5 bar），如果繼續(xù)吹灰進程，后續(xù)每一輪的供氣壓力會進一步降低。

根據(jù)上述計算分析可得出初步結(jié)論：該船SCR系統(tǒng)試驗時出現(xiàn)供氣壓力低的根源，在于主機SCR反應(yīng)器吹灰的實際耗氣量大于設(shè)計值，使得整個SCR系統(tǒng)在吹灰時的總耗氣流量超出了空壓機的供氣能力，從而導(dǎo)致系統(tǒng)供氣壓力不足，即SCR控制系統(tǒng)中的吹灰動作參數(shù)設(shè)計與空壓機能力不匹配。

SCR控制系統(tǒng)通過設(shè)定吹灰脈沖閥開啟時間、吹灰間隔時間和吹灰待機時間這3個參數(shù)，對吹灰動作進行精確控制，而在該船進行SCR系統(tǒng)試驗時這3項參數(shù)均未合理設(shè)置，設(shè)置要求見表4。

表4 ?主機SCR反應(yīng)器吹灰動作設(shè)定值

其中：對吹灰耗氣量影響最大的是吹灰脈沖閥開啟時間，試驗時該值被設(shè)定為0.8 s，因此導(dǎo)致了試驗時的耗氣量（約679 NL/次）比廠商給出的理論耗氣量（175～220 NL/次）大了3～4倍。

三項參數(shù)設(shè)置的不合理，使得吹灰動作嚴重偏離SCR系統(tǒng)的設(shè)計目標，導(dǎo)致試驗時系統(tǒng)的耗氣量異常偏大；另外，由于供氣管路上減壓閥組存在故障，管路局部阻力偏大，影響補氣速度。上述幾點因素疊加在一起，最終導(dǎo)致了SCR系統(tǒng)試驗時反應(yīng)器吹灰壓力低報警問題。

③ 解決措施

根據(jù)以上分析，主要采取以下措施來改善該船SCR供氣系統(tǒng)：

一是結(jié)合SCR系統(tǒng)設(shè)計要求和實際應(yīng)用需要，重新設(shè)定主機SCR反應(yīng)器的吹灰動作參數(shù)，改善系統(tǒng)吹灰耗氣量和補氣能力；

二是更換質(zhì)量更優(yōu)的減壓閥組，并且加大閥組的通徑，減小局部阻力，進一步加強補氣能力；

三是加大工作空氣瓶的容積，增加系統(tǒng)的緩存能力，降低供氣的壓力波動和空壓機的起停次數(shù)。

在實施上述整改措施后，重新對SCR系統(tǒng)進行效用試驗，整改后的供氣效果滿足SCR系統(tǒng)的要求，該船交付運營后，SCR系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。

3.2 ?SCR供氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

SCR系統(tǒng)在脫硝模式下工作時，對壓縮空氣的消耗量遠超船上其他設(shè)備和系統(tǒng)。結(jié)合前面分析SCR系統(tǒng)實際使用過程中遇到的問題和整改措施，建議從以下幾個方面優(yōu)化壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)計方案，以提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、可靠性：

（1）配置SCR系統(tǒng)供氣專用的空壓機和專用空氣瓶，使SCR系統(tǒng)的供氣獨立于其他設(shè)備系統(tǒng)，并且盡可能加大空氣瓶的容積；

（2）SCR空壓機采用螺桿式空壓機，充分利用螺桿空壓機排量大、可長時間連續(xù)運行、可自動加載卸載等特性，構(gòu)建滿足SCR系統(tǒng)需求的供氣系統(tǒng)；

（3）將船上其它低壓壓縮空氣系統(tǒng)與SCR空氣并聯(lián)連接，必要時可同時供氣，以提高系統(tǒng)的供氣能力，確保其工作穩(wěn)定性；

（4）與服務(wù)于主機起動空氣系統(tǒng)連通，使起動空氣系統(tǒng)具備向SCR供氣系統(tǒng)輸送壓縮空氣的能力，以便在必要時為SCR系統(tǒng)補充空氣；

（5）適當加大SCR供氣系統(tǒng)管路的通徑，控制管路流速，減小壓縮空氣的流動阻力，改善管系的供氣能力和緩沖能力。

SCR供氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化示意圖，如圖4所示。

圖4 ?SCR供氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化示意圖

4 ? ? 結(jié)語

SCR系統(tǒng)的壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)對其正常工作有著重要作用，對其脫硝效果亦有重大影響。本文以某85000DWT散貨船為案例，分析SCR供氣在設(shè)計和應(yīng)用過程中遇到的問題原因，建設(shè)性地提出了供氣系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化方案。

參考文獻

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