基于SCR系統(tǒng)的船舶排放設(shè)計和測試

呂曉輝，李家?guī)?/p>

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，湖北 武漢 430070)

國際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會近年來陸續(xù)頒布了“MEPC.198(62)《2011 年關(guān)于裝有選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)船用柴油機(jī)特殊要求的2008 年NOx技術(shù)規(guī)則補(bǔ)充指南》及其修正案”，“MEPC.251(66) MARPOL附則VI和2008 NOx技術(shù)規(guī)則修正案”等，對船舶氮氧化物(NOx)的排放(約占全球NOx排放總量15%左右[1])提出嚴(yán)格要求。在燃燒過程中形成NOx的先決條件是氮和氧(占柴油機(jī)吸入空氣的99%)，在柴油機(jī)的燃料燃燒過程中氧氣被消耗，多余氧氣的數(shù)量是空氣/燃料比的函數(shù)，在燃燒過程中大多未起反應(yīng)；氧氣有很小一部分將被氧化形成多種形式的NOx,包括一氧化氮和二氧化氮。NOx能引起酸化，形成對流層臭氧等，對人類健康造成危害。

根據(jù)海事組織要求，2016年1月1日或以后建造的船舶上安裝的柴油機(jī)在排放控制區(qū)(ECA)均要滿足排放Tier III要求(柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n<130r/min時，NOx排放限制在3.4 g/(kW·h)以下；130 r/min≤n<2 000 r/min時，NOx排放限制在9×n-0.2g/(kW·h)以下；n≥2 000 r/min時，NOx排放限制在1.96 g/(kW·h)以下)。相比較而言，Tier III排放的應(yīng)用能比Tier II排放降低約70%，大大改善全球空氣質(zhì)量，緩解日益嚴(yán)峻的環(huán)境形勢。

1 SCR化學(xué)反應(yīng)原理

SCR系統(tǒng)通過將排放氣體中的NOx轉(zhuǎn)化為大氣中自然存在的氮?dú)夂退魵鈦斫档推渑欧?。這個過程需要還原劑(NH3)、足夠高的溫度和讓排放氣體通過的催化劑陣列。因NH3不便于搬運(yùn)和儲存，故尿素溶液是最好的替代品，尿素溶液被注入到高溫的排放氣體流中發(fā)生反應(yīng)，NH3通過如下化學(xué)反應(yīng)形成。

(1)

(2)

SCR系統(tǒng)的反應(yīng)根據(jù)如下化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行：

(3)

(4)

(5)

2 SCR系統(tǒng)組成和布置

2.1 系統(tǒng)組成

典型的SCR系統(tǒng)組成見圖1，包括滿足Tier II要求的柴油機(jī)，尿素艙，尿素泵單元(泵排量≥1 m3/h，需提供DNV GL產(chǎn)品證書)[2]，計量單元,混合單元，反應(yīng)單元,壓縮空氣瓶和吹灰系統(tǒng)，以及控制單元及其他傳感器等。

圖1 SCR典型系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)工作原理和布置

在MT6023項目中，4臺MAN主柴油發(fā)電機(jī)組(3 500 kW)和1臺Caterpillar港泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組(900 kW)分別配備了SCR系統(tǒng)，但共用1個尿素泵單元(包括2臺尿素泵，1用1備)、1個船體結(jié)構(gòu)尿素艙和1臺控制/監(jiān)控單元，壓縮空氣由船舶系統(tǒng)外供過來。

尿素溶液(體積百分?jǐn)?shù)為40%, 規(guī)格按照ISO22241-1/2標(biāo)準(zhǔn))從尿素艙經(jīng)尿素泵通過閉式循環(huán)后回到尿素艙，同時尿素計量單元中的噴射泵能夠從尿素循環(huán)管線中抽吸尿素至混合單元中并計量，后在壓縮空氣的作用下在混合單元中進(jìn)行霧化，同時壓縮空氣能在起始階段冷卻混合單元中的噴嘴以及在關(guān)閉階段吹掃清潔噴嘴。霧化后的尿素隨著高溫?zé)煔獾牧鲃舆M(jìn)入反應(yīng)單元(鋼制殼體，涂有特殊耐高溫油漆)，為保證其與煙氣充分混合，在進(jìn)入反應(yīng)單元前，需要一段至少1.8 m長的直管段，且其材料為耐尿素腐蝕的SS316L不銹鋼。反應(yīng)單元中作為SCR系統(tǒng)核心的蜂窩式催化反應(yīng)劑，其具有表面積大、活性高、體積小、易于拆卸和裝填等優(yōu)點，占據(jù)大部分市場[2]。注意安裝時蜂窩孔要與煙氣流向一致。此外，在反應(yīng)單元的進(jìn)出口配有溫度傳感器，出口配有氮氧化物成分傳感器和壓差傳感器等，采用閉環(huán)的控制反饋系統(tǒng)來監(jiān)控反應(yīng)狀態(tài)。同時根據(jù)柴油機(jī)提供的負(fù)荷信號，控制單元能夠控制反應(yīng)劑的噴射量。

