朱曉勇

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

為符合《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》(MARPOL 73/78公約)Tier Ⅲ排放要求，現有船舶柴油機需要在其外圍加裝輔助設備對廢氣進行處理。目前，用于船舶主機Tier III排放處理的主要方式有3種：高壓選擇性催化還原脫氮(HPSCR)系統(tǒng)、低壓選擇性催化還原脫氮(LPSCR)系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)脫氮(EGR)系統(tǒng)。由于HPSCR相較于LPSCR在高溫廢氣反應充分、主機背壓影響小、廢氣鍋爐廢熱回收等多方面有著較大的技術優(yōu)勢，且HPSCR相較于EGR成本更低，因此主機HPSCR系統(tǒng)成為船舶系統(tǒng)設計首選。

目前，船舶主機HPSCR系統(tǒng)設計尚處于系統(tǒng)設計和使用的初期階段。林鋆各等側重于SCR在機艙布置上的探討，鄭超則側重于SCR系統(tǒng)數字理論模型的研究。而本文結合62 000 t散貨船主機HPSCR系統(tǒng)的具體應用，對HPSCR的具體布置和系統(tǒng)細化進行研究。

1 主機HPSCR系統(tǒng)主要參數和原理

由于62 000 t散貨船主機轉速低于130 r/min，Tier III排放按綜合成本考慮采用主機HPSCR的技術方案。HPSCR技術屬于主機廢氣后處理技術，其原理為：利用主機廢氣高溫環(huán)境加強催化還原效果，對主機增壓器前端排氣集管中的高溫高壓廢氣進行催化脫氮處理，進而滿足排放指標。

1.1 主機參數

該船主機采用低速長沖程G型主機，型號為：MAN B&W 6G50ME-C9.5，Tier III with HPSCR。主機功率設計點如下：最大持續(xù)運行功率(CMCR)為8 300 kW×81 r/min，主機持續(xù)運行功率(CSR)(82%CMCR)為6 806 kW×75.8 r/min。主機燃油常規(guī)航行采用含硫量0.1% m/m的船用低硫輕柴油(MGO)和含硫量為0.5% m/m的船用重柴油(HFO)；排放控制區(qū)航行時使用MGO燃料油并運行主機HPSCR系統(tǒng)，使船舶主機排放同時達到脫硫和脫氮的目的。

1.2 系統(tǒng)設計參數及構成

該船主機HPSCR采用臥式脫氮催化反應器，系統(tǒng)參數按照排氣接管DN700的要求進行設計。通常情況下，保持廢氣溫度在一個合理范圍內(310～500 ℃)是主機SCR系統(tǒng)健康運行的關鍵因素。

主機系統(tǒng)設計參數如下：高壓排氣壓力最大為0.45 MPa，反應劑為40%尿素溶液，排氣設計背壓為686.465 5 Pa，壓縮空氣噴射系統(tǒng)壓力為0.9～1.1 MPa，壓縮空氣吹灰和透氣系統(tǒng)壓力為0.5～0.7 MPa，控制空氣系統(tǒng)壓力為0.5～0.7 MPa。

主機HPSCR系統(tǒng)主要由尿素系統(tǒng)(包含尿素儲存艙、尿素供給單元、尿素噴射裝置，尿素泄放艙)、尿素噴射管路、混合管路、SCR催化反應器、壓縮空氣系統(tǒng)(包含壓縮空氣噴射管路、壓縮空氣吹灰管路、壓縮空氣透氣管路、SCR供氣壓縮機、SCR空氣干燥器、SCR供氣空氣瓶)、RSV反應器密封高溫閥、RBV反應器旁通高溫閥、RTV反應器節(jié)流高溫閥、CBV氣缸旁通高溫閥、EGB增壓器廢氣旁通閥、SCR催化反應器電氣控制箱、輔助電氣控制箱等組成。主機HPSCR廢氣高壓側構成原理見圖1。

