5 884 kW全回轉(zhuǎn)拖船柴油機(jī)SCR系統(tǒng)應(yīng)用研究

呂全亮，孫紅娟，朱 勝

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

0 引言

全國(guó)各大港口都在堅(jiān)持綠色港口的理念，其目標(biāo)是建設(shè)環(huán)境污染小、能源利用率高、綜合效益大、發(fā)展?jié)摿玫目沙掷m(xù)發(fā)展的港口。全回轉(zhuǎn)拖船作為港口運(yùn)行的必備機(jī)械，必須順應(yīng)綠色發(fā)展的要求，在減少?gòu)U氣排放上不斷探索和研究。目前各港口全回轉(zhuǎn)拖船97%采用柴油作為主燃料，因此如何降低以柴油作為主燃料的全回轉(zhuǎn)拖船廢氣排放量成為研究重點(diǎn)[1]。根據(jù)目前的技術(shù)水平，僅僅依靠柴油機(jī)自身減排技術(shù)已經(jīng)很難滿足Tier Ⅲ的標(biāo)準(zhǔn)，這就意味著柴油機(jī)必須通過(guò)后處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。柴油機(jī)尾氣NOX排放應(yīng)對(duì)措施主要包括選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)(EGR)[2]，其中：EGR技術(shù)只適用于低速柴油機(jī)且會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)油耗大大增加，SCR技術(shù)因其技術(shù)成熟、布置靈活被廣泛應(yīng)用[3]。

SCR系統(tǒng)主要應(yīng)用在大型散貨船、集裝箱船、半潛船等遠(yuǎn)洋船舶，但其在全回轉(zhuǎn)拖船上未有應(yīng)用的實(shí)例。為此，本文以5 884 kW全回轉(zhuǎn)拖船作為研究對(duì)象，對(duì)3種工況進(jìn)行研究：一是在SCR系統(tǒng)噴射還原氣體前后，對(duì)比分析廢氣排放情況；二是在主機(jī)不同負(fù)荷情況下廢氣排放情況；三是在85%負(fù)荷下不同還原劑噴射量對(duì)廢氣產(chǎn)生的影響。

1 SCR系統(tǒng)原理

選擇性催化還原[4]是指在一定的溫度環(huán)境條件下，通過(guò)催化劑的作用，利用還原劑“有選擇性”地與煙氣中的NOX反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的氮?dú)?N2)和水(H2O)。考慮到安全性和腐蝕性，SCR系統(tǒng)還原劑一般采用尿素。SCR系統(tǒng)安裝于柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)中。柴油機(jī)正常工作時(shí)，在SCR反應(yīng)器的上游噴入尿素溶液，由于廢氣的溫度較高，尿素溶液得以蒸發(fā)霧化，并發(fā)生熱解反應(yīng)，分解為氨氣(NH3)和二氧化碳(CO2)。NH3在催化劑模塊中與廢氣混合，有選擇性地將廢氣中的NOX還原為N2和H2O[5]。SCR系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

A～G—設(shè)備接口。

2 主要技術(shù)參數(shù)

該船主要參數(shù)如下：船長(zhǎng)39.0 m，型寬13.8 m，型深5.9 m。

入級(jí)符號(hào)：★CSA TUG R1 Fire Fighting Ship1, ★CSM BRC SCM Gd-EP(GBEC) NEC(SCRS)。

本船主機(jī)采用船用高速大功率柴油機(jī)，并匹配SCR系統(tǒng)，以滿足Tier Ⅲ排放限值要求。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：型號(hào)8L28AHX(2942)，額定轉(zhuǎn)速800 r/min，額定功率2 942 kW，氣缸直徑280 mm, 活塞行程390 mm，活塞總排量24 L, 理論壓縮比16∶1, 最大氣缸壓力18 MPa。柴油機(jī)排氣溫度在180～450 ℃，滿足低壓SCR系統(tǒng)要求。

3 SCR系統(tǒng)組成及布置

SCR系統(tǒng)由SCR反應(yīng)裝置、還原劑噴射系統(tǒng)、控制裝置、排氣管及其他必要設(shè)備組成。此船SCR系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SCR系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

(1)SCR 反應(yīng)裝置：指裝有催化劑塊的總成，廢氣中 NOX與還原劑發(fā)生催化還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為 N2和 H2O 的完整裝置，它是SCR 系統(tǒng)的核心工作部件，見(jiàn)圖2。

圖2 SCR反應(yīng)裝置布置圖

此船采用上排煙。柴油機(jī)渦輪增壓器后連接彈性膨脹節(jié)，出口連接排煙管，上面連接立式SCR反應(yīng)裝置，出口連接排煙管和消音器。SCR反應(yīng)裝置底部定位在機(jī)艙棚平臺(tái)上，尿素及壓縮空氣噴槍安裝在下方，內(nèi)部上面是2組催化劑塊。

