船舶廢氣SCR系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

姚堂毅,吳騰,黎燕娟

(中國船舶黃埔文沖船舶有限公司,廣州 510715)

隨著國際海上運輸?shù)牟粩嘣鲩L,船舶航行產(chǎn)生的NOx排放量也在持續(xù)增長。目前所有的港口國家都在極力控制海上航運帶來的空氣污染。根據(jù)MARPOL附則標準規(guī)定,NOx排放劃分別是Tier I、Tier II及Tier III。以目前的柴油機排放技術(shù)可以滿足Tier I及Tier II;對于Tier III排放標準,由于技術(shù)要求較高,柴油機本身的技術(shù)已無法達到要求,需借助外部措施才能實現(xiàn)[1]。當(dāng)前能夠借助的外部處理技術(shù)包括有雙燃料內(nèi)燃機技術(shù)(DF)、廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)和選擇性催化還原技術(shù)(SCR)。各技術(shù)的優(yōu)缺點各有不同,分別是通過在廢氣排放的前、中、后3個階段進行技術(shù)介入進行處理,在考慮實用性及經(jīng)濟性方面,選擇性催化還原技術(shù)(SCR)的實現(xiàn)較為容易。為探討船舶廢氣SCR處理系統(tǒng)的實際應(yīng)用和設(shè)計技術(shù)問題,以85 000 DWT散貨船建造為例,分析該型船的SCR系統(tǒng)設(shè)計原理、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝以及管系設(shè)計要求和技術(shù)要點。

1 船舶SCR系統(tǒng)設(shè)計要點

1.1 系統(tǒng)組成

實際的系統(tǒng)設(shè)計通常根據(jù)排放要求針對輔機和主機分別設(shè)計兩套SCR系統(tǒng)。輔機的SCR系統(tǒng)設(shè)計在輔機排氣出口位置,根據(jù)排放壓力設(shè)計為低壓SCR系統(tǒng);主機SCR系統(tǒng)設(shè)計在排氣增壓器前端[2],為高壓SCR系統(tǒng)。

典型的SCR系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 SCR系統(tǒng)組成及主要部件

圖1中,混合管是使尿素溶液和廢氣進行混合的主要場所,SCR反應(yīng)器作為SCR系統(tǒng)的主要設(shè)備,是進行氣液混合體催化還原反應(yīng)的主要場所。泵組單元作為動力裝置,主要為混合管提供尿素溶液,使尿素溶液在一定壓力下噴射進入混合管內(nèi),與廢氣進行充分混合。計量單元作為檢測和控制裝置,用來計量控制通過噴槍的尿素溶液的噴射量,通過即時檢測廢氣排量并控制噴槍的噴射量來提供適量的尿素溶液,避免混合管內(nèi)因被噴射進過量的尿素溶液,反應(yīng)不充分等對排煙管和其他設(shè)備造成腐蝕損害。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備安裝

根據(jù)船舶空間結(jié)構(gòu)進行SCR系統(tǒng)設(shè)備的布置設(shè)計,如反應(yīng)器、混合管等主要設(shè)備體積龐大,須充分考慮設(shè)備進出及維護空間,使系統(tǒng)管路設(shè)計最優(yōu)化。對于后期加裝SCR系統(tǒng)的船舶,在系統(tǒng)整合方面需充分考慮安裝空間和維護條件。

1.2.1 反應(yīng)器設(shè)置要點

根據(jù)主/輔機的排氣量等相關(guān)參數(shù)計算來核定SCR反應(yīng)器的反應(yīng)接觸面積和設(shè)備體積。該設(shè)備是整個SCR系統(tǒng)中體積最大的設(shè)備,因此必須提前考慮其在機艙中的固定位置。針對散貨船和集裝箱船型等,該設(shè)備一般設(shè)計在機艙上平臺靠近煙囪的區(qū)域,安裝設(shè)計保留足夠的催化劑的加注作業(yè)空間和設(shè)備的檢修位置。反應(yīng)器設(shè)置有單獨的安裝基座,并給基座做獨立的固定支撐加強[3]。設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 SCR反應(yīng)器安裝示意

