船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)溫度控制分析

高子朋，吳桂濤，邢 明

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026)

船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)溫度控制分析

高子朋，吳桂濤，邢 明

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026)

針對SCR技術在船舶二沖程柴油機上的應用,分析某船6S46MC-C二沖程柴油機SCR系統(tǒng)的溫度控制方法和工作特性。結果表明,掃氣旁通法可以使二沖程柴油機不同負荷下的排氣溫度保持在SCR反應的最佳溫度窗口內,有利于SCR系統(tǒng)的運行,可以使船舶二沖程柴油機NOx排放滿足Tier III標準。

氮氧化物減排;SCR;二沖程柴油機;溫度控制;Tier III

為了控制船舶柴油機造成的大氣污染,2008年IMO對船舶柴油機NOx排放提出了Tier I、Tier II、Tier III 3個階段的限值要求。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)內航行時,NOx排放應符合Tier III標準;當船舶在排放控制區(qū)之外航行時,NOx排放應符合Tier II標準。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?shù)腘Ox減排措施來滿足日益嚴苛的排放法規(guī)。

降低船舶柴油機NOx排放有兩種方法:機內控制法和機外控制法［1］。從現(xiàn)有的技術手段來看,機內控制法可以滿足船舶柴油機NOx排放的Tier II標準,但是若要滿足Tier III標準,則必須采取機外控制措施［2］。選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)是一種降低NOx排放的機外控制措施,也是目前公認的、比較成熟的、能夠達到Tier III標準的主要技術［3］。目前, SCR技術在陸用柴油機領域已取得了成熟應用,但是將其應用于船舶二沖程柴油機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SCR技術在船舶二沖程柴油機上的應用,分析其溫度控制方法和工作特性。

1 船舶二沖程柴油機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與柴油機廢氣均勻混合后進入SCR反應器中發(fā)生選擇性催化還原反應,柴油機廢氣中的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反應可以將柴油機廢氣中的絕大部分NOx還原為N2。為了使SCR反應保持較高的脫硝率,將柴油機排氣溫度保持在SCR反應的最佳溫度窗口內是非常關鍵的。SCR反應的最佳溫度窗口為300～400℃,如果廢氣溫度過高, NH3會被氧化而不與廢氣中的NOx反應;如果廢氣溫度太低,會使反應速度太慢,并且此時柴油機廢氣中的SO2會與NH3發(fā)生反應生成NH4HSO4和(NH4)2SO4,硫酸鹽在SCR催化劑活性表面的沉積會造成催化劑堵塞、失活和損壞。由于二沖程柴油機具有較高的熱效率,排氣溫度較低,尤其當排氣經過渦輪增壓器之后,廢氣溫度通常在230～260℃范圍內,與SCR反應的最佳溫度窗口相差較大,不利于SCR系統(tǒng)的運行［6］。尤其是當船舶柴油機燃用含硫量較高的重油(HFO)時,低溫會加劇SCR催化劑的失活［7］,這就對排氣溫度較低的二沖程柴油機應用SCR技術提出了很大的挑戰(zhàn),因此,必須采取合理的控制措施使柴油機排氣溫度保持在最佳的SCR反應溫度窗口內。

2 SCR系統(tǒng)溫度控制

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

2.1 SCR系統(tǒng)的布置

因為SCR系統(tǒng)需要在300～400℃的溫度下運行,而船舶二沖程柴油機排氣溫度較低,不能達到SCR系統(tǒng)正常運行所需的溫度。為了提高船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)的進口廢氣溫度,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SCR系統(tǒng)進口廢氣溫度提高大約50～175℃。

圖2 船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)布置示意

圖3所示為某二沖程柴油機的排氣溫度(增壓器前)以及該柴油機SCR系統(tǒng)運行所需的溫度?？梢钥闯?該二沖程柴油機SCR系統(tǒng)運行所需的溫度為350℃,在柴油機負荷高于70%時,其排氣溫度可以達到SCR系統(tǒng)運行所需的溫度;而在柴油機負荷低于70%時,渦輪增壓器前的排氣溫度仍低于SCR系統(tǒng)運行所需的溫度。因此,為了使二沖程柴油機在全負荷下SCR系統(tǒng)都能運行,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排氣溫度進行控制。

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SCR系統(tǒng)。該SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之前,并設置掃氣旁通閥,(cylinder bypass valve,CBV)以提高柴油機低負荷運行時SCR系統(tǒng)的進口廢氣溫度(Tscr-in)。當柴油機排氣溫度無法滿足SCR運行所需的溫度時,打開掃氣旁通閥CBV,一部分增壓空氣隨廢氣直接進入渦輪機后排往大氣,通過減少進入氣缸的空氣質量來提高柴油機低負荷時的排氣溫度。

圖3 某二沖程柴油機排氣溫度以及SCR運行所需的溫度

圖4 某二沖程柴油機SCR系統(tǒng)

