陳婷婷， 黃秋云， 王 耀， 楊澤濱， 左小明

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

《國際防止船舶造成污染公約》(《MARPOL公約》)附則Ⅵ要求如下：

(1)Tier Ⅰ階段。對于2000年1月1日—2010年12月31日建造的船舶，其發(fā)動機(jī)需要滿足氮氧化物(NOx)排放量(按NO2總加權(quán)排放量計算)的要求[1]，如表1所示。

表1 Tier Ⅰ階段對應(yīng)的NOx排放值

(2)Tier Ⅱ階段。對于2011年1月1日或以后建造的船舶，其發(fā)動機(jī)需要滿足NOx排放量(按NO2總加權(quán)排放量計算)的要求[1]，如表2所示。

表2 Tier Ⅱ階段對應(yīng)的NOx排放值

(3)Tier Ⅲ階段。對于2016年1月1日或以后建造的船舶，其發(fā)動機(jī)需要在NOx北美排放控制區(qū)域(Emission Control Area，ECA)內(nèi)滿足NOx排放量(按NO2總加權(quán)排放量計算)的要求[1]，如表3所示。對于北歐ECA內(nèi)的Tier Ⅲ階段排放，則是針對2021年1月1日或以后建造的船舶。

表3 Tier Ⅲ階段對應(yīng)的NOx排放值

主要針對某型火車滾裝船小缸徑低速柴油機(jī)加裝經(jīng)濟(jì)型廢氣再循環(huán)(Economical Exhaust Gas Recirculation，EcoEGR)系統(tǒng)進(jìn)行原理分析及實(shí)船應(yīng)用論述。

1 小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)

項(xiàng)目EcoEGR系統(tǒng)主要包括氫氧化鈉儲存柜(加裝高低液位報警裝置，與機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)相連，低液位控制信號在主機(jī)停用EcoEGR系統(tǒng)時使用)、氫氧化鈉泵組(泵組運(yùn)行受收集柜單元(Receiving Tank Unit，RTU)出口pH值控制，在pH值低于6.5時啟動加藥)、主機(jī)的EGR單元(EGR冷卻器、水霧捕集器(Water Mist Catcher，WMC))和RTU儲存罐、循環(huán)泵、EGR緩沖柜、水處理系統(tǒng)(Water Treatment System，WTS)(加裝質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%的船用油分濃度計、三通轉(zhuǎn)換閥)、EGR泄放艙(加裝高液位報警裝置，與機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)相連，高液位控制信號在主機(jī)停用EcoEGR系統(tǒng)時使用)、EGR廢渣艙(加裝高液位報警裝置，與機(jī)艙監(jiān)測報警系統(tǒng)相連)。

1.1 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)

主機(jī)在Tier Ⅱ或Tier Ⅲ模式下運(yùn)行時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%或35%的氫氧化鈉溶液通過氫氧化鈉泵組從氫氧化鈉儲存柜中抽出，混合一定比例淡水，輸送至主機(jī)參與再循環(huán)廢氣的處理。經(jīng)處理的廢液如滿足再循環(huán)要求，RTU將其輸送回主機(jī)氫氧化鈉噴射口處再循環(huán)，不滿足則輸送回EGR緩沖柜，進(jìn)一步至WTS中處理。由WTS分離的廢渣排至EGR廢渣艙，分離的廢水如滿足質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%的相關(guān)要求則排至舷外，不滿足則通過三通轉(zhuǎn)換閥控制循環(huán)輸送回EGR緩沖柜。在EGR緩沖柜液位已滿時，廢液靠重力溢流至EGR泄放艙中儲存。EGR泄放艙的廢液和EGR廢渣艙的廢渣可通過耐腐蝕的油渣泵排至岸上。如后續(xù)該型船加裝重油系統(tǒng)和脫硫塔，則EGR泄放艙的廢液可經(jīng)過脫硫塔的WTS處理并達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%的相關(guān)要求后排至舷外。

項(xiàng)目采用2臺主機(jī)，其EcoEGR系統(tǒng)管路與單臺EcoEGR系統(tǒng)較為相似，主要區(qū)別：左右氫氧化鈉泵組分別從同一個氫氧化鈉儲存柜中抽取氫氧化鈉溶液，泵送至各自關(guān)聯(lián)的主機(jī)；從各主機(jī)RTU出來的廢液單獨(dú)回至共用的EGR緩沖柜中。主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)

