大型船用柴油機高壓SCＲ系統(tǒng)研究

隨著人們環(huán)保意識的日益增強，船用柴油機作為一個重要的污染源已經(jīng)引起高度重視。根據(jù)國際海洋環(huán)境保護委員會(MEPC)2008年正式通過的MAＲPOL公約附則Ⅵ的修正案的要求，船用柴油機NOx排放須逐步降低，各階段限值如圖1所示。圖1NOx排放限值2016年起，行駛在排放控制區(qū)域內(nèi)的船舶的NOx、SOx和顆粒物排放受到嚴格限制。排放控制區(qū)具體如圖2所示。圖2排放控制區(qū)目前，降低大型船用柴油機NOx排放的主要方法之一是SCＲ(選擇性催化還原)法，這也是目前應對IMO排放法規(guī)的切實有效的技術(shù)。該技術(shù)采用NH?作為還原劑，利用NH?對NOx的選擇性催化還原，優(yōu)先將NOx還原成N?和H?O。此技術(shù)具有轉(zhuǎn)化效率高，成熟可靠，對柴油機性能影響小，對柴油機零部件及船體改造要求小等特點。一、SCＲ國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1、國外SCＲ技術(shù)研究現(xiàn)狀美國Engehard公司首先發(fā)現(xiàn)SCＲ技術(shù)原理并于1957年申請了專利。MDT作為全球船舶柴油機兩大專利商之一，于1989年首次在其6S50MC船用二沖程柴油機上使用了SCＲ技術(shù)，將NOx排放降至約2(g·kW－1.h－1)，并進行了實船試驗。MDT經(jīng)過近30年的研究與改進，通過匹配增壓器、鼓風機，調(diào)整正時等技術(shù)，優(yōu)化了SCＲ技術(shù)中對柴油機性能有影響的因素，使其SCＲ技術(shù)完全滿足TierⅢ的排放法規(guī)要求。2011年MDT的首條滿足TierⅢ法規(guī)的實船在日本進行了試航。WinGD作為世界上另一船用柴油機專利商，從1970年起就開始研究SCＲ技術(shù)。目前的技術(shù)特征主要是:

以V?O?/TiO?為催化劑，尿素水溶液為還原劑;SCＲ系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化率達到85%左右，同時CO和HC可降低70%。2、國內(nèi)SCＲ技術(shù)研究現(xiàn)狀相對于國外的SCＲ技術(shù)，國內(nèi)的SCＲ技術(shù)尚處于起步階段。有科研院所從2010年開始著手研究SCＲ技術(shù)。滬東重機與中船三井于2014年聯(lián)合研發(fā)了國內(nèi)首套低速柴油機增壓器前SCＲ系統(tǒng)，匹配的主機為5ＲT-flex58T-D，最大持續(xù)功率10000kW。2015年，兩公司再次以6S50ME-C8.2主機為載體，進行了增壓器前、后SCＲ系統(tǒng)試驗，取得了一系列成果及核心技術(shù)，為SCＲ技術(shù)商品化打下了堅實的基礎。二、大型船用柴油機SCＲ技術(shù)研究1、SCＲ原理SCＲ的原理是:

還原劑在SCＲ催化劑的作用下，選擇性地與排氣中NOx反應，生成無害的N?和H?O。如圖3所示。圖3SCＲ原理柴油機廢氣進入排氣集管和SCＲ催化器中，尿素水溶液在噴射后轉(zhuǎn)化為氨氣，再與廢氣中的NOx發(fā)生還原反應。具體反應過程如下:2、SCＲ技術(shù)方案大型船用柴油機及船體結(jié)構(gòu)復雜，改動成本較大。目前針對大型船用柴油機設計的SCＲ技術(shù)方案主要有兩種，如圖4所示。圖4SCＲ系統(tǒng)的兩種方案一種是增壓器前SCＲ系統(tǒng)(Pre-turbineSCＲ)，簡稱為高壓SCＲ系統(tǒng);另一種是增壓器后SCＲ系統(tǒng)(PostturbineSCＲ)，簡稱為低壓SCＲ系統(tǒng)。3、高壓SCＲ系統(tǒng)高壓SCＲ系統(tǒng)布置如圖5所示。圖5高壓SCＲ系統(tǒng)其采用反應溫度高于300℃的催化劑。高溫催化劑抗硫中毒性能強，對燃料含硫量不敏感。該系統(tǒng)可用于使用重油燃料的主機。4、低壓SCＲ系統(tǒng)低壓SCＲ系統(tǒng)反應器安裝在渦輪增壓器后，如圖6所示。圖6低壓SCＲ系統(tǒng)其采用反應溫度低于300℃的催化劑，相對于高壓SCＲ系統(tǒng)，反應溫度低于300℃的催化劑容易發(fā)生硫中毒。但低壓SCＲ系統(tǒng)布置靈活，柴油機可以維持原設計不變，可以減少占用主機艙空間，具有空間優(yōu)勢。5、SCＲ系統(tǒng)技術(shù)指標SCＲ系統(tǒng)作為一種減排技術(shù)手段，其降低排放的能力是一個主要的考核指標。結(jié)合SCＲ的反應過程，其主要技術(shù)指標有以下4個:(1)NOx排放量此處的NOx排放量是指經(jīng)過SCＲ系統(tǒng)后排氣中的NOx量。NOx排放量由有資質(zhì)的第三方按MAＲPOL73/78的相關(guān)規(guī)定進行測量，是衡量主機排放是否達到TierⅢ排放標準的重要指標。(2)NOx轉(zhuǎn)化率NOx轉(zhuǎn)化率是指安裝SCＲ系統(tǒng)的柴油機在指定工況下運行時，反應器進出口的NOx量的變化率。該指標要求的是在各工況下的最低NOx轉(zhuǎn)化效率。(3)NH?泄漏量NH?泄漏量是評價SCＲ系統(tǒng)是否會產(chǎn)生二次污染的重要指標。(4)排氣壓力損失船用柴油機在安裝SCＲ系統(tǒng)后會對主機的排氣背壓產(chǎn)生一定的影響，而排氣背壓直接影響柴油機的性能，因此排氣壓力損失是SCＲ系統(tǒng)性能的另一個重要指標。針對最大持續(xù)功率為9960kW的6S50ME-C8.2柴油機，其SCＲ系統(tǒng)主要技術(shù)指標如表1所示。三、高壓SCＲ技術(shù)1、高壓SCＲ系統(tǒng)工作模式圖7高壓SCＲ系統(tǒng)工作模式圖7為高壓SCＲ系統(tǒng)的工作模式:

在非排放控制區(qū)域，SCＲ系統(tǒng)關(guān)閉，SCＲ旁通，排氣直接進入渦輪增壓器;當接近或進入排放控制區(qū)域時，SCＲ系統(tǒng)工作，排氣經(jīng)SCＲ反應器后，再進入渦輪增壓器。2、高壓SCＲ系統(tǒng)特點滬東重機與中船三井聯(lián)合開發(fā)的高壓SCＲ系統(tǒng)具有以下特點:(1)催化劑優(yōu)選及合理布置該系統(tǒng)在催化劑選型過程中根據(jù)工況環(huán)境(溫度、壓力)和廢氣成分(水、硫含量、顆粒物、氨氮比)，選擇理論上最適合的催化劑，設計最優(yōu)的催化劑分布方式，并根據(jù)廢氣流量確定催化劑體積和尺寸規(guī)格。在催化劑選定后，利用CFD流場分析對比多種導流裝置設計方案，并根據(jù)流場分析結(jié)果優(yōu)化設計方案，選用流場分布更均勻的導流器作為最終的催化劑布置方案，確保流場分布均勻度達到90%以上，保證SCＲ系統(tǒng)具有最佳的催化作用。(2)反應器優(yōu)化布置反應器由于自身重力及受熱存在熱變形，采用Ansys軟件對布置方案進行相關(guān)仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化反應器的布置及支撐，使反應器應力分布均勻，減小催化劑床層的應變。(3)NOx減排效果明顯催化劑的優(yōu)選和合理布置以及反應器的優(yōu)化布置在設計上為NOx減排效果提供了保障。仿真結(jié)果表明:

使用該SCＲ系統(tǒng)后NOx排放下降至3.4(g·kW－1·h－1)以下。(4)SCＲ系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測SCＲ系統(tǒng)的控制集成在主機控制系統(tǒng)中，稱為SCＲ-CS。所開發(fā)的高壓SCＲ系統(tǒng)設計了相應的SCＲ狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用以監(jiān)測伴熱系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)以及泄放系統(tǒng)的實時狀態(tài)，確保整個SCＲ系統(tǒng)安全有序運行。(5)SCＲ系統(tǒng)安裝便捷SCＲ系統(tǒng)獨立于柴油機系統(tǒng)之外。根據(jù)船體相關(guān)結(jié)構(gòu)，通過仿真模擬確定SCＲ系統(tǒng)中整個管路以及支撐的設計，確保SCＲ系統(tǒng)與主機、船體系統(tǒng)順利合攏，降低裝配難度。四、高壓SCＲ研究試驗2015年，滬東重機與中船三井的低速機業(yè)務群在完成所有基礎研究之后，以6S50ME-C8.2主機為載體，完成了增壓器前、后SCＲ系統(tǒng)的功能試驗、穩(wěn)態(tài)工況、變工況、輔助風機等相關(guān)性能試驗研究，并對其噴射系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化。試驗主機及SCＲ系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示。試驗機SCＲ系統(tǒng)及臺位布置如圖8所示;

圖8SCＲ試驗機三維布置圖試驗過程中的現(xiàn)場照片見圖9、圖10、圖11。圖9SCＲ試驗機現(xiàn)場圖10尿素噴射系統(tǒng)及NH?泄漏檢測圖11反應器及催化劑模塊1、NOx排放量及NOx轉(zhuǎn)化效率E3循環(huán)下試驗主機SCＲ系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)見表3。試驗主機在E3循環(huán)下，SCＲ系統(tǒng)開啟與關(guān)閉情況下NOx排放量及NOx轉(zhuǎn)化效率分別見圖12和圖13。圖12NOx排放量圖13

NOx轉(zhuǎn)化效率從圖12和圖13可以看出:

主機在采用SCＲ系統(tǒng)的情況下，NOx排放量低于3.4(g·kW－1·h－1)，達到TierⅢ標準。同時，NOx的實際轉(zhuǎn)化效率也接近理論目標值，平均轉(zhuǎn)換率接近75%，個別工況下甚至可以達到83%。2、氨氮比掃描在75%負荷下，通過改變尿素噴射量進行NOx轉(zhuǎn)化效率試驗，具體試驗數(shù)據(jù)見表4。從表4中可以看出:

系統(tǒng)已達到相應的轉(zhuǎn)化效率。圖14NOx轉(zhuǎn)化濃度NOx轉(zhuǎn)化濃度如圖14所示:

尿素噴射量約為140(L·h－1)時，NOx轉(zhuǎn)化效率達到100%，NOx轉(zhuǎn)化濃度最大;此時，NH?逃逸量為0.9×10－?，如圖15所示。滿足技術(shù)要求。圖15

NH?逃逸量五、高壓SCＲ系統(tǒng)實際運用1、5ＲT-flex58T-D高壓SCＲ項目滬東重機與中船三井合作研發(fā)的用于WinGD主機5ＲT-flex58T-D的高壓SCＲ系統(tǒng)，于2015年1月在上海臨港地區(qū)完成首制認可試驗，并于2015年7月裝船進行海試。海試結(jié)果達到TierⅢ排放標準。該項目是首臺WinGD主機的SCＲ系統(tǒng)項目。2、6S60ME-C高壓SCