SCR系統在船舶上的應用

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控制區不斷擴大,SCR系統在船舶上的設計安裝和操作應用越來越受重視和關注,安裝SCR系統的船舶越來越多。SCR系統主要是對柴油機廢氣中的氮氧化物進行催化中和還原反應處理,使廢氣排放滿足排放要求。本文從SCR系統的反應原理、SCR系統選型、SCR系統船舶設計流程等方面全面介始SCR系統在船舶上的應用。

1 SCR系統的化學反應原理

選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術,即使用氨催化劑和氮氧化物進行脫硝反應生成氮氣和水(氨水+氮氧化物=氮氣+水),從而使排出的廢氣中氮氧化物含量達到法規要求(<2.41 [g/(kW·h)])[1]?；竟ぷ髁鞒?船舶尿素艙儲存的尿素溶液(40%)通過尿素供給泵單元送到尿素計量單元,計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入SCR反應裝置,在催化劑模塊中進行催化還原反應,最終把廢氣中的氮氧化物反應成氮氣和水并排入大氣。

SCR催化還原反應主要化學式如下。

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

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

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O。

2 高低壓SCR的選型及優缺點對比

SCR系統根據設備安裝位置可以分為高壓SCR系統和低壓SCR系統。高壓SCR系統為SCR催化反應器安裝在柴油機排氣總管與增壓器之間,SCR排氣系統中運行高溫、高壓的氣體,故稱為高壓SCR系統,主要運用于主機SCR系統。低壓SCR系統為SCR催化反應器安裝在柴油機增壓器后面,SCR排氣系統中運行低壓、低溫的氣體,故稱為低壓SCR系統,主要用于主機SCR系統和發電機SCR系統[2]。高低壓SCR系統的選型及主要優缺點對比見表1。

表1 高低壓SCR系統的選型及主要優缺點對比

3 船舶SCR系統應用說明

3.1 系統組成及工作原理

SCR系統主要由船體結構尿素溶液艙、尿素供給泵單元、尿素計量單元及噴射槍、SCR混合管、SCR催化反應器、輔助設備、相關管系、閥附件及電氣控制系統等組成,相關的系統圖見圖1。

圖1 SCR船舶系統原理

SCR的主要工作原理:柴油機在MGO燃料下運行并開啟SCR運行模式,SCR系統自動檢測控制,當排氣溫度達到工作溫度后啟動尿素泵組單元開始供給尿素溶液,尿素溶液在計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入SCR反應器,SCR反應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行充分催化還原化學反應,最終生成氮氣和水,經煙囪排入大氣[3]。

3.2 SCR系統的前期設計要點

SCR的前期設計主要為高、低壓SCR系統的選擇、SCR系統主要設備的空間布置、SCR輔助系統設計、SCR系統的試驗及證書取得。

1)高、低壓SCR系統的選擇。根據柴油機的參數進行初步選型,同時結合機艙空間及機艙棚結構空間來進行高低壓SCR選擇,參考設備價格進行綜合選擇。目前船舶輔機SCR系統只有低壓SCR系統可供選配,這主要是輔機功率小及輔機機型空間等特點決定的。主機有高壓及低壓SCR系統選配,在設計前期可以根據主機廠家的推薦,結合主機參數、機艙空間、機艙棚空間及價格來綜合選擇SCR類型。選擇低壓SCR系統需增加柴油機的排氣背壓,如柴油機增壓器的排氣背壓設計由300 mm水柱增大到450 mm水柱。

