王建功

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

隨著全球船舶氣體氮氧化物NOx排放Ⅲ控制區(qū)不斷擴(kuò)大,SCR系統(tǒng)在船舶上的設(shè)計(jì)安裝和操作應(yīng)用越來(lái)越受重視和關(guān)注,安裝SCR系統(tǒng)的船舶越來(lái)越多。SCR系統(tǒng)主要是對(duì)柴油機(jī)廢氣中的氮氧化物進(jìn)行催化中和還原反應(yīng)處理,使廢氣排放滿足排放要求。本文從SCR系統(tǒng)的反應(yīng)原理、SCR系統(tǒng)選型、SCR系統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)流程等方面全面介始SCR系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用。

1 SCR系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)原理

選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術(shù),即使用氨催化劑和氮氧化物進(jìn)行脫硝反應(yīng)生成氮?dú)夂退?氨水+氮氧化物=氮?dú)?水),從而使排出的廢氣中氮氧化物含量達(dá)到法規(guī)要求(<2.41 [g/(kW·h)])[1]?；竟ぷ髁鞒?船舶尿素艙儲(chǔ)存的尿素溶液(40%)通過(guò)尿素供給泵單元送到尿素計(jì)量單元,計(jì)量單元加入壓縮空氣與尿素溶液混合后噴入排氣混合管,在混合管中尿素溶液與廢氣充分混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)裝置,在催化劑模塊中進(jìn)行催化還原反應(yīng),最終把廢氣中的氮氧化物反應(yīng)成氮?dú)夂退⑴湃氪髿狻?/p>

SCR催化還原反應(yīng)主要化學(xué)式如下。

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O,

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O,

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O。

2 高低壓SCR的選型及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

SCR系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備安裝位置可以分為高壓SCR系統(tǒng)和低壓SCR系統(tǒng)。高壓SCR系統(tǒng)為SCR催化反應(yīng)器安裝在柴油機(jī)排氣總管與增壓器之間,SCR排氣系統(tǒng)中運(yùn)行高溫、高壓的氣體,故稱為高壓SCR系統(tǒng),主要運(yùn)用于主機(jī)SCR系統(tǒng)。低壓SCR系統(tǒng)為SCR催化反應(yīng)器安裝在柴油機(jī)增壓器后面,SCR排氣系統(tǒng)中運(yùn)行低壓、低溫的氣體,故稱為低壓SCR系統(tǒng),主要用于主機(jī)SCR系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)[2]。高低壓SCR系統(tǒng)的選型及主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 高低壓SCR系統(tǒng)的選型及主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 船舶SCR系統(tǒng)應(yīng)用說(shuō)明

3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

SCR系統(tǒng)主要由船體結(jié)構(gòu)尿素溶液艙、尿素供給泵單元、尿素計(jì)量單元及噴射槍、SCR混合管、SCR催化反應(yīng)器、輔助設(shè)備、相關(guān)管系、閥附件及電氣控制系統(tǒng)等組成,相關(guān)的系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。

圖1 SCR船舶系統(tǒng)原理

SCR的主要工作原理:柴油機(jī)在MGO燃料下運(yùn)行并開(kāi)啟SCR運(yùn)行模式,SCR系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)控制,當(dāng)排氣溫度達(dá)到工作溫度后啟動(dòng)尿素泵組單元開(kāi)始供給尿素溶液,尿素溶液在計(jì)量單元中與壓縮空氣按比例混合后一起噴射到SCR混合管中,尿素溶液與廢氣充分混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器,SCR反應(yīng)器中安裝有催化劑模塊,尿素溶液中的氨氣NH3與廢氣中的氮氧化物在催化劑模塊中進(jìn)行充分催化還原化學(xué)反應(yīng),最終生成氮?dú)夂退?經(jīng)煙囪排入大氣[3]。

3.2 SCR系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)要點(diǎn)

SCR的前期設(shè)計(jì)主要為高、低壓SCR系統(tǒng)的選擇、SCR系統(tǒng)主要設(shè)備的空間布置、SCR輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)、SCR系統(tǒng)的試驗(yàn)及證書(shū)取得。

1)高、低壓SCR系統(tǒng)的選擇。根據(jù)柴油機(jī)的參數(shù)進(jìn)行初步選型,同時(shí)結(jié)合機(jī)艙空間及機(jī)艙棚結(jié)構(gòu)空間來(lái)進(jìn)行高低壓SCR選擇,參考設(shè)備價(jià)格進(jìn)行綜合選擇。目前船舶輔機(jī)SCR系統(tǒng)只有低壓SCR系統(tǒng)可供選配,這主要是輔機(jī)功率小及輔機(jī)機(jī)型空間等特點(diǎn)決定的。主機(jī)有高壓及低壓SCR系統(tǒng)選配,在設(shè)計(jì)前期可以根據(jù)主機(jī)廠家的推薦,結(jié)合主機(jī)參數(shù)、機(jī)艙空間、機(jī)艙棚空間及價(jià)格來(lái)綜合選擇SCR類型。選擇低壓SCR系統(tǒng)需增加柴油機(jī)的排氣背壓,如柴油機(jī)增壓器的排氣背壓設(shè)計(jì)由300 mm水柱增大到450 mm水柱。

2)SCR系統(tǒng)主要設(shè)備的空間布置。SCR系統(tǒng)主要設(shè)備為SCR混合筒、SCR反應(yīng)器及連接的排氣管及排氣閥等。輔機(jī)SCR混合筒和反應(yīng)器通常垂直布置安裝在機(jī)艙棚,對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備就近布置。主機(jī)高壓SCR的混合筒和反應(yīng)器布置在機(jī)艙主機(jī)附近,設(shè)計(jì)前期要把帶SCR混合筒及SCR反應(yīng)器的主機(jī)排氣管路設(shè)計(jì)出來(lái),通常的SCR混合筒直徑1～2 m,長(zhǎng)4～5 m;SCR反應(yīng)器直徑2～3 m,長(zhǎng)5～7 m,所以設(shè)計(jì)前期要充分考慮排氣管的空間布置?，F(xiàn)在有些主機(jī)廠已開(kāi)發(fā)出機(jī)帶高壓SCR系統(tǒng),SCR系統(tǒng)設(shè)備完全安裝在主機(jī)上,這種設(shè)計(jì)方式節(jié)省船廠機(jī)艙空間,但是機(jī)帶SCR系統(tǒng)會(huì)占用主機(jī)排氣總管區(qū)域造成SCR系統(tǒng)部件維修空間狹小,且這種配制的主機(jī)目前價(jià)格較貴。主機(jī)低壓SCR系統(tǒng)要重點(diǎn)考慮機(jī)艙增壓器后的空間或機(jī)艙棚的空間,對(duì)于滾裝船及客滾船等機(jī)艙棚空間要求高的船要特別注意。SCR系統(tǒng)中其他設(shè)備主要為尿素供給泵單元、尿素計(jì)量單元及電氣控制箱等,這些設(shè)備空間小、電力負(fù)荷不大,前期作為一般考慮即可。

3)SCR系統(tǒng)中還常用到輔助系統(tǒng),如空氣系統(tǒng)、尿素溶液供給系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)和電氣控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。空氣系統(tǒng)主要分為0.7-0.9 MPa壓縮空氣系統(tǒng)和0.7 MPa儀表控制空氣系統(tǒng),壓縮空氣系統(tǒng)主要用于SCR計(jì)量單元空氣與尿素溶液的混合及SCR反應(yīng)器的壓縮空氣灰塵吹掃用、催化反應(yīng)用氣等,因壓縮空氣的耗氣量較大,所以需要配專用的SCR空壓機(jī)、SCR空氣瓶及對(duì)應(yīng)的壓縮空氣系統(tǒng)。SCR空壓機(jī)及SCR空氣瓶的參數(shù)按主機(jī)和輔機(jī)SCR系統(tǒng)用氣參數(shù)來(lái)選定,通常SCR空壓機(jī)的選定排量為50～300 Nm3/h,SCR空氣瓶容積為3～5 m3。SCR儀表控制系統(tǒng)主要用于SCR系統(tǒng)氣動(dòng)排氣閥的開(kāi)關(guān)控制,用氣量較小可以直接連接船上的控制空氣系統(tǒng)。尿素溶液是SCR催化反應(yīng)的主要原料,船舶需設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)艙室(約30～100 m3)來(lái)儲(chǔ)存40%尿素溶液,從成本上考慮尿素艙材質(zhì)通常為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)艙室加特殊油漆,如果用不銹鋼304結(jié)構(gòu)艙室也可以,但是成本會(huì)較高。尿素溶液艙室通常還需要冷卻和加熱來(lái)防止尿素溶液的結(jié)晶及結(jié)冰。尿素溶液的供給系統(tǒng)管子常用不銹鋼304管子,尿素系統(tǒng)還要考慮尿素溶液的加注、儲(chǔ)存、供給、泄放、調(diào)駁,還有個(gè)人防護(hù)裝置如個(gè)人防護(hù)及淋浴洗眼裝置等。淡水系統(tǒng)主要為尿素系統(tǒng)沖流及淋浴洗眼裝置用水。SCR系統(tǒng)電氣輔助系統(tǒng)主要考慮電氣控制箱的布置、監(jiān)測(cè)報(bào)警應(yīng)用及電力負(fù)荷的考慮等。

4)SCR系統(tǒng)與柴油機(jī)的配合試驗(yàn)后需提交船級(jí)社送審并最終拿到船級(jí)社排放Ⅲ的EIAPP證書(shū)。證書(shū)獲取方式可以有SCHEME A和SCHEME B兩種形式,SCHEME A為SCR系統(tǒng)與柴油機(jī)進(jìn)行工廠胎架試驗(yàn)(FAT)取證,SCHEME B為柴油機(jī)和SCR系統(tǒng)上船安裝后在船上做取證試驗(yàn)。從建造成本及建造時(shí)間上新造船一般按SCHEME A形式取證,同一船東的同一主機(jī)系列船可以只做首制船的SCR系統(tǒng)與柴油機(jī)配合取證試驗(yàn),首制船的SCR系統(tǒng)設(shè)備發(fā)送到柴油機(jī)廠家進(jìn)行FAT試驗(yàn)取證,后續(xù)船不需要再進(jìn)行FAT取證,SCR設(shè)備和柴油機(jī)直接上船安裝后做系統(tǒng)配合功能試驗(yàn)即可。改造船會(huì)選擇SCHEME B形式取證,設(shè)備在船上安裝后在船上進(jìn)行柴油機(jī)和SCR系統(tǒng)配合取證試驗(yàn),如:各報(bào)警點(diǎn)試驗(yàn);報(bào)警點(diǎn)停機(jī)試驗(yàn);柴油機(jī)各負(fù)荷下的尿素噴射催化反應(yīng)試驗(yàn);廢氣排放(EIAPP)試驗(yàn)等。船廠系泊及海試主要為SCR系統(tǒng)功能驗(yàn)證試驗(yàn),注意海試時(shí)SCR試驗(yàn)用油為MGO,所以海試時(shí)SCR系統(tǒng)試驗(yàn)一般為最后一個(gè)項(xiàng)目,即船舶所有海試試驗(yàn)項(xiàng)目做完后船舶轉(zhuǎn)油為MGO后再進(jìn)行SCR系統(tǒng)試驗(yàn),此時(shí)SCR系統(tǒng)試驗(yàn)為SCR功能試驗(yàn),在主機(jī)負(fù)荷分別為25%、50%、75%、100%工況下,每個(gè)工況運(yùn)行15～30 min,驗(yàn)證SCR系統(tǒng)功能。

3.3 SCR系統(tǒng)各設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計(jì)及安裝說(shuō)明

SCR系統(tǒng)各設(shè)備的安裝是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),也是設(shè)備安全操作運(yùn)行的前提保證。

1)排氣管的布置是SCR系統(tǒng)首要關(guān)注點(diǎn),低壓SCR系統(tǒng)按柴油機(jī)后排氣管通用要求設(shè)計(jì),系統(tǒng)中的SCR混合筒和SCR反應(yīng)器按排氣管進(jìn)行正常布置,設(shè)備的維修空間是考慮的重點(diǎn)。低壓SCR系統(tǒng)中混合筒到SCR反應(yīng)器間的排氣管一般為不銹鋼304鋼管,其它管子按普通鋼管設(shè)計(jì),螺栓及管子絕緣按常用排氣管標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高壓SCR 排氣管布置說(shuō)明。高壓SCR排氣管主要指主機(jī)高壓SCR系統(tǒng)排氣管,這是設(shè)計(jì)中一個(gè)難點(diǎn)。主機(jī)高壓排氣管的設(shè)計(jì)溫度通常為450～500 ℃,設(shè)計(jì)壓力為0.5 MPa,高溫高壓下普通鋼管的熱變形非常大,排氣管要布置合理;排氣彎頭處支撐支架應(yīng)能抵御排氣流多方向合力沖擊;排氣管的材質(zhì)和厚度、隔熱保溫棉的密度和厚度、排氣管及排氣管支架熱膨脹應(yīng)力分析、排氣膨脹節(jié)的選型及布置都需要經(jīng)專用軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析后確定。通過(guò)常用的ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模,仿真計(jì)算管子熱態(tài)傳熱、耦合分析、支反力和支反力矩計(jì)算,最終確定排氣管、排氣管支架和膨脹節(jié)的整體布置,通過(guò)對(duì)每段排氣管的分析計(jì)算及優(yōu)化,最終完成整個(gè)高壓SCR系統(tǒng)排氣管布置設(shè)計(jì)。