該SCR系統(tǒng)具有Tier II和Tier III兩種工作模式:當運行于Tier II模式時,關閉SCR反應器密封閥RSV和RTV,將通往SCR反應器的廢氣管路切斷,打開SCR旁通閥RBV,SCR系統(tǒng)被旁通,廢氣直接進入渦輪增壓器做功后排往大氣;當運行于Tier III模式時,關閉SCR旁通閥RBV, SCR系統(tǒng)投入運行,尿素溶液分解生成的NH3與廢氣混合均勻后流經SCR反應器,廢氣中的NOx在SCR反應器中發(fā)生催化還原反應,NOx被還原成N2后與其他廢氣一起進入渦輪增壓器做功后排往大氣,從而實現(xiàn)NOx減排。其中掃氣旁通閥CBV用于控制柴油機的排氣溫度,掃氣旁通閥CBV的開度由SCR控制系統(tǒng)根據(jù)柴油機排氣溫度與SCR運行所需溫度的差值自動調節(jié),使SCR系統(tǒng)的進口溫度(Tscr-in)始終保持在最佳的SCR反應溫度窗口內。通過控制掃氣旁通閥調節(jié)排氣溫度是合適的,因為通過渦輪增壓器的氣流幾乎保持不變,掃氣壓力將得以保持,所以柴油機燃燒進程幾乎不受影響。但是這種方法會增加燃油消耗率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SCR系統(tǒng)安裝于日本Nissho航運公司的一艘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SCR系統(tǒng)主要參數(shù)

2011年1月至4月,雜貨船“Santa Vista”進行了海試,根據(jù)《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規(guī)則修正案》的要求,采用E3工況試驗對6S46MC-C二沖程柴油機SCR系統(tǒng)進行了測試,測試結果見圖5、6、7。選取主機負荷的8%、28%、45%、74%、90%和100%等6個工況點,圖7中所示圓圈內的4點為近似E3工況模式點。

圖5 6S46MC-C柴油機SCR系統(tǒng)脫硝率

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

6S46MC-C柴油機SCR系統(tǒng)脫硝率的設定值為80%,如圖5所示,除了8%負荷工況點之外,在每一個E3工況點脫硝率均達到了80%。即使在較低負荷時,其脫硝率仍然達到了較高的水平,這是因為在低負荷時SCR控制系統(tǒng)自動調節(jié)掃氣旁通閥CBV的開度,提高了柴油機低負荷時的排氣溫度。由圖6可見,在每個工況點柴油機SCR系統(tǒng)進口廢氣溫度(Tscr-in)都大于SCR運行所需溫度,從而有利于SCR系統(tǒng)的良好運行。按E3試驗循環(huán),6S46MC-C主機SCR系統(tǒng)NOx比排放測試結果如圖7所示:74%負荷以及更高負荷時,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%負荷時, NOx比排放值大于3.4 g/(kW˙h),但各E3工況點NOx比排放加權平均值為3.1 g/(kW˙h),小于3.4 g/(kW˙h),符合IMO Tier III標準。

船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)的成功裝船和效用試驗表明:SCR技術在船舶二沖程柴油機上的應用是可行的,可實現(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NOx排放的Tier III標準。

圖7 6S46MC-C柴油機SCR系統(tǒng)NO x比排放值

4 結論

1)由于船舶二沖程柴油機渦輪增壓器之后的排氣溫度較低,SCR系統(tǒng)應布置在渦輪增壓器之前以提高SCR系統(tǒng)進口廢氣溫度(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在不同的負荷下SCR系統(tǒng)進口廢氣溫度提高大約50～175℃。

2)對于船舶二沖程柴油機,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柴油機低負荷時的排氣溫度進行控制:可以采用掃氣旁通法提高柴油機低負荷時SCR系統(tǒng)進口廢氣溫度。通過控制掃氣旁通閥CBV的開度可以使柴油機不同負荷下的SCR系統(tǒng)進口廢氣溫度始終保持在SCR反應的最佳溫度窗口內,利于SCR系統(tǒng)的良好運行,可以達到NOx排放的Tier III標準。但是這種方法會增加燃油消耗率。

3)掃氣旁通閥CBV的開度由SCR控制系統(tǒng)根據(jù)柴油機排氣溫度與SCR系統(tǒng)運行所需溫度的差值自動調節(jié),如何將SCR控制系統(tǒng)與主機控制系統(tǒng)ECS進行耦合以及SCR系統(tǒng)溫度控制策略的研究將是今后的重點。

［1］肖志家.全球船用SCR系統(tǒng)發(fā)展狀況分析［N］.中國船舶報,2011-09-09(8).

［2］張東明,平 濤,閆 萍,等.船用柴油機應對IMO Tier III排放法規(guī)的技術措施［J］.柴油機,2011,33 (4):29-33.

［3］李 斌.現(xiàn)代船舶動力裝置的節(jié)能與排放控制技術［M］.大連:大連海事大學出版社,2013.

［4］孫化棟.選擇性催化還原技術在船舶上應用的現(xiàn)狀分析［J］.青島遠洋船員學院學報,2012,33(3):26-29.

［5］李 斌.船舶柴油機使用SCR技術需解決的問題［J］.世界海運,2013,36(2):34-36.

［6］BERNECˇIC'D,RADONIA R.The selective catalytic reduction(SCR)application on two-stroke slow speedmarine diesel engines［J］.Scientific Journal of Maritime Research,2011,25(1):15-28.

［7］MAGNUSSONA M,FRIDELL E,INGELSTENC H. TheInfluence of Sulfur Dioxide and Water on the Performance of a Marine SCR Catalyst［J］.Applied Catalysis B:Environmental,2012,111-112:20-26.

［8］MAN Diesel&Turbo.Emission project guide for twostrokemarine diesel engines［R］.German:MAN,2014.

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SCR技術

E-m ail:gaozipeng@163.com