2)SCR系統主要設備的空間布置。SCR系統主要設備為SCR混合筒、SCR反應器及連接的排氣管及排氣閥等。輔機SCR混合筒和反應器通常垂直布置安裝在機艙棚,對應的電氣設備就近布置。主機高壓SCR的混合筒和反應器布置在機艙主機附近,設計前期要把帶SCR混合筒及SCR反應器的主機排氣管路設計出來,通常的SCR混合筒直徑1～2 m,長4～5 m;SCR反應器直徑2～3 m,長5～7 m,所以設計前期要充分考慮排氣管的空間布置?，F在有些主機廠已開發出機帶高壓SCR系統,SCR系統設備完全安裝在主機上,這種設計方式節省船廠機艙空間,但是機帶SCR系統會占用主機排氣總管區域造成SCR系統部件維修空間狹小,且這種配制的主機目前價格較貴。主機低壓SCR系統要重點考慮機艙增壓器后的空間或機艙棚的空間,對于滾裝船及客滾船等機艙棚空間要求高的船要特別注意。SCR系統中其他設備主要為尿素供給泵單元、尿素計量單元及電氣控制箱等,這些設備空間小、電力負荷不大,前期作為一般考慮即可。

3)SCR系統中還常用到輔助系統,如空氣系統、尿素溶液供給系統、淡水系統和電氣控制、監測系統?？諝庀到y主要分為0.7-0.9 MPa壓縮空氣系統和0.7 MPa儀表控制空氣系統,壓縮空氣系統主要用于SCR計量單元空氣與尿素溶液的混合及SCR反應器的壓縮空氣灰塵吹掃用、催化反應用氣等,因壓縮空氣的耗氣量較大,所以需要配專用的SCR空壓機、SCR空氣瓶及對應的壓縮空氣系統。SCR空壓機及SCR空氣瓶的參數按主機和輔機SCR系統用氣參數來選定,通常SCR空壓機的選定排量為50～300 Nm3/h,SCR空氣瓶容積為3～5 m3。SCR儀表控制系統主要用于SCR系統氣動排氣閥的開關控制,用氣量較小可以直接連接船上的控制空氣系統。尿素溶液是SCR催化反應的主要原料,船舶需設計一個結構艙室(約30～100 m3)來儲存40%尿素溶液,從成本上考慮尿素艙材質通常為鋼質結構艙室加特殊油漆,如果用不銹鋼304結構艙室也可以,但是成本會較高。尿素溶液艙室通常還需要冷卻和加熱來防止尿素溶液的結晶及結冰。尿素溶液的供給系統管子常用不銹鋼304管子,尿素系統還要考慮尿素溶液的加注、儲存、供給、泄放、調駁,還有個人防護裝置如個人防護及淋浴洗眼裝置等。淡水系統主要為尿素系統沖流及淋浴洗眼裝置用水。SCR系統電氣輔助系統主要考慮電氣控制箱的布置、監測報警應用及電力負荷的考慮等。

4)SCR系統與柴油機的配合試驗后需提交船級社送審并最終拿到船級社排放Ⅲ的EIAPP證書。證書獲取方式可以有SCHEME A和SCHEME B兩種形式,SCHEME A為SCR系統與柴油機進行工廠胎架試驗(FAT)取證,SCHEME B為柴油機和SCR系統上船安裝后在船上做取證試驗。從建造成本及建造時間上新造船一般按SCHEME A形式取證,同一船東的同一主機系列船可以只做首制船的SCR系統與柴油機配合取證試驗,首制船的SCR系統設備發送到柴油機廠家進行FAT試驗取證,后續船不需要再進行FAT取證,SCR設備和柴油機直接上船安裝后做系統配合功能試驗即可。改造船會選擇SCHEME B形式取證,設備在船上安裝后在船上進行柴油機和SCR系統配合取證試驗,如:各報警點試驗;報警點停機試驗;柴油機各負荷下的尿素噴射催化反應試驗;廢氣排放(EIAPP)試驗等。船廠系泊及海試主要為SCR系統功能驗證試驗,注意海試時SCR試驗用油為MGO,所以海試時SCR系統試驗一般為最后一個項目,即船舶所有海試試驗項目做完后船舶轉油為MGO后再進行SCR系統試驗,此時SCR系統試驗為SCR功能試驗,在主機負荷分別為25%、50%、75%、100%工況下,每個工況運行15～30 min,驗證SCR系統功能。

