基于SCR[1]系統(tǒng)支線集裝箱船滿足排放III標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

周 兵， 袁瑞軍， 江齊鋒

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510727)

基于SCR[1]系統(tǒng)支線集裝箱船滿足排放III標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

周 兵， 袁瑞軍， 江齊鋒

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510727)

針對2016年1月1日起，在排放控制區(qū)域生效的IMO排放III標(biāo)準(zhǔn) ，在對其深入研究的基礎(chǔ)上結(jié)合公司目前在建集裝箱船的具體情況，進(jìn)行配置方案對比和經(jīng)濟(jì)性分析，選擇最適合支線集裝箱船滿足排放III的技術(shù)解決方案。

排放控制區(qū)(ECA)；排放III；支線集裝箱船

0 引言

隨著2016年1月1日IMO排放III標(biāo)準(zhǔn)的正式實(shí)施，新建船舶航行于排放控制區(qū)(Emission Control Area, ECA)必須滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，市場對此需求量很大，開發(fā)前景廣闊。多年來文沖船廠一直從事支線集裝箱船的研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造工作，相繼完工1 100～ 3 400 TEU等多型支線集裝箱船，在全世界支線集裝箱船建造的舞臺上占有較大比重。

對于支線集裝箱船來說，由于受到其主尺度的限制，設(shè)備空間布置特別緊湊，必須對此進(jìn)行深入研究，進(jìn)行多種配置方案對比和經(jīng)濟(jì)性分析，選擇最適合支線集裝箱船滿足排放III標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)解決方案。這對在當(dāng)前嚴(yán)峻市場形勢下承接訂單、占領(lǐng)新的集裝箱船市場有著重要意義。

1 Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)研究

Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)主要包括硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)兩個(gè)方面的控制要求。目前氮氧化物排放控制區(qū)NECA主要位于北美，包括加拿大和美國加勒比海域。建造日期在2016年1月1日之后的船舶在NECA區(qū)域航行都須滿足NOx-Tier III排放的要求。目前硫氧化物排放控制區(qū)SECA除了NECA區(qū)域外還有歐洲海域。2015年1月1日以后建造的船舶在SECA區(qū)域航行都須滿足SOx-Tier III排放的要求。預(yù)計(jì)未來還會有更多的國家陸續(xù)跟進(jìn)加入ECA，如墨西哥、土耳其、日本等。中國交通部也在2015年年底發(fā)布了有關(guān)在中國3個(gè)ECA(珠三角水域、長三角水域、環(huán)渤海水域)內(nèi)，即將陸續(xù)執(zhí)行船舶硫氧化物排放控制要求的新標(biāo)準(zhǔn)。

滿足SOx排放的具體執(zhí)行時(shí)間如圖1所示。

圖1 燃料含硫量限值及執(zhí)行時(shí)間

Tier III有關(guān)NOx排放控制標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

圖2 NOx排放標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行時(shí)間

滿足ECA的SOx排放限制標(biāo)準(zhǔn)，主要有以下三種方法：一是選擇使用硫含量低于0.1%的燃油；二是選擇增加尾氣后處理系統(tǒng)即增加脫硫裝置等；三是選擇采用LNG作燃料。

為滿足ECA的NOx排放要求，在Tier II階段，柴油機(jī)廠家通過控制柴油機(jī)內(nèi)部的燃燒溫度來滿足規(guī)范要求。但到Tier III階段，僅由柴油機(jī)的燃燒控制已無法滿足排放要求，必須增加后處理設(shè)備才能滿足Tier III-NOx排放控制的要求。后處理設(shè)備目前主要有廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR) 和選擇性催化還原反應(yīng)(Selective Catalytic Reduction，SCR)兩種，其原理和設(shè)備尺寸均不相同，需根據(jù)船舶的設(shè)計(jì)和配置進(jìn)行合理的選擇應(yīng)用。

2 滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配置分析和經(jīng)濟(jì)性研究

2.1 滿足Tier III-SOx排放方法研究

滿足Tier III-SOx排放控制主要有以下3種方法。

(1) 控制油品的硫含量，如采用低硫油MGO等。滿足2015年ECA硫排放限制要求的燃油，其硫含量低于0.1%。由于這種油的黏度較低，不能滿足柴油機(jī)對燃油黏度的最低要求，因此船上通常會對MGO進(jìn)行冷卻降溫增加油的黏度。

