基于SCR系統的船舶排放設計和測試

呂曉輝，李家帥

(湖北海洋工程裝備研究院有限公司，湖北 武漢 430070)

國際海事組織海上環境保護委員會近年來陸續頒布了“MEPC.198(62)《2011 年關于裝有選擇性催化還原(SCR)系統船用柴油機特殊要求的2008 年NOx技術規則補充指南》及其修正案”，“MEPC.251(66) MARPOL附則VI和2008 NOx技術規則修正案”等，對船舶氮氧化物(NOx)的排放(約占全球NOx排放總量15%左右[1])提出嚴格要求。在燃燒過程中形成NOx的先決條件是氮和氧(占柴油機吸入空氣的99%)，在柴油機的燃料燃燒過程中氧氣被消耗，多余氧氣的數量是空氣/燃料比的函數，在燃燒過程中大多未起反應；氧氣有很小一部分將被氧化形成多種形式的NOx,包括一氧化氮和二氧化氮。NOx能引起酸化，形成對流層臭氧等，對人類健康造成危害。

根據海事組織要求，2016年1月1日或以后建造的船舶上安裝的柴油機在排放控制區(ECA)均要滿足排放Tier III要求(柴油機轉速n<130r/min時，NOx排放限制在3.4 g/(kW·h)以下；130 r/min≤n<2 000 r/min時，NOx排放限制在9×n-0.2g/(kW·h)以下；n≥2 000 r/min時，NOx排放限制在1.96 g/(kW·h)以下)。相比較而言，Tier III排放的應用能比Tier II排放降低約70%，大大改善全球空氣質量，緩解日益嚴峻的環境形勢。

1 SCR化學反應原理

SCR系統通過將排放氣體中的NOx轉化為大氣中自然存在的氮氣和水蒸氣來降低其排放。這個過程需要還原劑(NH3)、足夠高的溫度和讓排放氣體通過的催化劑陣列。因NH3不便于搬運和儲存，故尿素溶液是最好的替代品，尿素溶液被注入到高溫的排放氣體流中發生反應，NH3通過如下化學反應形成。

(1)

(2)

SCR系統的反應根據如下化學反應方程式進行：

(3)

(4)

(5)

2 SCR系統組成和布置

2.1 系統組成

典型的SCR系統組成見圖1，包括滿足Tier II要求的柴油機，尿素艙，尿素泵單元(泵排量≥1 m3/h，需提供DNV GL產品證書)[2]，計量單元,混合單元，反應單元,壓縮空氣瓶和吹灰系統，以及控制單元及其他傳感器等。

圖1 SCR典型系統組成

2.2 系統工作原理和布置

在MT6023項目中，4臺MAN主柴油發電機組(3 500 kW)和1臺Caterpillar港泊/應急發電機組(900 kW)分別配備了SCR系統，但共用1個尿素泵單元(包括2臺尿素泵，1用1備)、1個船體結構尿素艙和1臺控制/監控單元，壓縮空氣由船舶系統外供過來。

尿素溶液(體積百分數為40%, 規格按照ISO22241-1/2標準)從尿素艙經尿素泵通過閉式循環后回到尿素艙，同時尿素計量單元中的噴射泵能夠從尿素循環管線中抽吸尿素至混合單元中并計量，后在壓縮空氣的作用下在混合單元中進行霧化，同時壓縮空氣能在起始階段冷卻混合單元中的噴嘴以及在關閉階段吹掃清潔噴嘴。霧化后的尿素隨著高溫煙氣的流動進入反應單元(鋼制殼體，涂有特殊耐高溫油漆)，為保證其與煙氣充分混合，在進入反應單元前，需要一段至少1.8 m長的直管段，且其材料為耐尿素腐蝕的SS316L不銹鋼。反應單元中作為SCR系統核心的蜂窩式催化反應劑，其具有表面積大、活性高、體積小、易于拆卸和裝填等優點，占據大部分市場[2]。注意安裝時蜂窩孔要與煙氣流向一致。此外，在反應單元的進出口配有溫度傳感器，出口配有氮氧化物成分傳感器和壓差傳感器等，采用閉環的控制反饋系統來監控反應狀態。同時根據柴油機提供的負荷信號，控制單元能夠控制反應劑的噴射量。

在MT6023實船的主機SCR排煙系統布置中，高溫煙氣從主機出來后分別流經SCR混合單元、不銹鋼直段混合管、SCR反應單元、消音器等從煙囪頂部排外。同時，因煙囪的結構內部空間狹小且煙管管徑較大(SCR反應單元進口前部管段直徑為800 mm，后部管段直徑為700 mm)，需滿足主機排氣背壓的限制要求和部件維護保養空間要求，故整個排煙管路布置較為緊湊。

良好的催化還原反應需要足夠的高溫條件，過低的煙氣溫度容易造成反應緩慢，效果差，甚至出現不利于脫除NOx的副反應，如煙氣中的H2O、SO2/SO3與NH3生成硫酸銨鹽的反應變快，產物覆蓋在催化劑表面，降低催化劑活性。MT6023項目根據SCR廠家要求按照280 ℃進行，即要求在渦輪增壓器出口后的機組煙氣溫度至少達到280 ℃，否則需要考慮增加加熱裝置使煙氣溫度提高至催化反應溫度。