1.2 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路

主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路如圖2所示。在主機(jī)控制系統(tǒng)收到Tier Ⅲ模式運(yùn)行指令時，EcoEGR系統(tǒng)投入運(yùn)行，截止閥(Shut-Off Valve，SOV)和EGR鼓風(fēng)機(jī)節(jié)流閥(Blower Throttle Valve，BTV)打開。排氣總管的廢氣經(jīng)SOV與氫氧化鈉溶液預(yù)噴至EGR單元中，經(jīng)歷第二次氫氧化鈉溶液噴射，進(jìn)一步凈化去除油灰、硫分等，形成相對干凈的廢氣，再經(jīng)冷卻器進(jìn)行冷卻，經(jīng)WMC進(jìn)一步處理。離開EGR單元的廢氣經(jīng)EGR鼓風(fēng)機(jī)加壓，與來自渦輪增壓器的新鮮空氣成比例充分混合送至掃氣箱中(箱中裝備檢測O2體積分?jǐn)?shù)的傳感器探頭)。在氣缸進(jìn)氣閥打開時，混合的新舊氣體被帶入活塞上部區(qū)域。在活塞上部產(chǎn)生燃燒反應(yīng)時，混合空氣的O2體積分?jǐn)?shù)(16%～18%)比常規(guī)新鮮空氣的O2體積分?jǐn)?shù)(21%)低，再加上燃燒溫度降低，導(dǎo)致在氣缸中還原氣體生成氧化物質(zhì)較少，因此NOx的排放體積分?jǐn)?shù)降低，達(dá)到Tier Ⅲ階段的NOx排放控制要求。新鮮空氣在從渦輪增壓器中加壓輸送至掃氣箱冷卻器進(jìn)行冷卻的過程中，增加1套氣缸旁通閥(Cylinder Bypass Valve，CBV)，該閥門的作用：系統(tǒng)不需要的部分新鮮空氣可通過其旁通回至排氣總管中。與常規(guī)主機(jī)排氣系統(tǒng)對比，EcoEGR系統(tǒng)在廢氣進(jìn)入渦輪增壓器的管路上增加廢氣旁通閥(Exhaust Gas Bypass Valve，EGBV)，該閥門的作用：在渦輪增壓器不需要過多廢氣驅(qū)動時，可通過EGBV及管路旁通回至渦輪增壓器出口處，再排至大氣中。O2傳感器的功能：來自掃氣箱的混合空氣通過管路輸送至氧氣分析箱的3個O2檢測器中分別分析O2體積分?jǐn)?shù)值，并作出對比，兩兩之間的檢測值差不能大于0.3%，此時的O2體積分?jǐn)?shù)才是系統(tǒng)顯示的數(shù)值。若O2體積分?jǐn)?shù)檢測出現(xiàn)問題，則EcoEGR系統(tǒng)不能運(yùn)行。

圖2 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路

在主機(jī)控制系統(tǒng)收到Tier Ⅱ模式運(yùn)行指令時，EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路與Tier Ⅲ模式較為相似，主要區(qū)別：再循環(huán)廢氣的O2體積分?jǐn)?shù)和控制系統(tǒng)不同。在Tier Ⅱ模式下的EcoEGR系統(tǒng)中，再循環(huán)廢氣的O2體積分?jǐn)?shù)為18%～20%(10%～15%的廢氣再循環(huán)至掃氣箱中)，高于Tier Ⅲ模式下EcoEGR系統(tǒng)的16%～18%(35%～45%的廢氣再循環(huán)至掃氣箱中)。兩者控制系統(tǒng)的區(qū)別：各控制閥的開啟/開度控制狀態(tài)不同，如表4所示。

表4 Tier Ⅱ模式與Tier Ⅲ模式對應(yīng)的控制閥狀態(tài)

1.3 應(yīng)急轉(zhuǎn)換

循環(huán)廢氣的O2體積分?jǐn)?shù)較低，加上控制系統(tǒng)調(diào)整，使Tier Ⅲ模式下的EcoEGR系統(tǒng)的SFOC比Tier Ⅱ模式下的EGR系統(tǒng)的SFOC低2～4 g/(kW·h)。

在EcoEGR系統(tǒng)失效時，主機(jī)由Tier Ⅲ模式或Tier Ⅱ模式自動轉(zhuǎn)換為Tier Ⅱ模式下的低效率運(yùn)行方式，屬于應(yīng)急工況下的運(yùn)行。

2 實(shí)船布置

某型火車滾裝船的EcoEGR系統(tǒng)設(shè)備布置如圖3所示：1套共用的氫氧化鈉儲存柜和1套共用的EGR緩沖柜(材質(zhì)均為不銹鋼316L)布置在機(jī)艙中間平臺處，位于船中線上。2套氫氧化鈉泵組布置在機(jī)艙底層、船中方向；2臺加裝EcoEGR系統(tǒng)的主機(jī)布置在機(jī)艙底層，參照船中線對稱布置；1套共用的WTS(具備高/低硫油處理功能)布置在機(jī)艙底層的分油機(jī)間內(nèi)；1個6.85 m3的EGR廢渣艙(碳鋼特涂)布置在WTS下方，方便WTS的分離機(jī)直接排渣；1個7.79 m3的EGR泄放艙(碳鋼特涂)布置在機(jī)艙雙層底內(nèi)。

