5 884 kW全回轉拖船柴油機SCR系統應用研究

呂全亮，孫紅娟，朱 勝

(江蘇省鎮江船廠(集團)有限公司，江蘇 鎮江 212002)

0 引言

全國各大港口都在堅持綠色港口的理念，其目標是建設環境污染小、能源利用率高、綜合效益大、發展潛力好的可持續發展的港口。全回轉拖船作為港口運行的必備機械，必須順應綠色發展的要求，在減少廢氣排放上不斷探索和研究。目前各港口全回轉拖船97%采用柴油作為主燃料，因此如何降低以柴油作為主燃料的全回轉拖船廢氣排放量成為研究重點[1]。根據目前的技術水平，僅僅依靠柴油機自身減排技術已經很難滿足Tier Ⅲ的標準，這就意味著柴油機必須通過后處理技術來實現這一目標。柴油機尾氣NOX排放應對措施主要包括選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系統和廢氣再循環(EGR)[2]，其中：EGR技術只適用于低速柴油機且會導致柴油機油耗大大增加，SCR技術因其技術成熟、布置靈活被廣泛應用[3]。

SCR系統主要應用在大型散貨船、集裝箱船、半潛船等遠洋船舶，但其在全回轉拖船上未有應用的實例。為此，本文以5 884 kW全回轉拖船作為研究對象，對3種工況進行研究：一是在SCR系統噴射還原氣體前后，對比分析廢氣排放情況；二是在主機不同負荷情況下廢氣排放情況；三是在85%負荷下不同還原劑噴射量對廢氣產生的影響。

1 SCR系統原理

選擇性催化還原[4]是指在一定的溫度環境條件下，通過催化劑的作用，利用還原劑“有選擇性”地與煙氣中的NOX反應并生成無毒無污染的氮氣(N2)和水(H2O)。考慮到安全性和腐蝕性，SCR系統還原劑一般采用尿素。SCR系統安裝于柴油機的排氣系統中。柴油機正常工作時，在SCR反應器的上游噴入尿素溶液，由于廢氣的溫度較高，尿素溶液得以蒸發霧化，并發生熱解反應，分解為氨氣(NH3)和二氧化碳(CO2)。NH3在催化劑模塊中與廢氣混合，有選擇性地將廢氣中的NOX還原為N2和H2O[5]。SCR系統原理圖見圖1。

A～G—設備接口。

2 主要技術參數

該船主要參數如下：船長39.0 m，型寬13.8 m，型深5.9 m。

入級符號：★CSA TUG R1 Fire Fighting Ship1, ★CSM BRC SCM Gd-EP(GBEC) NEC(SCRS)。

本船主機采用船用高速大功率柴油機，并匹配SCR系統，以滿足Tier Ⅲ排放限值要求。柴油機主要技術參數如下：型號8L28AHX(2942)，額定轉速800 r/min，額定功率2 942 kW，氣缸直徑280 mm, 活塞行程390 mm，活塞總排量24 L, 理論壓縮比16∶1, 最大氣缸壓力18 MPa。柴油機排氣溫度在180～450 ℃，滿足低壓SCR系統要求。

3 SCR系統組成及布置

SCR系統由SCR反應裝置、還原劑噴射系統、控制裝置、排氣管及其他必要設備組成。此船SCR系統的主要技術參數見表1。

表1 SCR系統主要技術參數

(1)SCR 反應裝置：指裝有催化劑塊的總成，廢氣中 NOX與還原劑發生催化還原反應，轉化為 N2和 H2O 的完整裝置，它是SCR 系統的核心工作部件，見圖2。

圖2 SCR反應裝置布置圖

此船采用上排煙。柴油機渦輪增壓器后連接彈性膨脹節，出口連接排煙管，上面連接立式SCR反應裝置，出口連接排煙管和消音器。SCR反應裝置底部定位在機艙棚平臺上，尿素及壓縮空氣噴槍安裝在下方，內部上面是2組催化劑塊。

