高子朋，吳桂濤，邢 明

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026)

船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)溫度控制分析

高子朋，吳桂濤，邢 明

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026)

針對(duì)SCR技術(shù)在船舶二沖程柴油機(jī)上的應(yīng)用,分析某船6S46MC-C二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的溫度控制方法和工作特性。結(jié)果表明,掃氣旁通法可以使二沖程柴油機(jī)不同負(fù)荷下的排氣溫度保持在SCR反應(yīng)的最佳溫度窗口內(nèi),有利于SCR系統(tǒng)的運(yùn)行,可以使船舶二沖程柴油機(jī)NOx排放滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)。

氮氧化物減排;SCR;二沖程柴油機(jī);溫度控制;Tier III

為了控制船舶柴油機(jī)造成的大氣污染,2008年IMO對(duì)船舶柴油機(jī)NOx排放提出了Tier I、Tier II、Tier III 3個(gè)階段的限值要求。規(guī)則要求:2016年1月1日或以后建造的船舶,在排放控制區(qū)(ECA)內(nèi)航行時(shí),NOx排放應(yīng)符合Tier III標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)船舶在排放控制區(qū)之外航行時(shí),NOx排放應(yīng)符合Tier II標(biāo)準(zhǔn)。其中Tier III要求的NOx排放限值比Tier I降低80%左右,因此必須采取適當(dāng)?shù)腘Ox減排措施來滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)。

降低船舶柴油機(jī)NOx排放有兩種方法:機(jī)內(nèi)控制法和機(jī)外控制法［1］。從現(xiàn)有的技術(shù)手段來看,機(jī)內(nèi)控制法可以滿足船舶柴油機(jī)NOx排放的Tier II標(biāo)準(zhǔn),但是若要滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn),則必須采取機(jī)外控制措施［2］。選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)是一種降低NOx排放的機(jī)外控制措施,也是目前公認(rèn)的、比較成熟的、能夠達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)［3］。目前, SCR技術(shù)在陸用柴油機(jī)領(lǐng)域已取得了成熟應(yīng)用,但是將其應(yīng)用于船舶二沖程柴油機(jī)上仍有很多問題需要解決,尤其是SCR系統(tǒng)溫度的控制［4-5］。為此,針對(duì)SCR技術(shù)在船舶二沖程柴油機(jī)上的應(yīng)用,分析其溫度控制方法和工作特性。

1 船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)概述

如圖1所示,噴入排氣管中的尿素溶液在高溫下分解為NH3,NH3與柴油機(jī)廢氣均勻混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器中發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng),柴油機(jī)廢氣中的NOx(主要是NO和NO2)被還原成無害的N2和H2O,從而減少NOx排放。

圖1 SCR原理示意

通過SCR反應(yīng)可以將柴油機(jī)廢氣中的絕大部分NOx還原為N2。為了使SCR反應(yīng)保持較高的脫硝率,將柴油機(jī)排氣溫度保持在SCR反應(yīng)的最佳溫度窗口內(nèi)是非常關(guān)鍵的。SCR反應(yīng)的最佳溫度窗口為300～400℃,如果廢氣溫度過高, NH3會(huì)被氧化而不與廢氣中的NOx反應(yīng);如果廢氣溫度太低,會(huì)使反應(yīng)速度太慢,并且此時(shí)柴油機(jī)廢氣中的SO2會(huì)與NH3發(fā)生反應(yīng)生成NH4HSO4和(NH4)2SO4,硫酸鹽在SCR催化劑活性表面的沉積會(huì)造成催化劑堵塞、失活和損壞。由于二沖程柴油機(jī)具有較高的熱效率,排氣溫度較低,尤其當(dāng)排氣經(jīng)過渦輪增壓器之后,廢氣溫度通常在230～260℃范圍內(nèi),與SCR反應(yīng)的最佳溫度窗口相差較大,不利于SCR系統(tǒng)的運(yùn)行［6］。尤其是當(dāng)船舶柴油機(jī)燃用含硫量較高的重油(HFO)時(shí),低溫會(huì)加劇SCR催化劑的失活［7］,這就對(duì)排氣溫度較低的二沖程柴油機(jī)應(yīng)用SCR技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn),因此,必須采取合理的控制措施使柴油機(jī)排氣溫度保持在最佳的SCR反應(yīng)溫度窗口內(nèi)。

2 SCR系統(tǒng)溫度控制

SCR系統(tǒng)溫度控制的目標(biāo)是在保持SCR系統(tǒng)良好脫硝性能的前提下盡量減少SCR系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響。

