楊耀

【摘 要】船舶二沖程柴油機(jī)排放出的廢氣中含有的氮硫化物嚴(yán)重污染大氣，為了使船舶二沖程柴油機(jī)排放出的廢氣滿足Tier II要求及Tier III要求，需要采取機(jī)內(nèi)及機(jī)外控制以減少?gòu)U氣中NOx的排放量。為了使廢氣中NOx的排放量達(dá)到Tier III要求，需要將進(jìn)入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度保持在SCR系統(tǒng)所需的溫度范圍內(nèi)。本文對(duì)船舶二沖程柴油機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析并提出了讓進(jìn)入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度保持在最佳溫度窗口范圍內(nèi)的幾點(diǎn)意見。

【關(guān)鍵詞】NOx減排；SCR系統(tǒng)；二沖程柴油機(jī)；溫度控制

中圖分類號(hào)： U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）05-0147-002

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前全球面臨的污染問題越來越嚴(yán)重。污染分為固體污染和液體污染及大氣污染。而船舶柴油機(jī)排放出的廢氣中含有大量的NOx會(huì)給大氣造成嚴(yán)重的污染，因此需要減少及控制船舶柴油機(jī)廢氣中NOx的排放量以達(dá)到IMO在2008 年提出的船舶柴油機(jī)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。IMO在2008 年提出凡是2016 年1月1日或以后建造的船舶分別在排放控制區(qū) （ECA）內(nèi)及外航行時(shí)，NOx排放應(yīng)分別符合Tier III標(biāo)準(zhǔn)和Tier II標(biāo)準(zhǔn)。其中，在Tier III標(biāo)準(zhǔn)中，NOx排放量是最低的，比Tier I降低80%左右。而為了使NOx排放量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，必須要采取有效的減排措施。而降低船舶柴油機(jī)NOx排放方法中除了機(jī)內(nèi)控制法外還有機(jī)外控制法。其中機(jī)內(nèi)控制法可以使船舶柴油機(jī)內(nèi)的NOx排放達(dá)到Tier II標(biāo)準(zhǔn)，但不能達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)，要達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)需要采取機(jī)外控制措施，而在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的選擇性催化還原技術(shù)就是目前比較成熟 的、能夠達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)外控制措施。

1 船舶二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)概述

選擇性催化還原（Selec- tive Catalytic Reduction，SCR）是一種從機(jī)外減少船舶柴油機(jī)NOx的排放而達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。NH3通過SCR催化劑的作用在溫度為300～400℃能與柴油機(jī)廢氣中的NOx發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，這樣柴油機(jī)廢氣中的NOx就被還原成了無害的N2和H2O。所以要減少柴油機(jī)廢氣NOx的排放，需要柴油機(jī)廢氣中的NOx與NH3在SCR反應(yīng)器中發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)。而NH3可以讓尿素溶液在高溫下分解得到，從排氣管噴入的尿素溶液會(huì)分解為NH3，NH3與柴油機(jī)廢氣均勻混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)。而柴油機(jī)廢氣中的NOx與NH3在SCR反應(yīng)器中能否有效發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)取決于SCR反應(yīng)器的溫度是否為300～400℃。當(dāng)SCR反應(yīng)的溫度超過該范圍，NH3會(huì)被氧化，從而不能與NOx發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)。而當(dāng)溫度低于這范圍，則NOx與NH3的選擇性催化還原反應(yīng)不僅會(huì)進(jìn)行得很慢，而且廢氣中的SO2也會(huì)與NH3發(fā)生反應(yīng)生成NH4HSO4和 （NH4）2SO4，生成的硫酸鹽還會(huì)沉積在SCR催化劑活性表面造成SCR催化劑的堵塞、失活或損壞。一般二沖程柴油機(jī)的排氣溫度相對(duì)較低，柴油機(jī)廢氣經(jīng)過渦輪增壓器之后溫度通常降到230 ～260℃，這與SCR反應(yīng)器的最佳溫度窗口300～400℃相差較大，對(duì)SCR系統(tǒng)的運(yùn)行是不利的。特別是船舶柴油機(jī)燃用的是含硫量較高的重油（HFO）時(shí)，廢氣中大量的SO2在低溫下與NH3反應(yīng)生成大量的硫酸鹽，而大量生成的硫酸鹽將沉積在SCR催化劑活性表面會(huì)加劇SCR催化劑的失活。為了讓二沖程柴油機(jī)廢氣中的NOx能得到充分而有效的還原，排氣溫度保持在SCR反應(yīng)器的最佳溫度窗口范圍內(nèi)是一個(gè)非常重要的條件。這也是SCR技術(shù)應(yīng)用于排氣溫度較低的二沖程柴油機(jī)一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。

2 SCR系統(tǒng)溫度控制的幾點(diǎn)建議

2.1 將廢氣渦輪增壓器布置在SCR系統(tǒng)之后

SCR系統(tǒng)中NOx與NH3發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)的最佳溫度窗口為300～400℃，然而一般柴油機(jī)排氣管溫度在較低負(fù)荷時(shí)可能會(huì)低于該溫度范圍，特別是經(jīng)過廢氣渦輪增壓器之后，廢氣溫度將根本達(dá)不到SCR系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的溫度。由于廢氣經(jīng)過渦輪增壓器溫度會(huì)降低，為了提高柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的廢氣溫度，往往把廢氣渦輪增壓器布置在SCR系統(tǒng)之后，這樣布置可以將進(jìn)入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度提高大約50～175℃。

2.2 在SCR系統(tǒng)上設(shè)置掃氣旁通閥

廢氣溫度還與柴油機(jī)負(fù)荷高低有關(guān)。一般只有當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷高于70%時(shí)， 排氣溫度才能達(dá)到SCR系統(tǒng)運(yùn)行所需的溫度。為了提高柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)低的排氣的溫度，就需要在柴油機(jī)上安裝掃氣旁通閥以減少氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量來提高廢氣的溫度。柴油機(jī)的排氣溫度與氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量多少有關(guān)，當(dāng)氣缸內(nèi)參與方應(yīng)的空氣質(zhì)量減少時(shí)，柴油機(jī)的排氣溫度將會(huì)相應(yīng)的升高。當(dāng)柴油機(jī)排氣溫度在低負(fù)荷達(dá)不到要求時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)掃氣旁通閥開度讓一部分增壓空氣隨廢氣直接進(jìn)入渦輪機(jī)后排往大氣，來調(diào)節(jié)柴油機(jī)的排氣溫度，使柴油機(jī)的排氣溫度處于SCR反應(yīng)的最佳窗口內(nèi)。同時(shí)，掃氣旁通閥 CBV的開度可以根據(jù)柴油機(jī)排氣溫度與SCR運(yùn)行所需溫度的差值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保障了SCR系統(tǒng)的進(jìn)口溫度處于所需的溫度窗口范圍內(nèi)。當(dāng)然采用這種方式，可能會(huì)額外增加2～3g/（kW·h或更多的燃油消耗率。

2.3 SCR反應(yīng)器上增加電加熱設(shè)備

在外界無高溫氣體通入或者柴油機(jī)處于低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于筒體是個(gè)密封容器，我們?nèi)绻獙⑼搀w的桶壁維持在220度以上，在SCR反應(yīng)器外層增加額外的熱加熱系統(tǒng)SCE是必須的，SCR反應(yīng)器加熱器的加熱功率大于筒體的熱量損耗就能起到保溫及加熱作用。筒體的熱量損耗主要有兩方面：熱量通過150mm厚的保溫材料的熱量損耗以及通過筒體的金屬材料傳導(dǎo)至外界連接的熱量損耗?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的保溫材料、加熱材料的選擇以及其他熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行熱力計(jì)算，最終確定加熱功率。

加熱系統(tǒng)的控制箱方案需考慮以下幾點(diǎn)：1）由功率控制器控制加熱器工作；2）傳感器溫度低于230°，功率控制器會(huì)根據(jù)實(shí)際溫度調(diào)整加熱器的功率，伴熱溫度可調(diào)。3）伴熱加熱器功率最高處于90%的功率使用狀態(tài)，加熱線圈壽命長(zhǎng)。安全系數(shù)高。（損壞除外），即使某一段加熱絲毀壞，功率控制器仍可以保證伴熱電纜的功率；4）設(shè)置溫度安全報(bào)警值，當(dāng)溫度達(dá)到260度，控制箱處于停止工作狀態(tài)。最高限位260°可調(diào)；5）采用機(jī)旁和遙控兩種模式，遙控是指在主機(jī)停車時(shí)，加熱器處于待命狀態(tài)，當(dāng)溫度低會(huì)自動(dòng)加熱。主機(jī)動(dòng)車時(shí)伴熱系統(tǒng)停止工作

3 二沖程柴油機(jī)SCR系統(tǒng)兩種工作模式

根據(jù)船舶是在排放控制航道內(nèi)航行還是在排放控制航道之外航行，可將SCR系統(tǒng)的工作模式分為Tier II和Tier III模式。如果船舶是在排放控制航道內(nèi)航行，則啟動(dòng)Tier III模式，關(guān)閉SCR旁通閥RBV，讓由廢氣與NH3構(gòu)成的均勻混合氣體進(jìn)入SCR系統(tǒng)并且在SCR系統(tǒng)中發(fā)生選擇性還原反應(yīng)，NOx被還原成N2后隨其他廢氣進(jìn)入渦輪增壓器做功，實(shí)現(xiàn)能量再利用后排往大氣。船舶在排放控制航道之外航行時(shí)，關(guān)閉SCR反應(yīng)器密封閥RSV和RTV同時(shí)打開SCR旁通閥RBV，這樣廢氣不進(jìn)入SCR反應(yīng)器，將直接進(jìn)入渦輪增壓器做功，最后排往大氣。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了使船舶二沖程柴油機(jī)排放出的廢氣中NOx含量滿足Tier II要求，需要從機(jī)內(nèi)進(jìn)行控制，而要達(dá)到Tier III的要求則需要從機(jī)外進(jìn)行控制，也就是在SCR系統(tǒng)中利用尿素溶液中分解出的NH3與柴油機(jī)廢氣中的NOx發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，從而將NOx還原成無害的N2再排放于大氣中。為了使SCR系統(tǒng)選擇性催化還原反應(yīng)溫度處于最佳溫度窗口范圍內(nèi)，需要將SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之前及在SCR系統(tǒng)上設(shè)置掃氣旁通閥CBV，以此來調(diào)節(jié)進(jìn)入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度，使之滿足SCR系統(tǒng)正常工作的需要。

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