圖3 某型火車滾裝船EcoEGR系統(tǒng)設(shè)備布置

EGR緩沖柜和氫氧化鈉儲存柜須布置在比氫氧化鈉泵組高的地方，以保證氫氧化鈉泵組吸口為正壓狀態(tài)，并須保持管路具有一定斜度，以便介質(zhì)中的氣泡可及時逸出。EGR緩沖柜的布置須比EGR泄放艙高，以便EGR緩沖柜的介質(zhì)可僅依靠重力溢流至EGR泄放艙。但EGR緩沖柜的布置高度須考慮主機(jī)RTU的排出壓頭能力，不得高于RTU。氫氧化鈉管路布置應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)存水彎；如不可避免，建議在存水彎處增加泄放口，以用于在系統(tǒng)不工作時泄放腐蝕介質(zhì)，并應(yīng)具有泄放過程中的防腐蝕措施。WTS應(yīng)布置在EGR廢渣艙上方，WTS分離的廢渣可通過垂直管路泄放至EGR廢渣艙中。鑒于氫氧化鈉為腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，EGR緩沖柜、氫氧化鈉儲存柜等與其接觸的結(jié)構(gòu)艙柜、管路、閥門、泄放盤等均須采用不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)艙柜可選用碳鋼加特涂方案。項(xiàng)目管路墊片選用特氟龍材質(zhì)，以滿足防腐蝕要求。壓力管路應(yīng)選用Ⅰ級管，并應(yīng)盡可能選用對焊型式，以減少可能的泄漏。項(xiàng)目在氫氧化鈉儲存柜附近設(shè)置1套洗眼器，以滿足規(guī)范對化學(xué)品布置的要求。

由于EcoEGR系統(tǒng)對氫氧化鈉溶液具有使用溫度要求，再加上氫氧化鈉溶液本身具有儲存溫度要求，因此在氫氧化鈉儲存柜中設(shè)置電加熱器，以保證氫氧化鈉溶液溫度維持在20 ℃以上。

3 Tier Ⅲ階段取證

主機(jī)項(xiàng)目獲取Tier Ⅲ階段排放證書，一般有2種方案：A.由主機(jī)廠在工廠試驗(yàn)過程中直接申請Tier Ⅲ階段排放證書；B.主機(jī)廠在工廠試驗(yàn)中獲取主機(jī)排放的柴油機(jī)國際防止空氣污染證書(Engine International Air Pollution Prevention Certificate，EIAPP)，再由船廠在航行試驗(yàn)過程中試驗(yàn)并取得Tier Ⅲ階段排放證書。對于船廠來說，A方案較為方便，風(fēng)險較小，船廠只需要負(fù)責(zé)將設(shè)備安裝、連接到位，并在后期復(fù)核參數(shù)指標(biāo)即可；B方案存在不確定性，若第一次試航未能滿足取證要求，將會面臨第二次試航風(fēng)險和增加工時及修改工作量等。

針對A方案，在試驗(yàn)前需要用標(biāo)定氣瓶校準(zhǔn)相關(guān)檢測設(shè)備并進(jìn)行泄漏檢查；在柴油機(jī)排氣管上確定廢氣取樣點(diǎn)并安裝相關(guān)取樣管，待柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，按試驗(yàn)程序調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷值，通過排放分析儀進(jìn)行柴油機(jī)廢氣排放測試和數(shù)據(jù)記錄。試驗(yàn)結(jié)束，相關(guān)船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)將對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)核。若審查通過，則可獲取主機(jī)的Tier Ⅲ階段排放證書。取證報驗(yàn)工作不僅可與柴油機(jī)臺架試驗(yàn)一起聯(lián)合執(zhí)行，而且可分開測試。

4 結(jié) 語

隨著《MARPOL公約》NOx排放限制要求和限制區(qū)域越來越廣，越來越多船舶的廢氣系統(tǒng)具備Tier Ⅲ階段處理能力。某型火車滾裝船選用小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)，是船舶所有人、設(shè)計院、船廠和曼恩(MAN)公司勇于創(chuàng)新的一種嘗試。主要論述EcoEGR系統(tǒng)的原理、實(shí)船應(yīng)用等信息，為今后小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)的設(shè)計、建造等提供相關(guān)支持和借鑒。