2.1 SCR系統(tǒng)的布置

因?yàn)镾CR系統(tǒng)需要在300～400℃的溫度下運(yùn)行,而船舶二沖程柴油機(jī)排氣溫度較低,不能達(dá)到SCR系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的溫度。為了提高船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的進(jìn)口廢氣溫度,通常將SCR系統(tǒng)布置在廢氣渦輪增壓器之前［8］,見圖2。相比于將SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之后,這種布置可以使柴油機(jī)SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度提高大約50～175℃。

圖2 船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)布置示意

圖3所示為某二沖程柴油機(jī)的排氣溫度(增壓器前)以及該柴油機(jī)SCR系統(tǒng)運(yùn)行所需的溫度?？梢钥闯?該二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)運(yùn)行所需的溫度為350℃,在柴油機(jī)負(fù)荷高于70%時(shí),其排氣溫度可以達(dá)到SCR系統(tǒng)運(yùn)行所需的溫度;而在柴油機(jī)負(fù)荷低于70%時(shí),渦輪增壓器前的排氣溫度仍低于SCR系統(tǒng)運(yùn)行所需的溫度。因此,為了使二沖程柴油機(jī)在全負(fù)荷下SCR系統(tǒng)都能運(yùn)行,除了將SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器前之外,還需要采取其他措施對(duì)排氣溫度進(jìn)行控制。

2.2 SCR系統(tǒng)溫度控制

圖4所示為MAN Diesel&Turbo與Hitachi Zosen共同開發(fā)的船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)。該SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之前,并設(shè)置掃氣旁通閥,(cylinder bypass valve,CBV)以提高柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)SCR系統(tǒng)的進(jìn)口廢氣溫度(Tscr-in)。當(dāng)柴油機(jī)排氣溫度無法滿足SCR運(yùn)行所需的溫度時(shí),打開掃氣旁通閥CBV,一部分增壓空氣隨廢氣直接進(jìn)入渦輪機(jī)后排往大氣,通過減少進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量來提高柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)的排氣溫度。

圖3 某二沖程柴油機(jī)排氣溫度以及SCR運(yùn)行所需的溫度

圖4 某二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)

該SCR系統(tǒng)具有Tier II和Tier III兩種工作模式:當(dāng)運(yùn)行于Tier II模式時(shí),關(guān)閉SCR反應(yīng)器密封閥RSV和RTV,將通往SCR反應(yīng)器的廢氣管路切斷,打開SCR旁通閥RBV,SCR系統(tǒng)被旁通,廢氣直接進(jìn)入渦輪增壓器做功后排往大氣;當(dāng)運(yùn)行于Tier III模式時(shí),關(guān)閉SCR旁通閥RBV, SCR系統(tǒng)投入運(yùn)行,尿素溶液分解生成的NH3與廢氣混合均勻后流經(jīng)SCR反應(yīng)器,廢氣中的NOx在SCR反應(yīng)器中發(fā)生催化還原反應(yīng),NOx被還原成N2后與其他廢氣一起進(jìn)入渦輪增壓器做功后排往大氣,從而實(shí)現(xiàn)NOx減排。其中掃氣旁通閥CBV用于控制柴油機(jī)的排氣溫度,掃氣旁通閥CBV的開度由SCR控制系統(tǒng)根據(jù)柴油機(jī)排氣溫度與SCR運(yùn)行所需溫度的差值自動(dòng)調(diào)節(jié),使SCR系統(tǒng)的進(jìn)口溫度(Tscr-in)始終保持在最佳的SCR反應(yīng)溫度窗口內(nèi)。通過控制掃氣旁通閥調(diào)節(jié)排氣溫度是合適的,因?yàn)橥ㄟ^渦輪增壓器的氣流幾乎保持不變,掃氣壓力將得以保持,所以柴油機(jī)燃燒進(jìn)程幾乎不受影響。但是這種方法會(huì)增加燃油消耗率2～3 g/(kW˙h)。

3 SCR系統(tǒng)分析

MAN公司和Hitachi Zosen公司共同開發(fā)的6S46MC-C二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)安裝于日本Nissho航運(yùn)公司的一艘38 000 DWT雜貨船“Santa Vista”上,其主要參數(shù)見表1。

表1 6S46MC-C柴油機(jī)SCR系統(tǒng)主要參數(shù)

2011年1月至4月,雜貨船“Santa Vista”進(jìn)行了海試,根據(jù)《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案》的要求,采用E3工況試驗(yàn)對(duì)6S46MC-C二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果見圖5、6、7。選取主機(jī)負(fù)荷的8%、28%、45%、74%、90%和100%等6個(gè)工況點(diǎn),圖7中所示圓圈內(nèi)的4點(diǎn)為近似E3工況模式點(diǎn)。

圖5 6S46MC-C柴油機(jī)SCR系統(tǒng)脫硝率

圖6 6S46MC-C柴油機(jī)SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度(T scr-in)

6S46MC-C柴油機(jī)SCR系統(tǒng)脫硝率的設(shè)定值為80%,如圖5所示,除了8%負(fù)荷工況點(diǎn)之外,在每一個(gè)E3工況點(diǎn)脫硝率均達(dá)到了80%。即使在較低負(fù)荷時(shí),其脫硝率仍然達(dá)到了較高的水平,這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)SCR控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)掃氣旁通閥CBV的開度,提高了柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)的排氣溫度。由圖6可見,在每個(gè)工況點(diǎn)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度(Tscr-in)都大于SCR運(yùn)行所需溫度,從而有利于SCR系統(tǒng)的良好運(yùn)行。按E3試驗(yàn)循環(huán),6S46MC-C主機(jī)SCR系統(tǒng)NOx比排放測試結(jié)果如圖7所示:74%負(fù)荷以及更高負(fù)荷時(shí),其NOx比排放值小于IMO規(guī)定的Tier III限值3.4 g/(kW˙h);雖然在低于74%負(fù)荷時(shí), NOx比排放值大于3.4 g/(kW˙h),但各E3工況點(diǎn)NOx比排放加權(quán)平均值為3.1 g/(kW˙h),小于3.4 g/(kW˙h),符合IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)。

船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的成功裝船和效用試驗(yàn)表明:SCR技術(shù)在船舶二沖程柴油機(jī)上的應(yīng)用是可行的,可實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)Tier II和Tier III模式的自由切換,并可確保符合船舶柴油機(jī)NOx排放的Tier III標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 6S46MC-C柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NO x比排放值

4 結(jié)論

1)由于船舶二沖程柴油機(jī)渦輪增壓器之后的排氣溫度較低,SCR系統(tǒng)應(yīng)布置在渦輪增壓器之前以提高SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度(Tscr-in)。相比于SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之后,此布置方案可以使柴油機(jī)在不同的負(fù)荷下SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度提高大約50～175℃。

2)對(duì)于船舶二沖程柴油機(jī),除了將SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之前以外,還需要采取其他措施對(duì)柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)的排氣溫度進(jìn)行控制:可以采用掃氣旁通法提高柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度。通過控制掃氣旁通閥CBV的開度可以使柴油機(jī)不同負(fù)荷下的SCR系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度始終保持在SCR反應(yīng)的最佳溫度窗口內(nèi),利于SCR系統(tǒng)的良好運(yùn)行,可以達(dá)到NOx排放的Tier III標(biāo)準(zhǔn)。但是這種方法會(huì)增加燃油消耗率。

3)掃氣旁通閥CBV的開度由SCR控制系統(tǒng)根據(jù)柴油機(jī)排氣溫度與SCR系統(tǒng)運(yùn)行所需溫度的差值自動(dòng)調(diào)節(jié),如何將SCR控制系統(tǒng)與主機(jī)控制系統(tǒng)ECS進(jìn)行耦合以及SCR系統(tǒng)溫度控制策略的研究將是今后的重點(diǎn)。

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Analysis of Temperature Control for SCR System in Marine Two-stroke Diesel Engine

GAO Zi-peng,WU Gui-tao,XING M ing
(College of Marine Engineering,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning 116026,China)

Aimed at the application of SCR technology inmarine two-stroke diesel engine,the temperature control and NOx emission performance of 6S46MC-C diesel engine SCR system are analyzed.The results show that the cylinder bypass can maintain the exhaust temperature within the optimal temperature window of SCR reactions,which benefits the operation of SCR system,and the NOx emission performance can meet Tier III regulations.

NOx emission reduction;SCR;two-stroke diesel engine;temperature control;Tier III

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.032

U664.121

A

1671-7953(2015)03-0135-04

2014-12-25

修回日期:2015-01-05

高子朋(1990-),男,碩士生

研究方向:船舶柴油機(jī)SCR技術(shù)

E-m ail:gaozipeng@163.com