考慮到設(shè)備操作高度和防止振動,圍繞設(shè)備配置了多個檢修和操作平臺。為避免SCR系統(tǒng)失效造成堵塞等情況,同時方便船舶在非排放控制區(qū)海域航行時進行排放模式切換,在廢氣SCR反應(yīng)器設(shè)置時,同步設(shè)置旁通管路,與反應(yīng)器集成在一起,通過遠程遙控閥進行控制,使系統(tǒng)更加簡潔和緊湊。

1.2.2 混合管及噴槍組件設(shè)計要點

混合管是尿素溶液與廢氣混合的場所,其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 SCR混合管及噴槍

混合管的直徑和長度需經(jīng)過計算驗證,以保證直徑尺寸和長度尺寸足夠,否則廢氣和尿素溶液無法充分混合。由于混合管靠近柴油機排氣出口,溫度較高,所以安裝設(shè)計時需充分考慮安全及保溫措施,同時充分考慮預(yù)留足夠的安裝空間[4]。

在混合管進口設(shè)置溫度傳感器,及時監(jiān)測混合氣體的溫度,避免由于溫度過高或者過低,導(dǎo)致催化反應(yīng)失效或者硫化物結(jié)晶析出,腐蝕柴油機及相關(guān)管路?；旌瞎茉O(shè)計布置在反應(yīng)器下方靠近反應(yīng)器的位置,保證催化還原反應(yīng)的效率。混合管軸向尺寸較大,安裝時考慮部署空間,并做好空間預(yù)留。

1.2.3 尿素泵站和計量單元設(shè)置要點

泵站單元需安裝在低處,其位置設(shè)置在靠近尿素儲存艙的吸口處,保證尿素溶液具有持續(xù)向上的正向壓力。計量單元設(shè)計安裝在靠近混合管噴槍接口的位置,保證檢測的準確性;其高度低于噴槍的接口,以避免連接噴槍的尿素溶液管路不出現(xiàn)U形彎[5]。

1.3 系統(tǒng)管路設(shè)計

1.3.1 主機SCR管路設(shè)計要點

船舶柴油機的廢氣排出管路設(shè)置起點是排氣出口端,一直延伸到煙囪頂部。在主要設(shè)備定位之后,需要對排煙系統(tǒng)和SCR管系進行整合,以保證兩個系統(tǒng)能形成閉合回路,同時又不影響排氣系統(tǒng)原本的功能。考慮到SCR系統(tǒng)的排氣管直徑比較大,布置較為困難;作為機艙內(nèi)管系設(shè)計的難點之一,提前做好整體的布局策劃[6]。

1)氮氧化物傳感器安裝位置設(shè)計。傳感器設(shè)計安裝在水平管時,其安裝位置應(yīng)設(shè)計在水平管正上方,或者與垂直線在±80°的夾角范圍內(nèi);在垂直管路上安裝的傳感器,則其安裝座設(shè)計為傾斜角度不大于10°;該傳感器安裝位置保證距離增壓器最大距離不應(yīng)超過10 m,與支管、膨脹節(jié)、彎頭和閥等的距離不小于1倍的排氣管直徑。

2)合攏管膨脹節(jié)位置設(shè)計。由于系統(tǒng)管路內(nèi)的排氣壓力和溫度較高,管路易產(chǎn)生較大的熱膨脹。因此在管路線膨脹率較大的位置設(shè)置膨脹接頭,通過熱量核算確定其需要的膨脹節(jié)數(shù)量,并在彎曲位置設(shè)計適當(dāng)數(shù)量的固定支撐,其支撐樣式和膨脹節(jié)設(shè)置位置見圖4。

圖4 管膨脹節(jié)及支撐位置設(shè)計

3)管路支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。在彎曲位置附近設(shè)置多個固定支撐和彈性支撐。

主機廢氣SCR系統(tǒng)的管路設(shè)計可以通過調(diào)節(jié)主機排氣溫度和排氣壓力來對設(shè)計影響進行適當(dāng)補償;并在支撐位置設(shè)計滑動支撐結(jié)構(gòu)來吸收變形,該系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)均通過了應(yīng)力計算,并依據(jù)船型結(jié)構(gòu)進行構(gòu)型設(shè)計和角度調(diào)整。