(2) 增加尾氣后處理系統(tǒng)，如增加脫硫裝置等。采用化學(xué)的方法清除柴油機(jī)排氣中的硫化物以達(dá)到硫排放要求。簡單而言就是SOx與水反應(yīng)生成硫酸，用海水與硫酸中和祛除廢氣中的SOx。 系統(tǒng)分為開式、閉式和混和式，根據(jù)不同的運(yùn)行海域來確定。

(3) 雙燃料動力的應(yīng)用，如采用雙燃料等。LNG 燃料中基本不含硫，燃燒后廢氣中不存在SOx, 在非ECA使用普通燃油,在ECA使用LNG燃料，可以滿足Tier III的要求。

3種方案各有優(yōu)劣。采用第一種方案：初期投資比較少，但因MGO油價(jià)格昂貴，造成后期運(yùn)營成本高；采用第二種方案：后期運(yùn)營成本較低，但初期投資較高，一套脫硫裝置的價(jià)格一般在300萬～500萬美元；采用第三種方案，初期投資成本較高，LNG系統(tǒng)造價(jià)昂貴，不過運(yùn)營成本會比較有優(yōu)勢，且能同時(shí)滿足硫排放和氮排放要求。

2.2 滿足Tier III-NOx排放方法研究

滿足Tier III-NOx排放控制主要有以下3種方法。

(1) EGR。這個(gè)系統(tǒng)是由著名主機(jī)廠商MAN 開發(fā)的, 主要是利用廢氣再循環(huán)來減少NOx的含量。EGR 是柴油機(jī)本身的系統(tǒng)，但還需要增加一套額外的水處理系統(tǒng)。

(2) SCR。利用尿素噴射到廢氣內(nèi)充分混合，在一定溫度和催化劑的作用下，尿素分解的NH3和NOx反應(yīng)，生成N2和H2O，減少NOx含量。 SCR由于是化學(xué)反應(yīng)故而對反應(yīng)溫度有要求，一般要求大于320 ℃。對于四沖程發(fā)動機(jī)，排氣溫度較高，可直接裝在增壓器后。 二沖程發(fā)動機(jī)(主機(jī))增壓器后排氣溫度較低,必須裝在增壓器前或在增壓器后安裝(須帶額外的加熱裝置)。

(3) 采用雙燃料。由于LNG燃燒溫度較燃油低，燃燒時(shí)候的CO2排放量會降低近20%，氮氧化物的排放量會降低近80%，可以滿足Tier III關(guān)于NOx排放控制的要求。但并不是雙燃料柴油機(jī)全部滿足Tier III的要求。目前WARTSILA DF雙燃料柴油機(jī)滿足Tier III的要求。 MAN GI/ DF雙燃料柴油機(jī)不滿足Tier III的要求，需加后處理才能滿足。主要原因是因?yàn)镸AN機(jī)雙燃料采用的是Diesel循環(huán)高壓LNG系統(tǒng)，而WARTSILA機(jī)采用的是OTTO循環(huán)低壓LNG系統(tǒng)。

EGR 和SCR的價(jià)格為60～75 EUR/(kW·h)，1 700 TEU主機(jī)如果增加SCR或EGR系統(tǒng)，主機(jī)成本大約需要增加85 萬～100萬歐元，發(fā)電機(jī)成本大約需要增加35 萬～40萬歐元。

3種方法各有優(yōu)劣。EGR系統(tǒng)僅用于MAN機(jī)，需要多出一套額外的水處理系統(tǒng)，需要大量的位置空間，且EGR附著于主機(jī)，對安裝位置空間限制很大，價(jià)格比SCR系統(tǒng)要貴。SCR系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各大柴油機(jī)廠家的二沖程和四沖程機(jī)，且有較多的SCR配套廠家，應(yīng)用范圍最廣，布置位置比較靈活，也是目前最適合我廠選用的一種方法。雙燃料雖然是一種較好的能同時(shí)滿足SOx和NOx排放控制的方法，但初期投資較大，造價(jià)昂貴，且LNG罐需要占用較多貨運(yùn)集裝箱空間。

