船用柴油機SCR系統設計過程影響因素及應對措施研究

鄧炯

摘要：柴油機排放的氮氧化物主要是由一氧化氮和二氧化氮組成，這兩種類型的氮氧化物對環境和人體健康都具有較大的危害性。目前SCR技術為是公認能滿足IMO Tier III排放要求的最為成熟可靠的排放后處理技術。文章針對目前船用柴油機SCR系統船用柴油機SCR系統設計過程影響因素開展分析，得出應對措施。

關鍵詞：船用柴油機 SCR

1.概述

SCR（Selective Catalystic Reduction，選擇性催化還原反應）系統主要由SCR蒸發混合器、SCR反應器及SCR輔助系統組成。SCR輔助系統包括還原劑供應系統、吹灰系統及SCR加熱系統。還原劑供應系統按照控制策略將還原劑噴入SCR蒸發混合器中，在高溫下還原劑迅速蒸發、混合隨排氣進入SCR反應器，并在催化劑作用下發生SCR催化還原反應，將NOx轉化成無毒無害的N2和H2O。對應用SCR系統的船用柴油機開展調研，存在較多共性問題。

2.主要影響因素分析

2.1 SCR系統對發電機選型的影響

伴熱系統主要在SCR不工作時，用于對反應器進行預熱。在一個完整航次中，僅在碼頭靠港，即主機停車時，需要啟動伴熱系統（其他時段可利用主機廢氣預熱）。所以在電力負荷計算書中，各工況的計算以及系數選取，需要特別注意。

發電機SCR系統消耗的電功率較為固定，最大用戶為兩臺尿素泵，總功率只有5kw左右。

SCR系統對船舶電站的影響，除了SCR系統本身消耗的電功率外，還需要考慮SCR空壓機功率。

2.2 SCR系統對主機、發電機排氣背壓的影響

2.2.1主機高壓SCR

因主機高壓SCR布置于主機增壓器前，其對主機排氣管系沒有直接影響。但需要注意，MAN要求SCR管系（主機集氣管-SCR混合管-SCR反應器-主機增壓器）自身管路壓降小于70mbar，否則將會影響增壓器效率。

2.2.2主機低壓SCR

主機低壓SCR布置于主機增壓器后，其設備壓降值及管路布置情況，直接決定了主機的排氣背壓。考慮到排氣管系上可能有的鍋爐、脫硫塔等，布置難度不小。

目前市面上沒有高硫版的主機低壓SCR，所以在Tier III模式下主機必須使用低硫油，煙氣也就不需要經過脫硫塔處理。這樣，SCR和脫硫塔就不會同時使用。為主機排氣背壓滿足MAN的要求提供了有利條件。

2.2.3發電機SCR

目前市面上，發電機只有低壓SCR供選擇，即SCR組件安裝于發電機增壓器后。SCR組件以及管路的布置情況，直接決定了發電機的排氣背壓。

考慮到發電機排氣管系上可能會先后安裝SCR混合管、SCR反應器、鍋爐、消音器、脫硫塔等，系統壓降值極容易超出發電機允許范圍，需要小心布置，嚴格核算。

2.3 SCR系統對主機、發電機油耗的影響

2.3.1 主機高壓SCR

對于主機高壓SCR，即使SCR反應器位于渦輪增壓器前，其廢氣溫度在低負荷下仍會偏低。這時需要打開CBV旁通閥，讓進入氣缸的空氣量減少，使得廢棄溫度升高。同時，燃油消耗率會有所上升，具體差異視溫度升高情況而定。

2.3.2主機低壓SCR

對于主機低壓SCR，SCR反應器位于渦輪增壓器后，其廢氣溫度通常不夠高。這時控制系統會開啟EGB旁通閥，使高溫側的廢氣直接進入排氣管系，升高廢氣溫度。旁通閥的開啟，會造成主機油耗的升高，具體油耗差異視溫度升高情況而定。