1.3.2 輔機SCR管路設(shè)計要點

對于輔機排氣SCR系統(tǒng),輔機SCR系統(tǒng)相比于主機排氣的SCR系統(tǒng),其安裝位置在柴油機廢氣排出口段,其管路內(nèi)的排氣壓力和溫度都較低。廢氣通過SCR反應(yīng)裝置時,為處理輔機排氣的背壓與SCR反應(yīng)設(shè)計壓力一致性問題,通過調(diào)整柴油機的出口排氣壓力來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。輔機SCR系統(tǒng)整體設(shè)計具有占用空間小,重量小,布局緊湊的特點。

1)壓差傳感器安裝設(shè)計。SCR系統(tǒng)管路上的傳感器采用了管裝固定方式,通過支架和U形螺栓固定,其垂直安裝高度高于反應(yīng)器的出口檢測引管位置,并保持持續(xù)向上的斜度,以保證系統(tǒng)傳感器檢測的準確性。

2)管路走向設(shè)計要點。輔機排氣SCR系統(tǒng)的管路設(shè)計要充分考慮反應(yīng)器進出口傳感器的安裝、可操作和維修空間要求,管路長度不能太長,否則會增加腐蝕及影響處理效果。管路走向設(shè)計要點包括:①尿素溶液管路盡量設(shè)計設(shè)置成垂直走向;②水平方向管路設(shè)置不少于2°的斜度;③SCR系統(tǒng)管路與廢氣鍋爐管路采取串聯(lián)結(jié)構(gòu),并設(shè)置廢氣旁通管路,避免意外堵塞影響輔機系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn),同時減少反應(yīng)物腐蝕鍋爐;④排氣管在設(shè)計時充分考慮設(shè)備的技術(shù)要求,以保證運行時混合氣體的流速和狀態(tài)達到設(shè)備設(shè)計的技術(shù)狀態(tài),從而保證催化反應(yīng)的實際效率;⑤泵站單元到計量單元的SCR管路設(shè)計時不宜彎曲,盡量平直,計量單元到混合管噴槍的管路設(shè)計路程盡量縮短,距離不超過5 m,不宜有向下的彎曲,管路保持連續(xù)向上的斜度。

2 SCR系統(tǒng)實船應(yīng)用

以85 000 DWT散貨船為例,該船將輔機的低壓SCR系統(tǒng)、主機高壓SCR系統(tǒng)與廢氣鍋爐整合成1套完整的系統(tǒng),相比單機單臺SCR的系統(tǒng)更加節(jié)省成本,節(jié)約可用空間和整體的設(shè)備重量,系統(tǒng)整體布局見圖5。

圖5 SCR系統(tǒng)整體布局示意

2.1 輔機廢氣SCR系統(tǒng)

85 000 DWT散貨船總長228.90 m,設(shè)計吃水11.8 m,垂線間長225.0 m,型深為20.15 m,型寬36.0 m,載重約85 000 t。共設(shè)有3臺柴油發(fā)電機,發(fā)電機排氣系統(tǒng)安裝有低壓SCR除NOx系統(tǒng);每臺柴油機的廢氣排出管路上均安裝有SCR廢氣處理設(shè)備。系統(tǒng)管路上配備有1個泵組單元、1個計量單元、1個廢氣和尿素混合噴管、1臺反應(yīng)器,相關(guān)控制閥件和壓差傳感器等相關(guān)組件。系統(tǒng)組成見圖6。

圖6 輔機SCR系統(tǒng)組成

本船設(shè)有尿素儲存艙和尿素泄放艙,容積分別為82.1和10.2 m3。尿素管路的材質(zhì)選用不銹鋼管防止管路腐蝕。3臺柴油發(fā)電機的SCR催化反應(yīng)器均采用豎直方式設(shè)計,靠近機艙后壁布置,3臺反應(yīng)器均布置在機艙棚靠近煙囪的高度位置,依托機艙后壁減少設(shè)備震動的危害。