3.3 SCR系統各設備的生產設計及安裝說明

SCR系統各設備的安裝是生產設計的重點,也是設備安全操作運行的前提保證。

1)排氣管的布置是SCR系統首要關注點,低壓SCR系統按柴油機后排氣管通用要求設計,系統中的SCR混合筒和SCR反應器按排氣管進行正常布置,設備的維修空間是考慮的重點。低壓SCR系統中混合筒到SCR反應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計,螺栓及管子絕緣按常用排氣管標準進行設計。

高壓SCR 排氣管布置說明。高壓SCR排氣管主要指主機高壓SCR系統排氣管,這是設計中一個難點。主機高壓排氣管的設計溫度通常為450～500 ℃,設計壓力為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能抵御排氣流多方向合力沖擊;排氣管的材質和厚度、隔熱保溫棉的密度和厚度、排氣管及排氣管支架熱膨脹應力分析、排氣膨脹節的選型及布置都需要經專用軟件進行仿真計算分析后確定。通過常用的ANSYS軟件進行有限元建模,仿真計算管子熱態傳熱、耦合分析、支反力和支反力矩計算,最終確定排氣管、排氣管支架和膨脹節的整體布置,通過對每段排氣管的分析計算及優化,最終完成整個高壓SCR系統排氣管布置設計。

以某載重量62 000 t船的主機高壓SCR系統排氣管設計為例。主機高壓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,排氣支架的方向嚴格按氣流流向合力點反向支撐,絕緣棉厚度為150 mm。每段排氣管在車間做1.0 MPa水壓試驗,所有高壓SCR排氣管上船安裝后做0.75 MPa氣密試驗,包括廠家供的SCR系統混合管和SCR催化反應器及連接的膨脹節等都要做氣密試驗。

2)SCR尿素溶液儲存及供給系統的生產設計及安裝。SCR尿素系統主要以尿素溶液儲存艙為核心的尿素溶液注入系統、尿素溶液儲存、調駁及供給系統。SCR系統使用的尿素溶液常40%的溶液,弱堿性、無毒、有一定的腐蝕性。尿素溶液儲存溫度建議0～35 ℃。若機艙溫度長期超過45 ℃或者低于0 ℃,尿素溶液儲存艙需布置冷卻盤管或者加熱盤管。尿素溶液儲存艙材料可以為不銹鋼,也可以是鋼板加油漆特涂,尿素溶液儲存艙外包保溫棉,艙柜集水盤中增加泄露報警傳感器。尿素溶液儲存艙設置高、低位液位報警和高、低溫溫度報警,這些報警都連接到SCR系統監測報警系統,所有傳感器材料都至少為不銹鋼304材質。尿素系統管子主要為不銹鋼304材質,系統閥件及安裝螺栓至少應為不銹鋼304材質,管子墊片通常聚四氟乙烯墊片,設備的泄放水盤用不銹鋼水盤或鋼質油漆水盤。尿素溶液的加注及使用過程需要充分的防護措施,如連體工作服、圍裙、口罩、防化學物質護目鏡、防護面具、眼藥水,以及應急洗眼裝置等。

4 結論

最近幾年很多船廠新造船都設計安裝了SCR系統,SCR系統的設計和技術運用越來越成熟,更多的船廠和船東了解并采用SCR技術。雖然以LNG和甲醇等為代表的新燃料船舶發展迅速,但SCR技術暫時不會被拋棄,反而會和新燃料新技術并存,現在有很多燃燒LNG的船舶也同時加裝SCR系統。隨著船舶新法規的不斷涌現,氣體排放控制區還會不斷的擴大,船舶SCR系統技術也會不斷的變化。需要通過不斷積累,整理出一套完整的SCR船舶技術應用標準,使SCR系統在船舶上的應用更安全、更環保。