SCR系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用

王建功

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

隨著全球船舶氣體氮氧化物NOx排放Ⅲ控制區(qū)不斷擴大,SCR系統(tǒng)在船舶上的設(shè)計安裝和操作應(yīng)用越來越受重視和關(guān)注,安裝SCR系統(tǒng)的船舶越來越多。SCR系統(tǒng)主要是對柴油機廢氣中的氮氧化物進行催化中和還原反應(yīng)處理,使廢氣排放滿足排放要求。本文從SCR系統(tǒng)的反應(yīng)原理、SCR系統(tǒng)選型、SCR系統(tǒng)船舶設(shè)計流程等方面全面介始SCR系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用。

1 SCR系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)原理

選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術(shù),即使用氨催化劑和氮氧化物進行脫硝反應(yīng)生成氮氣和水(氨水+氮氧化物=氮氣+水),從而使排出的廢氣中氮氧化物含量達到法規(guī)要求(<2.41 [g/(kW·h)])[1]?；竟ぷ髁鞒?船舶尿素艙儲存的尿素溶液(40%)通過尿素供給泵單元送到尿素計量單元,計量單元加入壓縮空氣與尿素溶液混合后噴入排氣混合管,在混合管中尿素溶液與廢氣充分混合后進入SCR反應(yīng)裝置,在催化劑模塊中進行催化還原反應(yīng),最終把廢氣中的氮氧化物反應(yīng)成氮氣和水并排入大氣。

SCR催化還原反應(yīng)主要化學(xué)式如下。

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O,

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O,

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O。

2 高低壓SCR的選型及優(yōu)缺點對比

SCR系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備安裝位置可以分為高壓SCR系統(tǒng)和低壓SCR系統(tǒng)。高壓SCR系統(tǒng)為SCR催化反應(yīng)器安裝在柴油機排氣總管與增壓器之間,SCR排氣系統(tǒng)中運行高溫、高壓的氣體,故稱為高壓SCR系統(tǒng),主要運用于主機SCR系統(tǒng)。低壓SCR系統(tǒng)為SCR催化反應(yīng)器安裝在柴油機增壓器后面,SCR排氣系統(tǒng)中運行低壓、低溫的氣體,故稱為低壓SCR系統(tǒng),主要用于主機SCR系統(tǒng)和發(fā)電機SCR系統(tǒng)[2]。高低壓SCR系統(tǒng)的選型及主要優(yōu)缺點對比見表1。

表1 高低壓SCR系統(tǒng)的選型及主要優(yōu)缺點對比

3 船舶SCR系統(tǒng)應(yīng)用說明

3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

SCR系統(tǒng)主要由船體結(jié)構(gòu)尿素溶液艙、尿素供給泵單元、尿素計量單元及噴射槍、SCR混合管、SCR催化反應(yīng)器、輔助設(shè)備、相關(guān)管系、閥附件及電氣控制系統(tǒng)等組成,相關(guān)的系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 SCR船舶系統(tǒng)原理

SCR的主要工作原理:柴油機在MGO燃料下運行并開啟SCR運行模式,SCR系統(tǒng)自動檢測控制,當排氣溫度達到工作溫度后啟動尿素泵組單元開始供給尿素溶液,尿素溶液在計量單元中與壓縮空氣按比例混合后一起噴射到SCR混合管中,尿素溶液與廢氣充分混合后進入SCR反應(yīng)器,SCR反應(yīng)器中安裝有催化劑模塊,尿素溶液中的氨氣NH3與廢氣中的氮氧化物在催化劑模塊中進行充分催化還原化學(xué)反應(yīng),最終生成氮氣和水,經(jīng)煙囪排入大氣[3]。

3.2 SCR系統(tǒng)的前期設(shè)計要點

SCR的前期設(shè)計主要為高、低壓SCR系統(tǒng)的選擇、SCR系統(tǒng)主要設(shè)備的空間布置、SCR輔助系統(tǒng)設(shè)計、SCR系統(tǒng)的試驗及證書取得。

1)高、低壓SCR系統(tǒng)的選擇。根據(jù)柴油機的參數(shù)進行初步選型,同時結(jié)合機艙空間及機艙棚結(jié)構(gòu)空間來進行高低壓SCR選擇,參考設(shè)備價格進行綜合選擇。目前船舶輔機SCR系統(tǒng)只有低壓SCR系統(tǒng)可供選配,這主要是輔機功率小及輔機機型空間等特點決定的。主機有高壓及低壓SCR系統(tǒng)選配,在設(shè)計前期可以根據(jù)主機廠家的推薦,結(jié)合主機參數(shù)、機艙空間、機艙棚空間及價格來綜合選擇SCR類型。選擇低壓SCR系統(tǒng)需增加柴油機的排氣背壓,如柴油機增壓器的排氣背壓設(shè)計由300 mm水柱增大到450 mm水柱。

2)SCR系統(tǒng)主要設(shè)備的空間布置。SCR系統(tǒng)主要設(shè)備為SCR混合筒、SCR反應(yīng)器及連接的排氣管及排氣閥等。輔機SCR混合筒和反應(yīng)器通常垂直布置安裝在機艙棚,對應(yīng)的電氣設(shè)備就近布置。主機高壓SCR的混合筒和反應(yīng)器布置在機艙主機附近,設(shè)計前期要把帶SCR混合筒及SCR反應(yīng)器的主機排氣管路設(shè)計出來,通常的SCR混合筒直徑1～2 m,長4～5 m;SCR反應(yīng)器直徑2～3 m,長5～7 m,所以設(shè)計前期要充分考慮排氣管的空間布置。現(xiàn)在有些主機廠已開發(fā)出機帶高壓SCR系統(tǒng),SCR系統(tǒng)設(shè)備完全安裝在主機上,這種設(shè)計方式節(jié)省船廠機艙空間,但是機帶SCR系統(tǒng)會占用主機排氣總管區(qū)域造成SCR系統(tǒng)部件維修空間狹小,且這種配制的主機目前價格較貴。主機低壓SCR系統(tǒng)要重點考慮機艙增壓器后的空間或機艙棚的空間,對于滾裝船及客滾船等機艙棚空間要求高的船要特別注意。SCR系統(tǒng)中其他設(shè)備主要為尿素供給泵單元、尿素計量單元及電氣控制箱等,這些設(shè)備空間小、電力負荷不大,前期作為一般考慮即可。

3)SCR系統(tǒng)中還常用到輔助系統(tǒng),如空氣系統(tǒng)、尿素溶液供給系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)和電氣控制、監(jiān)測系統(tǒng)?？諝庀到y(tǒng)主要分為0.7-0.9 MPa壓縮空氣系統(tǒng)和0.7 MPa儀表控制空氣系統(tǒng),壓縮空氣系統(tǒng)主要用于SCR計量單元空氣與尿素溶液的混合及SCR反應(yīng)器的壓縮空氣灰塵吹掃用、催化反應(yīng)用氣等,因壓縮空氣的耗氣量較大,所以需要配專用的SCR空壓機、SCR空氣瓶及對應(yīng)的壓縮空氣系統(tǒng)。SCR空壓機及SCR空氣瓶的參數(shù)按主機和輔機SCR系統(tǒng)用氣參數(shù)來選定,通常SCR空壓機的選定排量為50～300 Nm3/h,SCR空氣瓶容積為3～5 m3。SCR儀表控制系統(tǒng)主要用于SCR系統(tǒng)氣動排氣閥的開關(guān)控制,用氣量較小可以直接連接船上的控制空氣系統(tǒng)。尿素溶液是SCR催化反應(yīng)的主要原料,船舶需設(shè)計一個結(jié)構(gòu)艙室(約30～100 m3)來儲存40%尿素溶液,從成本上考慮尿素艙材質(zhì)通常為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)艙室加特殊油漆,如果用不銹鋼304結(jié)構(gòu)艙室也可以,但是成本會較高。尿素溶液艙室通常還需要冷卻和加熱來防止尿素溶液的結(jié)晶及結(jié)冰。尿素溶液的供給系統(tǒng)管子常用不銹鋼304管子,尿素系統(tǒng)還要考慮尿素溶液的加注、儲存、供給、泄放、調(diào)駁,還有個人防護裝置如個人防護及淋浴洗眼裝置等。淡水系統(tǒng)主要為尿素系統(tǒng)沖流及淋浴洗眼裝置用水。SCR系統(tǒng)電氣輔助系統(tǒng)主要考慮電氣控制箱的布置、監(jiān)測報警應(yīng)用及電力負荷的考慮等。

4)SCR系統(tǒng)與柴油機的配合試驗后需提交船級社送審并最終拿到船級社排放Ⅲ的EIAPP證書。證書獲取方式可以有SCHEME A和SCHEME B兩種形式,SCHEME A為SCR系統(tǒng)與柴油機進行工廠胎架試驗(FAT)取證,SCHEME B為柴油機和SCR系統(tǒng)上船安裝后在船上做取證試驗。從建造成本及建造時間上新造船一般按SCHEME A形式取證,同一船東的同一主機系列船可以只做首制船的SCR系統(tǒng)與柴油機配合取證試驗,首制船的SCR系統(tǒng)設(shè)備發(fā)送到柴油機廠家進行FAT試驗取證,后續(xù)船不需要再進行FAT取證,SCR設(shè)備和柴油機直接上船安裝后做系統(tǒng)配合功能試驗即可。改造船會選擇SCHEME B形式取證,設(shè)備在船上安裝后在船上進行柴油機和SCR系統(tǒng)配合取證試驗,如:各報警點試驗;報警點停機試驗;柴油機各負荷下的尿素噴射催化反應(yīng)試驗;廢氣排放(EIAPP)試驗等。船廠系泊及海試主要為SCR系統(tǒng)功能驗證試驗,注意海試時SCR試驗用油為MGO,所以海試時SCR系統(tǒng)試驗一般為最后一個項目,即船舶所有海試試驗項目做完后船舶轉(zhuǎn)油為MGO后再進行SCR系統(tǒng)試驗,此時SCR系統(tǒng)試驗為SCR功能試驗,在主機負荷分別為25%、50%、75%、100%工況下,每個工況運行15～30 min,驗證SCR系統(tǒng)功能。

3.3 SCR系統(tǒng)各設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計及安裝說明

SCR系統(tǒng)各設(shè)備的安裝是生產(chǎn)設(shè)計的重點,也是設(shè)備安全操作運行的前提保證。

1)排氣管的布置是SCR系統(tǒng)首要關(guān)注點,低壓SCR系統(tǒng)按柴油機后排氣管通用要求設(shè)計,系統(tǒng)中的SCR混合筒和SCR反應(yīng)器按排氣管進行正常布置,設(shè)備的維修空間是考慮的重點。低壓SCR系統(tǒng)中混合筒到SCR反應(yīng)器間的排氣管一般為不銹鋼304鋼管,其它管子按普通鋼管設(shè)計,螺栓及管子絕緣按常用排氣管標準進行設(shè)計。

高壓SCR 排氣管布置說明。高壓SCR排氣管主要指主機高壓SCR系統(tǒng)排氣管,這是設(shè)計中一個難點。主機高壓排氣管的設(shè)計溫度通常為450～500 ℃,設(shè)計壓力為0.5 MPa,高溫高壓下普通鋼管的熱變形非常大,排氣管要布置合理;排氣彎頭處支撐支架應(yīng)能抵御排氣流多方向合力沖擊;排氣管的材質(zhì)和厚度、隔熱保溫棉的密度和厚度、排氣管及排氣管支架熱膨脹應(yīng)力分析、排氣膨脹節(jié)的選型及布置都需要經(jīng)專用軟件進行仿真計算分析后確定。通過常用的ANSYS軟件進行有限元建模,仿真計算管子熱態(tài)傳熱、耦合分析、支反力和支反力矩計算,最終確定排氣管、排氣管支架和膨脹節(jié)的整體布置,通過對每段排氣管的分析計算及優(yōu)化,最終完成整個高壓SCR系統(tǒng)排氣管布置設(shè)計。

以某載重量62 000 t船的主機高壓SCR系統(tǒng)排氣管設(shè)計為例。主機高壓SCR排氣管及排氣管支架為不銹鋼304材料,排氣管厚度為12 mm,排氣管支架板材厚度為15 mm,排氣支架的方向嚴格按氣流流向合力點反向支撐,絕緣棉厚度為150 mm。每段排氣管在車間做1.0 MPa水壓試驗,所有高壓SCR排氣管上船安裝后做0.75 MPa氣密試驗,包括廠家供的SCR系統(tǒng)混合管和SCR催化反應(yīng)器及連接的膨脹節(jié)等都要做氣密試驗。

2)SCR尿素溶液儲存及供給系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)計及安裝。SCR尿素系統(tǒng)主要以尿素溶液儲存艙為核心的尿素溶液注入系統(tǒng)、尿素溶液儲存、調(diào)駁及供給系統(tǒng)。SCR系統(tǒng)使用的尿素溶液常40%的溶液,弱堿性、無毒、有一定的腐蝕性。尿素溶液儲存溫度建議0～35 ℃。若機艙溫度長期超過45 ℃或者低于0 ℃,尿素溶液儲存艙需布置冷卻盤管或者加熱盤管。尿素溶液儲存艙材料可以為不銹鋼,也可以是鋼板加油漆特涂,尿素溶液儲存艙外包保溫棉,艙柜集水盤中增加泄露報警傳感器。尿素溶液儲存艙設(shè)置高、低位液位報警和高、低溫溫度報警,這些報警都連接到SCR系統(tǒng)監(jiān)測報警系統(tǒng),所有傳感器材料都至少為不銹鋼304材質(zhì)。尿素系統(tǒng)管子主要為不銹鋼304材質(zhì),系統(tǒng)閥件及安裝螺栓至少應(yīng)為不銹鋼304材質(zhì),管子墊片通常聚四氟乙烯墊片,設(shè)備的泄放水盤用不銹鋼水盤或鋼質(zhì)油漆水盤。尿素溶液的加注及使用過程需要充分的防護措施,如連體工作服、圍裙、口罩、防化學(xué)物質(zhì)護目鏡、防護面具、眼藥水,以及應(yīng)急洗眼裝置等。

4 結(jié)論

最近幾年很多船廠新造船都設(shè)計安裝了SCR系統(tǒng),SCR系統(tǒng)的設(shè)計和技術(shù)運用越來越成熟,更多的船廠和船東了解并采用SCR技術(shù)。雖然以LNG和甲醇等為代表的新燃料船舶發(fā)展迅速,但SCR技術(shù)暫時不會被拋棄,反而會和新燃料新技術(shù)并存,現(xiàn)在有很多燃燒LNG的船舶也同時加裝SCR系統(tǒng)。隨著船舶新法規(guī)的不斷涌現(xiàn),氣體排放控制區(qū)還會不斷的擴大,船舶SCR系統(tǒng)技術(shù)也會不斷的變化。需要通過不斷積累,整理出一套完整的SCR船舶技術(shù)應(yīng)用標準,使SCR系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用更安全、更環(huán)保。