反應(yīng)器通過單獨的支撐基座進行固定。尿素和廢氣的混合管長度尺寸比較大,需通過貫穿上平臺甲板的方式進行固定,下端連接發(fā)電機的排氣口,上端連接反應(yīng)器;各接口端分別設(shè)置溫度傳感器、壓差傳感器和NOx檢測等裝置。該船同時還配備有1臺廢氣鍋爐,其中2臺輔機的廢氣在經(jīng)過SCR系統(tǒng)處理后,通過排氣管路接入廢氣鍋爐,通過鍋爐對廢氣中的余熱進行回收利用。剩下1臺輔機的廢氣經(jīng)SCR系統(tǒng)處理后直接引至煙囪,通過排氣管路直接排向大氣[7]。系統(tǒng)反應(yīng)器進口溫度要求≤425 ℃,出口溫度≤425 ℃;反應(yīng)器壓差≤1 500 Pa;廢氣處理能力7 403 kg/h。旁通管路集成在反應(yīng)器設(shè)備上,以保證排煙系統(tǒng)在SCR系統(tǒng)停止時能進行正常的工作運行。在系統(tǒng)計量單元等易泄露的位置,需設(shè)置單獨的集液盤,再通過泄放管路引致廢液艙回收,系統(tǒng)材質(zhì)采用不銹鋼材質(zhì)降低管路腐蝕。實際應(yīng)用表明,混合管路的長度不能太短,否則尿素及廢氣混合不充分,影響處理效果;混合管路進口和處理設(shè)備出口位置需配置NOx檢測裝置,以及時準確檢測處理效果并精確控制尿素溶液的噴射量,充分保護并降低尿素溶液對設(shè)備及管路的腐蝕。

2.2 主機廢氣SCR系統(tǒng)

該船有1臺主機,主機采用高壓 SCR 廢氣處理系統(tǒng),系統(tǒng)由尿素艙,混合管,反應(yīng)器和NOx檢測、溫度檢測等組成。高壓 SCR 系統(tǒng)應(yīng)緊靠主機排氣出口設(shè)置,SCR反應(yīng)器設(shè)置在機艙上平臺靠右舷的位置,靠近主機廢氣排出口。把SCR系統(tǒng)設(shè)置在主機增壓器前的管路上,排煙系統(tǒng)內(nèi)部的溫度和壓力都很高。在管路安裝設(shè)計過程中,需通過膨脹計算確定膨脹節(jié)的安裝位置和管路絕熱包覆層厚度等,同時根據(jù)膨脹量來設(shè)置合適的固定支撐形式和溫度檢測裝置。

由于主機排氣管比較大,機艙棚頂較高,主機SCR系統(tǒng)的管路整體呈水平狀態(tài)布置,對主機出口垂直管路做一定的偏轉(zhuǎn)角度處理,設(shè)計支撐受力裝置,防止管路振動和管路自重較大壓壞出口處的膨脹裝置;出口NOx監(jiān)測裝置布置在管路頂部,方便使用行車檢修。

對維修空間和安全通道進行整合考慮;廢氣混合管等裝置安裝在靠近機艙前壁的位置,需根據(jù)走向設(shè)置結(jié)構(gòu)化的固定支座。由于主機排氣管溫度較高,管路設(shè)計的固定基座結(jié)構(gòu)需通過應(yīng)力核算和設(shè)計定型,膨脹位置固定支座均采用滑動摩擦結(jié)構(gòu)設(shè)計進行膨脹補償。將SCR系統(tǒng)的電氣控制裝置布置在遠離高溫SCR管路的位置。廢氣經(jīng)過SCR系統(tǒng)處理后,由排煙管引入廢氣鍋爐進行余熱回收,通過余熱利用后再排出大氣,從而達到節(jié)能減排的效果。

3 結(jié)論

1)考慮到SCR催化反應(yīng)器工作時會產(chǎn)生振動,其基座結(jié)構(gòu)做獨立設(shè)計,避免跟其他維護平臺連接,同時基座結(jié)構(gòu)進行獨立強度核算。

2)混合管的長短對廢氣和尿素的混合效果有顯著影響,因此適當(dāng)增加混合管長度可以提高廢氣/尿素混合效果。

3)根據(jù)系統(tǒng)管路走向設(shè)置結(jié)構(gòu)化的固定支座,在膨脹較大的管線位置,管線與結(jié)構(gòu)支座之間采用帶滑動摩擦結(jié)構(gòu)的支撐設(shè)計,以吸收管線膨脹壓力。

4)尿素管路設(shè)計避免存液,積液會加快管路腐蝕;NOx監(jiān)測裝置和溫度監(jiān)測器設(shè)置在反應(yīng)器進出口處,以控制尿素溶液噴射量。