在MT6023實船的主機(jī)SCR排煙系統(tǒng)布置中，高溫?zé)煔鈴闹鳈C(jī)出來后分別流經(jīng)SCR混合單元、不銹鋼直段混合管、SCR反應(yīng)單元、消音器等從煙囪頂部排外。同時，因煙囪的結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間狹小且煙管管徑較大(SCR反應(yīng)單元進(jìn)口前部管段直徑為800 mm，后部管段直徑為700 mm)，需滿足主機(jī)排氣背壓的限制要求和部件維護(hù)保養(yǎng)空間要求，故整個排煙管路布置較為緊湊。

良好的催化還原反應(yīng)需要足夠的高溫條件，過低的煙氣溫度容易造成反應(yīng)緩慢，效果差，甚至出現(xiàn)不利于脫除NOx的副反應(yīng)，如煙氣中的H2O、SO2/SO3與NH3生成硫酸銨鹽的反應(yīng)變快，產(chǎn)物覆蓋在催化劑表面，降低催化劑活性。MT6023項目根據(jù)SCR廠家要求按照280 ℃進(jìn)行，即要求在渦輪增壓器出口后的機(jī)組煙氣溫度至少達(dá)到280 ℃，否則需要考慮增加加熱裝置使煙氣溫度提高至催化反應(yīng)溫度。

3 排放測試

結(jié)合IMO以及船級社要求，總結(jié)分析了SCR系統(tǒng)的排放測試取證方案如下，參考MEPC.198(62)(2011)。

3.1 方案一

方案一為對裝有SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)，前期檢驗發(fā)證時，通過臺架試驗，證明其排放符合性的檢驗方法。該方案適用于柴油機(jī)和SCR系統(tǒng)由同一廠家提供，可在柴油機(jī)廠家一次性完成排放Tier III的測試和取證，免于后期上船測試。主要流程為：①資料和圖紙送船級社審核(柴油機(jī)廠家或SCR廠家進(jìn)行)；②柴油機(jī)+SCR系統(tǒng)臺架排放試驗；③船級社簽發(fā)排放符合證書(柴油機(jī)國際防止空氣污染證書，EIAPP)。

3.2 方案二

方案二由于試驗條件限制，無法通過臺架試驗驗證柴油機(jī)的排放符合性，通過建模計算和船上初次確認(rèn)試驗等，證明其排放符合性的一種檢驗方法。主要流程為：①資料和圖紙送船級社審核(柴油機(jī)廠家或SCR廠家進(jìn)行)；②模型試驗；③NOx轉(zhuǎn)化率計算；④計算工具審批及驗證試驗(柴油機(jī)+SCR)；⑤船級社簽發(fā)排放符合證書(EIAPP)。

3.3 適用的試驗循環(huán)和加權(quán)因數(shù)

對發(fā)動機(jī)組的每一單機(jī)或母型機(jī)，應(yīng)使用3.1和3.2規(guī)定的一個或多個試驗循環(huán)以核實適用的NOx排放限值，參考MEPC.177(58)(2008)。MT6023的主發(fā)電柴油機(jī)適用E2循環(huán)，見表1;港泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)適用D2循環(huán)，見表2。

表1 應(yīng)用于“恒速主推進(jìn)”的E2試驗循環(huán)

表2 應(yīng)用于“恒速輔發(fā)動機(jī)”的D2試驗循環(huán)

3.4 MT6023實船試驗分析

因MT6023項目的獨(dú)特性，主發(fā)電機(jī)組、港泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、SCR系統(tǒng)由不同的生產(chǎn)廠家、不同的國家地區(qū)生產(chǎn)，交貨周期不同，船舶建造周期緊張，柴油機(jī)廠家試驗臺架難以滿足車間Tier III試驗要求等，經(jīng)船級社認(rèn)可后的實船排放驗證試驗過程使用“替代方案”。