圖1 HPSCR構成原理

1.3 系統(tǒng)反應原理

主機HPSCR系統(tǒng)采用選擇性催化還原方法對船舶主機的廢氣進行處理，將船舶主機廢氣中的氮氧化物指標逐步降低，并最終減少達到Tier III排放要求。通過系統(tǒng)設計，在船舶主機高溫廢氣管路中安裝尿素噴射單元、廢氣混合管路和帶有充足數量催化劑的SCR反應器。主機HPSCR系統(tǒng)運行時，尿素噴射單元將尿素溶液噴入高溫的廢氣管路，使得尿素溶液在高溫下分解產生大量氨氣?；煊写罅堪睔獾母邷貜U氣通過廢氣混合管路進行充分混合后進入SCR反應器，高溫混合氣在裝有多通道多維度的催化劑單元的通道中與催化劑充分接觸產生化學反應?；旌蠚庵械牡趸镌诎睔夂脱鯕獾墓餐饔孟卤贿€原成氮氣和水，從而大大降低主機廢氣中的氮氧化物。

HPSCR反應器結構型式見圖2。

圖2 HPSCR反應器結構型式

2 主機HPSCR布置方案

主機HPSCR布置作為機艙布置的重要組成部分，每種布置方案都會影響各層平臺設計和其他設備、機艙艙柜的綜合布置。該船主機HPSCR布置方案主要有主機端部布置方案和主機側面布置方案。

2.1 主機HPSCR端部布置

主機HPSCR常規(guī)布置方案采用主機端部布置。該方案存在布置困難、施工不便、檢修空間不足等問題，還會影響到機艙行車的布置及增壓器的吊裝。

2.2 主機HPSCR側面布置

考慮到機艙右舷空間較為富余，可以將主機HPSCR布置在側面。經過細化布置后發(fā)現，側面布置方案又因為HPSCR的布置高度和接管方式可分成3種組合布置方案，而每種方案有各自的特點。

根據HPSCR平臺布置后使用維護的便利性、排氣管路布置的簡潔性、施工的經濟性等因素，綜合評價3種布置的優(yōu)劣，進而確定最優(yōu)布置方案。該最優(yōu)布置方案采用同平臺布置方式，見圖3。

圖3 HPSCR布置最優(yōu)方案

2.3 主機HPSCR最終布置方案的優(yōu)勢分析

主機HPSCR最終布置方案對機艙的綜合布置最為有利，高壓排氣管路短、施工便捷、檢修方便。該方案既不影響機艙通道，也不影響頂部機艙行車的布置、吊運使用要求、增壓器的吊裝檢修，布置上有利因素最多，使布置合理性和最優(yōu)性得到有機結合。該布置方案已獲得實用新型專利。

3 主機HPSCR膨脹量計算

由于主機HPSCR管路最大工作溫度為500 ℃，最大工作壓力為0.45 MPa，屬于高溫高壓的氣體管路，因此管路在廢氣廢熱作用下，其應力和振動都較大。為避免管路膨脹節(jié)膨脹量不足而導致膨脹節(jié)損壞，需要進行單獨的CFD計算，從而確認膨脹節(jié)的膨脹量參數。

3.1 管路布置

主機HPSCR的高壓管路通過CFD建立管路模型和主機排氣氣流的模擬，再對管路布置總體應力進行分析，進而確定膨脹節(jié)的數量和膨脹量，以及管路支架的布置位置和支架型式，達到控制和減小管路振動的目的。

3.2 CFD膨脹量計算

主機HPSCR廢氣管路采用DN700高溫高壓管路，布置設計時不僅需考慮內部煙氣負荷的變化和沖擊，而且需要考慮外部主機和船舶振動引起的外部因素。因此，主機HPSCR管路的支架數量及型式，以及膨脹節(jié)膨脹量的選擇，都要通過CFD輔助分析，加強對振動、熱負荷、受力等多載荷條件下的設計補償。分析結果顯示：管路軸向膨脹量約為15～45 mm，管路徑向膨脹量約為5～15 mm，角位移約為0.5°。該計算對管路的設計給予理論性指導，且實船試驗效果滿足使用要求。主機HPSCR反應器CFD分析見圖4。