2.4 SCR系統對鍋爐的影響

2.4.1 硫酸氫銨

SCR系統中逃逸的氨氣將與煙氣中的硫化物在溫度相對較低的鍋爐表面發生反應生成ABS（硫酸氫銨）。ABS的生成數量取決于Tier III模式下主機所使用燃油的含硫量以及SCR反應器中氨氣的逃逸量。

如使用含硫量不超過0.1%的低硫油，因硫化物總量較低，生成的ABS也較少。沉積于鍋爐的ABS可使用常規方法輕易清除掉。

如使用含硫量超過0.1%的燃油，生成的ABS數量較多。沉積在鍋爐中的ABS將相互粘結，難以使用常規方法去除。通常，高硫版SCR將嚴格控制SCR反應器的氨氣逃逸量，但這仍不足以解決鍋爐中ABS的沉積問題。MAN推薦高硫版SCR的排氣管系中，設計一路鍋爐旁通管。在Tier III模式下，煙氣從旁通管繞過鍋爐。

2.4.2 鍋爐蒸發量

主機在Tier II和Tier III模式下，煙氣量和煙氣溫度均有差異。大部分工況下，Tier III模式的煙氣量更多，煙氣溫度更高，使得這時鍋爐的蒸發量更大。

2.5 SCR系統對空壓機、空氣瓶選型的影響

Tier III模式下，SCR系統需要使用壓縮空氣霧化尿素溶液及為反應罐吹灰、清潔。Tier II模式下，SCR系統也需要通入壓縮空氣，使管路內保持正壓，防止煙氣泄入。

為提供SCR系統所使用的壓縮空氣，需新增SCR空壓機和SCR空氣瓶或者增大原有空壓機、空氣瓶容量。

市面上各廠家SCR產品需要的壓縮空氣量和壓力都各不相同，且部分廠家之間相差較大。

3.主要應對措施

3.1 SCR系統對發電機選型影響應對措施

Tier III項目在發電機選型時，需考慮主機SCR系統、發電機SCR系統，以及供氣空壓機的電功率。具體數據取決于柴油機的功率。

3.2 SCR系統對主機、發電機排氣背壓的影響應對措施

在設計過程中，應要求廠家提供SCR混合管、SCR反應器的實際壓降值，并給出計算過程;聯系消音器廠家，要求提供消音器的實際壓降值，并給出計算過程;聯系鍋爐廠家，要求提供發電機測的實際壓降值;聯系脫硫塔廠家，要求提供實際壓降值;聯系發電機廠家，增大柴油機允許的背壓值。

3.3 SCR系統對主機、發電機油耗的影響應對措施

主機高壓SCR及主機低壓SCR均會影響主機燃油消耗率。在編寫規格書時，需明確區別主機Tier II及Tier III的油耗。發電機SCR對油耗的影響很小，暫不考慮此差異。

3.4 SCR系統對鍋爐的影響應對措施

1）設計過程中，Tier III的項目在規格書談判階段，需明確主機和發電機都配備低硫版SCR。避免排氣管系中設置額外的旁通管路，增加船廠布置難度。

2）在規格書中，需要明確鍋爐的蒸發量是基于Tier II還是Tier III的煙氣數據，以免后期產生爭議。

3.5 SCR系統對空壓機、空氣瓶選型的影響應對措施

空壓機、空氣瓶的選型，要充分考慮SCR系統的耗氣量，留充足的余量。規劃出合理的空壓機啟停時間。如果條件允許，可將SCR空壓機與雜用空壓機設定為互為備用，改善空壓機運行條件，增加系統的可靠性。

4.結論

文章對船用柴油機SCR系統船用柴油機SCR系統設計過程影響因素開展分析，得出應對措施，可為船廠設計SCR系統提供經驗支撐。

參考文獻：

[1] 汪穎異.綠色燃料，誰將勝出[J].?中國船檢.?2020（09）

[2]呂曉輝，李家帥.基于SCR系統的船舶排放設計和測試[J].中國修船.?2019（06）