(2)催化劑塊：指供廢氣通過的一定尺寸的塊體，其內表面含有減少廢氣中 NOX的催化劑成分。

(3)還原劑噴射系統：指由向噴嘴供應還原劑的泵、向廢氣流噴射還原劑的噴嘴和噴射控制裝置組成的系統。

(4)SCR 電控系統：指實現還原劑噴射量控制、系統狀態監測和安全保護等功能的系統，主要由傳感器、電子控制單元、執行機構及對外接口組成。此船采用一控二控制單元(即2個SCR系統共用1個控制單元)。控制單元上安裝有1個觸摸顯示屏可以對系統進行操作。在控制柜面板上還有多個狀態指示燈和操作按鈕，設備可以手動和自動操作。控制單元利用計算機控制。控制尿素泵組單元的主要功能是根據柴油機的負荷和轉速調整向廢氣中噴射尿素的劑量和壓縮空氣，以及氣體檢測、吹灰系統的自動控制等功能。

(5)尿素(還原劑)存儲于尿素罐中。裝置運行時，利用尿素泵加壓后，經控制單元控制適當的劑量送入裝設在催化反應器前的噴嘴，壓縮空氣將尿素經噴嘴噴入SCR 反應裝置，與廢氣混合后進入催化反應器進行還原反應。

(6)催化反應器是整個SCR裝置的核心部件。采用不銹鋼殼體，內置多層典型的蜂窩狀催化反應單元，各單元有足量的催化介質以實現充分的氣體催化還原反應。

4 應用實測

本次測量請第三方有資質測量單位進行測量，并有船級社現場確認，試驗所用測試設備、儀器、儀表符合中國船級社《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規則》(2008)的要求。取樣位置在SCR 上游的進口排氣管上和SCR 下游的排氣管上開預留孔，安裝連接取樣管。

選擇左主機實測，安裝取樣探頭后，連接測量儀器的所有部件，讓測量系統及主機系統運行預熱2 h后，分別在額定功率的100%、85%、75%、50%、35%、25%這6種負荷下進行測量。在6種負荷下，SCR系統運行10 min達到穩定后記錄測量數據。SCR停止運行后，主機繼續在6 種負荷下分別運行10 min，然后記錄各負荷下的測量數據。85%負荷作為船舶經濟負荷，在此負荷下SCR系統運行，增加還原劑噴射量，運行10 min，然后記錄測量數據。SCR性能試驗數據見表2。

表2 SCR性能試驗數據

本船SCR接受指標：滿足發動機Tier Ⅲ階段的排放要求，考慮反應條件及氨氣逃逸因素，各模式點的NOX轉化率大于70%，各模式點的氨氣逃逸量不應超過10 mg/L。還原劑噴射和無還原劑噴射穩定后的氣體排放數據分別見表3和表4。

表3 還原劑噴射氣體排放數據

表4 無還原劑噴射氣體排放數據

根據表3和表4中NOX檢測量，按照式(1)計算轉化率η，各模式下的NOX轉化率見表5。

(1)

式中：Cinlet為SCR反應器進口處測量的NOX質量濃度，mg/L；Coutlet為SCR反應器出口處測量的NOX質量濃度，mg/L。

表5 各模式下NOX轉化率

以上試驗結果顯示：SCR溫度已經滿足反應要求，反應前后NOX轉化率大于70%，各模式下氨氣逃逸量≤10 mg/L，滿足要求；在85%主機負荷通過調整還原劑噴射流量，從26 L/h增加到31 L/h，轉化率提高了15%，達到了86.2%，氨氣逃逸量最高在9.72 mg/L≤10 mg/L，滿足要求。

5 結論

(1)通過對5 884 kW全回轉拖船柴油機匹配SCR系統實測研究，SCR系統及關鍵零部件運行參數的實測結果表明滿足技術要求。

(2)柴油機匹配SCR系統后，氮氧化物NOX排放量降低效果顯著，氨氣逃逸量較小，達到船級社規范要求，滿足用戶需求。

(3)此船的實測研究為以后相關船型的SCR系統應用積累了配置經驗，可以在全回轉拖船上廣泛推廣。