圖4 HPSCR反應器CFD分析圖

4 主機HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)設計

由于主機HPSCR的壓縮空氣消耗量非常大，空氣耗量參數高于常規(guī)船舶最大的主空壓機排量，而大排量的壓縮空氣消耗會導致為SCR供氣的空壓機持續(xù)不斷工作，部分間息性負荷還會出現幾分鐘的短暫停機又立即啟動的情況。

如果儲存壓縮空氣的SCR空氣瓶容量偏小，并且SCR空氣瓶儲氣壓力低，會直接造成壓縮空氣瓶內的氣體儲存量不夠消耗，此時SCR空氣瓶僅能起到較為短暫的壓縮空氣緩沖作用，導致壓縮空氣系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

鑒于以上情況，主空壓機和SCR空壓機均會不斷啟停工作，以保證壓縮空氣系統(tǒng)正常的供氣消耗，大大增加了空壓機的工作負荷，延長了空壓機的工作時間，因此將會縮短SCR空壓機的使用壽命和維護周期。

4.1 壓縮空氣參數

HPSCR系統(tǒng)壓縮空氣消耗需求如下：Tier III排放模式下，壓縮空氣噴射吹洗耗量約為200 m/h，壓縮空氣吹灰耗量約為15 m/h；Tier II排放模式下，壓縮空氣透氣耗量約為150 m/h。另外，2臺發(fā)電機的SCR壓縮空氣耗量約為30 m/h，最大壓縮空氣的綜合耗量約為245 m/h。 因此，建議SCR空壓機排量應選用300 m/h×1.2 MPa，SCR空氣瓶容量也提高到6 m×1.2 MPa。

4.2 壓縮空氣系統(tǒng)設計

(1)根據主機HPSCR系統(tǒng)的壓縮空氣設計需求和實際消耗情況，主空壓機仍采用常規(guī)活塞式水冷空氣壓縮機，主要用于滿足船舶常規(guī)壓縮空氣需求，僅在應急時接入SCR壓縮空氣系統(tǒng)。

(2)工作空壓機和SCR空壓機則采用螺桿式風冷空氣壓縮機，主要用于滿足SCR系統(tǒng)壓縮空氣需求，兼顧船舶常規(guī)工作空氣需求。

螺桿空氣壓縮機更利于氣體耗量大的連續(xù)運行，其運行的可靠性和穩(wěn)定性較好，同時可以運用螺桿空壓機的空載運行和空載時間調節(jié)功能，避免空壓機的頻繁啟停并能有效應對實際壓縮空氣消耗的多變工況。設計時，將工作空壓機與SCR空壓機匹配成同型號等容量，形成系統(tǒng)運行上的互為備用和負荷運行的輪換功能，實現維修保養(yǎng)中的互換性。

(3)擴大SCR空氣瓶容積可以增加壓縮空氣系統(tǒng)氣瓶儲量和提升壓縮空氣快速消耗的有效緩沖能力；增加SCR壓縮空氣干燥器以提高壓縮空氣氣源質量、延長設備使用周期、減少維護成本。

(4)全船系統(tǒng)設計時將主空氣瓶供氣管路接入SCR空氣瓶進口，在應急狀態(tài)下可以實現主空壓機的供氣系統(tǒng)補充模式，從系統(tǒng)上實現全船壓縮空氣系統(tǒng)的冗余設計，強化系統(tǒng)安全性和實際使用模式的多樣化。HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)綜合布置見圖5。

5 主機HPSCR尿素系統(tǒng)設計

尿素溶液作為主機HPSCR系統(tǒng)運行時的主要化學反應介質，其加注、儲存、駁運、日用等系統(tǒng)的設計尤為重要，關系到能否保證尿素的存儲可靠和正常駁運，以及能否有效保證SCR系統(tǒng)獲得穩(wěn)定品質的尿素溶液，使主機HPSCR系統(tǒng)可靠脫氮。