3 排放測試

結合IMO以及船級社要求，總結分析了SCR系統的排放測試取證方案如下，參考MEPC.198(62)(2011)。

3.1 方案一

方案一為對裝有SCR系統的柴油機，前期檢驗發證時，通過臺架試驗，證明其排放符合性的檢驗方法。該方案適用于柴油機和SCR系統由同一廠家提供，可在柴油機廠家一次性完成排放Tier III的測試和取證，免于后期上船測試。主要流程為：①資料和圖紙送船級社審核(柴油機廠家或SCR廠家進行)；②柴油機+SCR系統臺架排放試驗；③船級社簽發排放符合證書(柴油機國際防止空氣污染證書，EIAPP)。

3.2 方案二

方案二由于試驗條件限制，無法通過臺架試驗驗證柴油機的排放符合性，通過建模計算和船上初次確認試驗等，證明其排放符合性的一種檢驗方法。主要流程為：①資料和圖紙送船級社審核(柴油機廠家或SCR廠家進行)；②模型試驗；③NOx轉化率計算；④計算工具審批及驗證試驗(柴油機+SCR)；⑤船級社簽發排放符合證書(EIAPP)。

3.3 適用的試驗循環和加權因數

對發動機組的每一單機或母型機，應使用3.1和3.2規定的一個或多個試驗循環以核實適用的NOx排放限值，參考MEPC.177(58)(2008)。MT6023的主發電柴油機適用E2循環，見表1;港泊/應急發電機適用D2循環，見表2。

表1 應用于“恒速主推進”的E2試驗循環

表2 應用于“恒速輔發動機”的D2試驗循環

3.4 MT6023實船試驗分析

因MT6023項目的獨特性，主發電機組、港泊/應急發電機組、SCR系統由不同的生產廠家、不同的國家地區生產，交貨周期不同，船舶建造周期緊張，柴油機廠家試驗臺架難以滿足車間Tier III試驗要求等，經船級社認可后的實船排放驗證試驗過程使用“替代方案”。

3.4.1 試驗前準備工作

1)柴油機+SCR系統分別完成其自身的船上系統調試，滿足完全可操作條件。

2)聯系滿足船級社要求的排氣測試專業實驗室/公司，測量儀器需要2 m×2 m的安裝操作空間以及電源和壓縮空氣等,測量用電力負載箱。

3)排煙管上的取樣接口點的選取。取樣點1位于柴油機渦輪增壓器出口后至少10倍管徑的直管段上；取樣點2位于排煙出口前至少0.5 m或3倍管徑(二者取大)的直管段上。提前考慮到設計圖紙階段，可以節省后期現場的修改工作量。

4)試驗用燃油(滿足ISO-8217 DM級要求)取樣。

5)為保證試驗數據測量的準確性，對于每臺試驗柴油機上的儀表需要確保足夠的精度和校驗有效期。儀表校驗要求見表3。

表3 儀表校驗要求

有效期是指在做試驗前的3個月，因為柴油機機組配置不同，上述儀表有的是機組自帶，有的需要在外部管路上額外配置，如能在設計圖紙階段提前考慮上述要求，可以節省后期現場的修改工作量。

6)試驗前需提交船級社認可的資料：測試計劃安排(包括每個測量負荷下的功率修正)；每臺柴油機的技術文件；校驗證書(功率、消耗、壓力、溫度等)；冷卻水系統和燃油系統原理圖等。

3.4.2 試驗過程

1)船級社須在船上查驗所有在排放技術文件中指定的、和NOx相關的機組零件的IMO零件號，對于4臺主發電機組，每一臺均需現場核對。

2)柴油機+SCR系統設定為柴油機進氣系統(在額定轉速和負荷下，干凈的空氣濾器進氣壓力對應值)；最大的排氣背壓系統(在柴油機技術文件中的額定轉速和負荷下的背壓值，允許偏差±6.5×102Pa)；增壓空氣冷卻系統。

3)所有柴油機須在Tier II和Tier III模式下運行測試，分別測量排放成分，如CO、CO2、HC、NOx等。

4)由于不同的布置，主、輔柴油機必須使用不同的程序分別進行測試。具體測試要求為：①測試需在海上或者碼頭進行，需具備良好的天氣狀況和正確的船舶吃水。②使用化學發光分析儀、順磁分析儀、紅外分析儀等對排放氣體成分(CO、CO2、HC、NO)測量。

5)測量穩定負荷后的機組參數(柴油機轉速、電功率數據和功率因數等需滿足試驗要求)。

6)測量、記錄排氣數據；檢查排氣測量設備；測量環境狀態(溫度、濕度、大氣壓力)；在取樣點測量排氣溫度。

7)柴油機+SCR參數測量(溫度、壓力等)。測量、記錄和平均測量值(除了上述排氣測量)。選取4臺主柴油機組中的1臺作為母型機，按照E2模式4個負荷分別運行，測量30 min，預計完成時間為5～6 h。該機組測量的排放II和III數據可以涵蓋其他3臺作為成員機的主柴油機組。

8)1臺港泊/應急柴油機組按照D2模式5個負荷分別運行，測量30 min，預計完成時間為5～6 h。測量完成后，燃油需要取樣分析。

9)測量完成后，出具排放試驗分析/報告，包括排放結果、使用的設備證書、燃油取樣。

10)提交完工資料，船級社發EIAPP Tier III證書。

4 結束語

基于當前國際背景下的船舶節能減排的必然趨勢，結合在建船舶獨特的SCR系統，將其工作原理、系統組成、設計布置等進行了研究，并對實船排放Tier III的測試過程和公約規范的要求進行了分析總結，能夠為實船的排放測試起到參考意義。