3.4.1 試驗前準(zhǔn)備工作

1)柴油機(jī)+SCR系統(tǒng)分別完成其自身的船上系統(tǒng)調(diào)試，滿足完全可操作條件。

2)聯(lián)系滿足船級社要求的排氣測試專業(yè)實驗室/公司，測量儀器需要2 m×2 m的安裝操作空間以及電源和壓縮空氣等,測量用電力負(fù)載箱。

3)排煙管上的取樣接口點的選取。取樣點1位于柴油機(jī)渦輪增壓器出口后至少10倍管徑的直管段上；取樣點2位于排煙出口前至少0.5 m或3倍管徑(二者取大)的直管段上。提前考慮到設(shè)計圖紙階段，可以節(jié)省后期現(xiàn)場的修改工作量。

4)試驗用燃油(滿足ISO-8217 DM級要求)取樣。

5)為保證試驗數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，對于每臺試驗柴油機(jī)上的儀表需要確保足夠的精度和校驗有效期。儀表校驗要求見表3。

表3 儀表校驗要求

有效期是指在做試驗前的3個月，因為柴油機(jī)機(jī)組配置不同，上述儀表有的是機(jī)組自帶，有的需要在外部管路上額外配置，如能在設(shè)計圖紙階段提前考慮上述要求，可以節(jié)省后期現(xiàn)場的修改工作量。

6)試驗前需提交船級社認(rèn)可的資料：測試計劃安排(包括每個測量負(fù)荷下的功率修正)；每臺柴油機(jī)的技術(shù)文件；校驗證書(功率、消耗、壓力、溫度等)；冷卻水系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)原理圖等。

3.4.2 試驗過程

1)船級社須在船上查驗所有在排放技術(shù)文件中指定的、和NOx相關(guān)的機(jī)組零件的IMO零件號，對于4臺主發(fā)電機(jī)組，每一臺均需現(xiàn)場核對。

2)柴油機(jī)+SCR系統(tǒng)設(shè)定為柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)(在額定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，干凈的空氣濾器進(jìn)氣壓力對應(yīng)值)；最大的排氣背壓系統(tǒng)(在柴油機(jī)技術(shù)文件中的額定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的背壓值，允許偏差±6.5×102Pa)；增壓空氣冷卻系統(tǒng)。

3)所有柴油機(jī)須在Tier II和Tier III模式下運(yùn)行測試，分別測量排放成分，如CO、CO2、HC、NOx等。

4)由于不同的布置，主、輔柴油機(jī)必須使用不同的程序分別進(jìn)行測試。具體測試要求為：①測試需在海上或者碼頭進(jìn)行，需具備良好的天氣狀況和正確的船舶吃水。②使用化學(xué)發(fā)光分析儀、順磁分析儀、紅外分析儀等對排放氣體成分(CO、CO2、HC、NO)測量。

5)測量穩(wěn)定負(fù)荷后的機(jī)組參數(shù)(柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、電功率數(shù)據(jù)和功率因數(shù)等需滿足試驗要求)。

6)測量、記錄排氣數(shù)據(jù)；檢查排氣測量設(shè)備；測量環(huán)境狀態(tài)(溫度、濕度、大氣壓力)；在取樣點測量排氣溫度。

7)柴油機(jī)+SCR參數(shù)測量(溫度、壓力等)。測量、記錄和平均測量值(除了上述排氣測量)。選取4臺主柴油機(jī)組中的1臺作為母型機(jī)，按照E2模式4個負(fù)荷分別運(yùn)行，測量30 min，預(yù)計完成時間為5～6 h。該機(jī)組測量的排放II和III數(shù)據(jù)可以涵蓋其他3臺作為成員機(jī)的主柴油機(jī)組。

8)1臺港泊/應(yīng)急柴油機(jī)組按照D2模式5個負(fù)荷分別運(yùn)行，測量30 min，預(yù)計完成時間為5～6 h。測量完成后，燃油需要取樣分析。

9)測量完成后，出具排放試驗分析/報告，包括排放結(jié)果、使用的設(shè)備證書、燃油取樣。

10)提交完工資料，船級社發(fā)EIAPP Tier III證書。

4 結(jié)束語

基于當(dāng)前國際背景下的船舶節(jié)能減排的必然趨勢，結(jié)合在建船舶獨(dú)特的SCR系統(tǒng)，將其工作原理、系統(tǒng)組成、設(shè)計布置等進(jìn)行了研究，并對實船排放Tier III的測試過程和公約規(guī)范的要求進(jìn)行了分析總結(jié)，能夠為實船的排放測試起到參考意義。