綜上所述，目前滿足ECA Tier III要求的船型配置技術(shù)主要有以下5種：低硫油+SCR；低硫油+EGR；洗硫塔+SCR；洗硫塔+EGR；雙燃料。最適合船廠選擇的支線集裝箱船滿足Tier III的設(shè)備配置方案為低硫油+SCR方案。該方案布置比較靈活簡單，在設(shè)計(jì)的可行性和船舶的經(jīng)濟(jì)性方面都能達(dá)到較好的效果。

3 關(guān)鍵設(shè)備SCR系統(tǒng)技術(shù)研究

3.1 SCR系統(tǒng)原理

SCR系統(tǒng)的原理主要是采用氨水或尿素溶液(40%)，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，在SCR觸媒表面，氮氧化物(NOx)還原為氮?dú)?N2)和水(H2O)。

SCR系統(tǒng)主要組件包括SCR反應(yīng)器(包含催化裝置)、尿素定量供給及噴射系統(tǒng)、混合管、壓縮空氣系統(tǒng)及吹灰裝置、控制系統(tǒng)等。通過對旁通閥的控制，可以在Tier II和Tier III之間切換，如圖3所示。

圖3 SCR系統(tǒng)原理圖

3.2 SCR系統(tǒng)布置方案

(1) 增壓器前布置：高壓SCR系統(tǒng)(只適用于主機(jī))。SCR 反應(yīng)器安裝在渦輪增壓器之前，屬于高溫高壓型SCR系統(tǒng)，可以選用溫度高于300 ℃的催化劑。該技術(shù)方案抗硫中毒性能高，對燃料含硫量不敏感，可適用重油燃料。柴油機(jī)SCR系統(tǒng)工作方式如圖4所示。

圖4 增壓器前SCR系統(tǒng)

(2) 增壓器后布置：低壓SCR系統(tǒng)(適用于主機(jī)和發(fā)電機(jī)組柴油機(jī))。增壓器后布置工作方式如圖5所示。根據(jù)所選用的催化劑性能的不同，低壓SCR系統(tǒng)又可以分為如下兩種形式。

圖5 增壓器后SCR系統(tǒng)

① 低溫催化劑方案。SCR 反應(yīng)器安裝在渦輪增壓器之后，屬于低溫低壓SCR系統(tǒng)，可以選用溫度低于300 ℃的催化劑。該技術(shù)方案可以從源頭解決中低負(fù)荷及?？扛蹠r(shí)SCR對NOx轉(zhuǎn)化率低的問題。一方面，柴油機(jī)可以維持原設(shè)計(jì)不做任何改變；另一方面，SCR布置靈活，可以不占用主機(jī)空間，布置在合適位置，如圖6所示。

圖6 增壓器后布置SCR示意圖(不帶加熱系統(tǒng))

② 增壓器后SCR系統(tǒng)(常規(guī)催化劑，SCR帶加熱系統(tǒng))。該方案和低溫催化劑方案相比，采用常規(guī)催化劑，催化劑費(fèi)用相對較低，但由于主機(jī)增壓器后溫度達(dá)不到催化劑反應(yīng)溫度，SCR系統(tǒng)還需要配備額外的加熱系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 增壓器后布置SCR示意圖(帶加熱系統(tǒng))

3.3 SCR系統(tǒng)供貨范圍

SCR廠家一般常規(guī)供貨范圍：尿素罐、泵站、旁通閥門、反應(yīng)器、傳感器、SCR控制箱、NOx控制箱、尿素噴槍噴嘴、蒸發(fā)混合管、調(diào)節(jié)單元、計(jì)量單元等。

4 實(shí)例研究

以某1 700 TEU淺吃水集裝箱船為實(shí)例，深入研究SCR系統(tǒng)的主副機(jī)布置方案。

4.1 主機(jī)SCR方案

結(jié)合公司某1 700 TEU淺吃水集裝箱船型的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)SCR滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的布置方案如下。

主機(jī)：6RT-flex 58T-E,13 560 kW,105 r/min，GL船級社；

廢氣流量：25 750～73 500 kg/h；

溫度范圍：300～430 ℃；

反應(yīng)器尺寸：Φ2 300×6 978；

廢氣管路：DN900；

尿素消耗量(溶液中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%)：max 230 L/h；

壓縮空氣消耗量：max 400 N·m3/h,8 bar；

電力消耗量：約67.8 kW(按5 kW/MW SMCR計(jì)算)。

SCR整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格：約75 EUR/(kW·h)。

具體SCR相關(guān)機(jī)艙布置圖如圖8所示。

圖8 主機(jī)SCR機(jī)艙實(shí)際布置圖

4.2 副機(jī)SCR方案

副機(jī)由于是四沖程機(jī)，廢氣溫度高，SCR 反應(yīng)器一般都安裝在發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)、增壓器之后，且不需要配備額外的加熱系統(tǒng)(見圖9)。