(2)催化劑塊：指供廢氣通過(guò)的一定尺寸的塊體，其內(nèi)表面含有減少?gòu)U氣中 NOX的催化劑成分。

(3)還原劑噴射系統(tǒng)：指由向噴嘴供應(yīng)還原劑的泵、向廢氣流噴射還原劑的噴嘴和噴射控制裝置組成的系統(tǒng)。

(4)SCR 電控系統(tǒng)：指實(shí)現(xiàn)還原劑噴射量控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)等功能的系統(tǒng)，主要由傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及對(duì)外接口組成。此船采用一控二控制單元(即2個(gè)SCR系統(tǒng)共用1個(gè)控制單元)?？刂茊卧习惭b有1個(gè)觸摸顯示屏可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。在控制柜面板上還有多個(gè)狀態(tài)指示燈和操作按鈕，設(shè)備可以手動(dòng)和自動(dòng)操作?？刂茊卧糜?jì)算機(jī)控制。控制尿素泵組單元的主要功能是根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速調(diào)整向廢氣中噴射尿素的劑量和壓縮空氣，以及氣體檢測(cè)、吹灰系統(tǒng)的自動(dòng)控制等功能。

(5)尿素(還原劑)存儲(chǔ)于尿素罐中。裝置運(yùn)行時(shí)，利用尿素泵加壓后，經(jīng)控制單元控制適當(dāng)?shù)膭┝克腿胙b設(shè)在催化反應(yīng)器前的噴嘴，壓縮空氣將尿素經(jīng)噴嘴噴入SCR 反應(yīng)裝置，與廢氣混合后進(jìn)入催化反應(yīng)器進(jìn)行還原反應(yīng)。

(6)催化反應(yīng)器是整個(gè)SCR裝置的核心部件。采用不銹鋼殼體，內(nèi)置多層典型的蜂窩狀催化反應(yīng)單元，各單元有足量的催化介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)充分的氣體催化還原反應(yīng)。

4 應(yīng)用實(shí)測(cè)

本次測(cè)量請(qǐng)第三方有資質(zhì)測(cè)量單位進(jìn)行測(cè)量，并有船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，試驗(yàn)所用測(cè)試設(shè)備、儀器、儀表符合中國(guó)船級(jí)社《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》(2008)的要求。取樣位置在SCR 上游的進(jìn)口排氣管上和SCR 下游的排氣管上開(kāi)預(yù)留孔，安裝連接取樣管。

選擇左主機(jī)實(shí)測(cè)，安裝取樣探頭后，連接測(cè)量?jī)x器的所有部件，讓測(cè)量系統(tǒng)及主機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)熱2 h后，分別在額定功率的100%、85%、75%、50%、35%、25%這6種負(fù)荷下進(jìn)行測(cè)量。在6種負(fù)荷下，SCR系統(tǒng)運(yùn)行10 min達(dá)到穩(wěn)定后記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。SCR停止運(yùn)行后，主機(jī)繼續(xù)在6 種負(fù)荷下分別運(yùn)行10 min，然后記錄各負(fù)荷下的測(cè)量數(shù)據(jù)。85%負(fù)荷作為船舶經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，在此負(fù)荷下SCR系統(tǒng)運(yùn)行，增加還原劑噴射量，運(yùn)行10 min，然后記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。SCR性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 SCR性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本船SCR接受指標(biāo)：滿足發(fā)動(dòng)機(jī)Tier Ⅲ階段的排放要求，考慮反應(yīng)條件及氨氣逃逸因素，各模式點(diǎn)的NOX轉(zhuǎn)化率大于70%，各模式點(diǎn)的氨氣逃逸量不應(yīng)超過(guò)10 mg/L。還原劑噴射和無(wú)還原劑噴射穩(wěn)定后的氣體排放數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3和表4。

表3 還原劑噴射氣體排放數(shù)據(jù)

表4 無(wú)還原劑噴射氣體排放數(shù)據(jù)

根據(jù)表3和表4中NOX檢測(cè)量，按照式(1)計(jì)算轉(zhuǎn)化率η，各模式下的NOX轉(zhuǎn)化率見(jiàn)表5。

(1)

式中：Cinlet為SCR反應(yīng)器進(jìn)口處測(cè)量的NOX質(zhì)量濃度，mg/L；Coutlet為SCR反應(yīng)器出口處測(cè)量的NOX質(zhì)量濃度，mg/L。

表5 各模式下NOX轉(zhuǎn)化率

以上試驗(yàn)結(jié)果顯示：SCR溫度已經(jīng)滿足反應(yīng)要求，反應(yīng)前后NOX轉(zhuǎn)化率大于70%，各模式下氨氣逃逸量≤10 mg/L，滿足要求；在85%主機(jī)負(fù)荷通過(guò)調(diào)整還原劑噴射流量，從26 L/h增加到31 L/h，轉(zhuǎn)化率提高了15%，達(dá)到了86.2%，氨氣逃逸量最高在9.72 mg/L≤10 mg/L，滿足要求。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)5 884 kW全回轉(zhuǎn)拖船柴油機(jī)匹配SCR系統(tǒng)實(shí)測(cè)研究，SCR系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件運(yùn)行參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明滿足技術(shù)要求。

(2)柴油機(jī)匹配SCR系統(tǒng)后，氮氧化物NOX排放量降低效果顯著，氨氣逃逸量較小，達(dá)到船級(jí)社規(guī)范要求，滿足用戶(hù)需求。

(3)此船的實(shí)測(cè)研究為以后相關(guān)船型的SCR系統(tǒng)應(yīng)用積累了配置經(jīng)驗(yàn)，可以在全回轉(zhuǎn)拖船上廣泛推廣。