以某載重量62 000 t船的主機(jī)高壓SCR系統(tǒng)排氣管設(shè)計(jì)為例。主機(jī)高壓SCR排氣管及排氣管支架為不銹鋼304材料,排氣管厚度為12 mm,排氣管支架板材厚度為15 mm,排氣支架的方向嚴(yán)格按氣流流向合力點(diǎn)反向支撐,絕緣棉厚度為150 mm。每段排氣管在車間做1.0 MPa水壓試驗(yàn),所有高壓SCR排氣管上船安裝后做0.75 MPa氣密試驗(yàn),包括廠家供的SCR系統(tǒng)混合管和SCR催化反應(yīng)器及連接的膨脹節(jié)等都要做氣密試驗(yàn)。

2)SCR尿素溶液儲(chǔ)存及供給系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)及安裝。SCR尿素系統(tǒng)主要以尿素溶液儲(chǔ)存艙為核心的尿素溶液注入系統(tǒng)、尿素溶液儲(chǔ)存、調(diào)駁及供給系統(tǒng)。SCR系統(tǒng)使用的尿素溶液常40%的溶液,弱堿性、無(wú)毒、有一定的腐蝕性。尿素溶液儲(chǔ)存溫度建議0～35 ℃。若機(jī)艙溫度長(zhǎng)期超過(guò)45 ℃或者低于0 ℃,尿素溶液儲(chǔ)存艙需布置冷卻盤(pán)管或者加熱盤(pán)管。尿素溶液儲(chǔ)存艙材料可以為不銹鋼,也可以是鋼板加油漆特涂,尿素溶液儲(chǔ)存艙外包保溫棉,艙柜集水盤(pán)中增加泄露報(bào)警傳感器。尿素溶液儲(chǔ)存艙設(shè)置高、低位液位報(bào)警和高、低溫溫度報(bào)警,這些報(bào)警都連接到SCR系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng),所有傳感器材料都至少為不銹鋼304材質(zhì)。尿素系統(tǒng)管子主要為不銹鋼304材質(zhì),系統(tǒng)閥件及安裝螺栓至少應(yīng)為不銹鋼304材質(zhì),管子墊片通常聚四氟乙烯墊片,設(shè)備的泄放水盤(pán)用不銹鋼水盤(pán)或鋼質(zhì)油漆水盤(pán)。尿素溶液的加注及使用過(guò)程需要充分的防護(hù)措施,如連體工作服、圍裙、口罩、防化學(xué)物質(zhì)護(hù)目鏡、防護(hù)面具、眼藥水,以及應(yīng)急洗眼裝置等。

4 結(jié)論

最近幾年很多船廠新造船都設(shè)計(jì)安裝了SCR系統(tǒng),SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越成熟,更多的船廠和船東了解并采用SCR技術(shù)。雖然以LNG和甲醇等為代表的新燃料船舶發(fā)展迅速,但SCR技術(shù)暫時(shí)不會(huì)被拋棄,反而會(huì)和新燃料新技術(shù)并存,現(xiàn)在有很多燃燒LNG的船舶也同時(shí)加裝SCR系統(tǒng)。隨著船舶新法規(guī)的不斷涌現(xiàn),氣體排放控制區(qū)還會(huì)不斷的擴(kuò)大,船舶SCR系統(tǒng)技術(shù)也會(huì)不斷的變化。需要通過(guò)不斷積累,整理出一套完整的SCR船舶技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),使SCR系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用更安全、更環(huán)保。