圖9 副機(jī)SCR示意圖

布置方案：

副機(jī)：MAN 6L21/31，1 250 kW×4臺；

船級社：GL；

廢氣流量：10 300 kg/h;

溫度范圍：350～460 ℃;

反應(yīng)器尺寸：1 200(L)×1 250(B)×2 900(H)；

廢氣管路：DN500;

尿素消耗量(溶液中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%)：max 14 L/h；

壓縮空氣消耗量：max 12 N·m3/h,8 bar；

電力消耗量：約25 kW(按5 kW/MW SMCR計(jì)算)；

SCR整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格：約75 EUR/(kW·h)。

副機(jī)SCR在機(jī)艙的實(shí)際布置如圖10所示。

圖10 副機(jī)SCR機(jī)艙實(shí)際布置圖

4.3 布置注意事項(xiàng)

船廠配置40%濃度尿素溶液柜，儲存溫度需要一直保證在5～35 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，因此需要配備必要的海水冷卻裝置。

SCR連接管路材質(zhì)要求防腐蝕，如不銹鋼或玻璃鋼管等。混合管直管段長度有要求，一般可要求廠家供貨。

柴油機(jī)和SCR可以分開取證，裝船后測試再取得Tier III證書。也可以柴油機(jī)打包SCR，在車間試驗(yàn)中就取得Tier III證書。從降低船廠的風(fēng)險(xiǎn)考慮，建議選擇第二種取證方式。

如果在SCR工作期間使用廢氣鍋爐，鍋爐中相對較低的溫度會導(dǎo)致硫酸氫銨(由燃油中的硫與SCR過程中的氨反應(yīng)生成)發(fā)生沉淀，即使使用低硫油，沉積物仍然會很多，將嚴(yán)重影響鍋爐的使用性能和壽命。根據(jù)SCR性能的綜合性考慮，建議安裝一個(gè)廢氣鍋爐旁通，以便在SCR工作期間使用，以保證鍋爐的性能和壽命不受到較大的影響。

5 結(jié)束語

針對支線集裝箱船的特點(diǎn)，綜合研究了目前滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的各種主流方法。從經(jīng)濟(jì)性和布置方面考慮，選用低硫油+SCR作為優(yōu)選方案，并結(jié)合公司在造的1 700 TEU集裝箱船產(chǎn)品，通過升級改造，完成了一整套能滿足ECA Tier III排放要求的支線集裝箱船的布置解決方案，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性和可推廣性，同時(shí)為其它船型升級提供了良好的技術(shù)支持。

[1] 李海鷹.中速船用柴油機(jī)的仿真及低NOx排放優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[2] 孫培廷.國際海事組織《MARPOL公約》附則Ⅵ的實(shí)施要點(diǎn)研究[C]//大連海事大學(xué)校慶暨中國高等航海教育90周年論文集(機(jī)電分冊)，1999：45-49.

[3] 程琪.船用低速柴油機(jī)SCR技術(shù)介紹[R].滬東重機(jī)有限公司,2015.

[4] YARA Company. SCR Systems for Marine Diesel Engines[R].2015.

[5] MAN Company. MAN Tier III Two-Stroke Technology[R].2015.

[6] WinGD Company. Wartsila Tier III Two-Stroke Technology[R].2015.

Application of Feeder Container Vessel to Comply with Tier III Base on SCR System

ZHOU Bing, YUAN Ruijun, JIANG Qifeng

(CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co., Ltd., Guangzhou 510727, Guangdong， China)

Tier III rules in Emission Control Area(ECA) came into force on January 1st, 2016. Based on deep research of feeder container vessel, this paper makes comparison with the different configuration scheme, arrangement and analyzes the cost to choose the best technical solutions for feeder container vessel to comply with Tier III.

Emission Control Area(ECA); Tier III; feeder container vessel

周 兵(1983-)，男，工程師，主要從事船舶輪機(jī)方面的研究。

U662

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