1 100TEU 集裝箱船二沖程柴油主機除氮裝置的選型及應(yīng)用

朱智星，劉嘉平，周柳英，吳興武，陳列峰

（廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510715）

1 前言

二沖程柴油主機主要應(yīng)用于遠洋及近海船舶運輸，在法規(guī)方面主要是滿足國際海事組織（IMO）的規(guī)定。目前IMO 已設(shè)立的NOx 控制區(qū)，要求自2016 年起在控制區(qū)內(nèi)執(zhí)行TIER Ⅲ標(biāo)準，在非控制區(qū)的全球范圍內(nèi)要求執(zhí)行TIER Ⅱ標(biāo)準。

對于TIER Ⅲ標(biāo)準的NOx 排放控制，主要有如下三類方法：第一類是機內(nèi)凈化。目前主流的技術(shù)方案是廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)；第二類是廢氣后處理。目前主流的技術(shù)方案是選擇性催化還原（SCR）技術(shù)；第三類是采用替代燃料。其主要代表是使用天然氣的低壓雙燃料發(fā)動機。

選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，在各大品牌的低速柴油機產(chǎn)品中被廣泛采用，其主要優(yōu)點是對低速柴油機的性能影響很小、適用性強、技術(shù)成熟、運行可靠、降低噪聲；而其存在的主要問題，是系統(tǒng)占用空間大、運行成本相對較高。

2 SCR 系統(tǒng)基本原理

廢氣中的污染性氮氧化物（NOx）、碳氧化物（CO）和碳氫化合物（HC）的濃度，需安全地減低至特定的排放限額。SCR 技術(shù)可以大幅度降低上述污染物的濃度，最終轉(zhuǎn)化為對大氣無害的N2 和H2O，過程如下：

尿素溶液噴射：CO(NH2)2 + H2O

尿素溶液轉(zhuǎn)化為氨氣：CO(NH2)2 + H2O → NH3 + CO2

氨氣與氮氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)：NOx + NH3 + O2 → N2 + H2O

3 二沖程柴油主機HPSCR 系統(tǒng)布置及原理

3.1 HPSCR 系統(tǒng)布置圖

見圖1 所示。

圖1 二沖程柴油主機HPSCR 系統(tǒng)布置圖

3.2 基本原理

（1）TIER Ⅱ模式

RSV 閥及RTV 閥關(guān)閉、RVV 閥及RBV 閥打開，壓縮空氣經(jīng)RVV 和RTV 的旁通節(jié)流孔板和廢氣一起直接經(jīng)過渦輪增壓器排向大氣，如圖2 所示。

圖2 二沖程柴油主機HPSCR 系統(tǒng)TIER Ⅱ模式

（2）TIER Ⅲ模式

RSV 閥及RTV 閥打開、RVV 閥及RBV 閥關(guān)閉，廢氣經(jīng)RSV 閥、混合管、反應(yīng)室、RTV 閥后經(jīng)過渦輪增壓器排向大氣，如圖3 所示。

圖3 二沖程柴油主機HPSCR 系統(tǒng)TIER Ⅲ模式

4 二沖程主機HPSCR 系統(tǒng)配置

HPSCR 系統(tǒng)構(gòu)成主要包括：主機、尿素艙、尿素溶液、尿素供給單元、尿素計量單元、混合管、反應(yīng)室、排煙管等。

4.1 尿素艙

（1）防腐

尿素艙需進行特涂處理或采用不銹鋼艙柜，以達到防腐和使用性能。根據(jù)實際尿素消耗來計算艙容大小，并依據(jù)其成本決定采用不銹鋼柜還是特涂處理的結(jié)構(gòu)艙。該船采用特涂處理的結(jié)構(gòu)艙。

（2）存儲

40%濃度尿素溶液的儲存溫度一般以0～35 ℃為宜。為了將儲存溫度盡可能地控制在35 ℃以下，該船尿素溶液艙的溫度控制是采用海水盤管方式，而海水溫度一般在32 ℃以下；考慮到機艙的設(shè)計環(huán)境溫度為45 ℃，并在艙柜表面做絕熱包覆，在艙柜上安裝溫度計來監(jiān)測溶液溫度。

（3）艙容

艙容需滿足主輔機運行的消耗量。該船主機MCR工況尿素耗量為200L/h、4.8 m3/天。配置65 m3的主機尿素艙，可以滿足約13 天使用要求。

4.2 尿素溶液質(zhì)量

根據(jù)主機要求，選用尿素溶液濃度為40%。

4.3 排煙管系統(tǒng)

（1）材質(zhì)

主機為高壓SCR，透平前排氣管由于高溫高壓要求管材采用15CrMoR，透平后按常規(guī)選用Q235B。

（2）背壓要求

主機高壓SCR 系統(tǒng)布置在透平前，不影響主機透平出口背壓；透平后出口背壓按常規(guī)不大于300 mbar。

4.4 壓縮空氣系統(tǒng)

（1）空氣質(zhì)量要求

根據(jù)主機SCR 的空氣質(zhì)量要求：空氣顆粒度/水分/油分需滿足ISO 8573-1，class2.4.2 要求。通過配置空氣干燥器來達到空氣質(zhì)量要求。

（2）空氣耗量

該船主機SCR 的空氣消耗量，如表1 所示。

表1 主機SCR 的空氣消耗量

5 總結(jié)

MARPOL 公約附則VI 第三階段已實施執(zhí)行，航線含有控制區(qū)的船舶均需滿足此要求。通過對船二沖程柴油主機除氮裝置的選型分析和實際應(yīng)用，保證了該船能滿足TIER Ⅲ的排放要求，并為除氮裝置的安裝積累了經(jīng)驗，可為其他船舶提供借鑒。