5.1 尿素系統(tǒng)配置

主機HPSCR尿素系統(tǒng)配置包含尿素加注管路、尿素儲存艙、尿素泄放艙、尿素輸送泵、尿素日用泵、尿素噴射裝置、尿素駁運日用管路、尿素混合管路、尿素排放泵、尿素排放管路等。

5.2 尿素溶液儲存要求

主機HPSCR系統(tǒng)采用尿素含量40%的尿素溶液，該尿素溶液需滿足ISO 18611-2:2014要求。為保證尿素溶液的品質，尿素溶液的儲存應避免陽光直射。運輸和存儲過程盡量避免溫度低于1 ℃和高于25 ℃，在該儲存條件下尿素溶液質保期可以達到18個月；在存儲溫度25～30 ℃之間尿素溶液的質保期減少到12個月；在存儲溫度30～35 ℃之間尿素溶液的質保期減少到6個月；而當儲存溫度大于35 ℃時，尿素溶液的質保期更短，且每次使用前，其成分檢測合格后才可使用，否則影響HPSCR系統(tǒng)的使用效果，甚至造成主機廢氣的氮排放超標。

因此，該系統(tǒng)設計時需考慮尿素艙的設置位置、溫度監(jiān)測和溫度控制。同時由于尿素溶液有一定的腐蝕性，尿素艙的材質一般推薦采用304不銹鋼，但船舶制造過程中為節(jié)約船舶建造成本，采用鋼質結構艙柜進行環(huán)氧油漆特涂處理，僅尿素日用管路采用304不銹鋼。

圖5 HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)綜合布置圖

5.3 尿素艙的設置

尿素艙設置時需要考慮減少艙面與船舶內部熱源的共面。為最大可能減少尿素艙艙面與機艙熱源的共面，62 000 t散貨船僅保留一個操作艙面與機艙進行共面，以便安裝管路和附件、方便艙面的觀察。為最大限度減少艙面共面對尿素艙的影響，該艙面進行隔熱絕緣包覆以減少熱量傳遞。

為增加與冷源的接觸，將尿素艙艙面設置成與壓載水艙共壁，通過共壁直接獲取壓載水艙的冷源，可以避免安裝尿素艙冷卻管，實船冷卻效果很好。

另外，尿素艙應滿足挪威船級社船舶規(guī)范要求，需要設置相應的高液位報警、低液位報警、超低液位報警、就地和遠程的溫度指示及溫度報警。

5.4 尿素艙管路的設置

尿素艙管路設計時盡量避免因駁運管路和閥件的布置出現尿素艙管路空管的情況。如果尿素管路長時間空管會使空管中殘留的尿素溶液水分蒸發(fā)后結晶留在管路上，特別是止回閥或截止止回閥的閥芯會被尿素結晶體卡住，無法起到止回作用。

尿素輸送泵和尿素日用泵應盡量布置在尿素艙最低液位以下，同時注意這兩泵的進出口管路不要設計成方向朝上的U型升高式管路，避免因為管路

沒有充滿液體出現無法自吸的情況，造成尿素輸送泵和日用泵不能正常工作。如果由于某種原因尿素輸送泵和尿素日用泵只能布置在尿素艙液位以上，應當選用有自吸能力的尿素輸送泵，盡量不要選用氣動泵型式的尿素泵。

6 結論

(1)結合多種方案進行全面比較分析，并綜合平衡機艙布置，從而確定最優(yōu)布置方案。

(2)通過CFD輔助計算分析可以獲得排氣動態(tài)參數，指導排氣管路設計和膨脹節(jié)選型，提前預測并消除主機HPSCR排氣管路的熱膨脹和管路的震動問題。

(3)對主機HPSCR壓縮空氣容量和系統(tǒng)運行要求進行分析，找出設備參數選型和系統(tǒng)優(yōu)化的方法，確保主機HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。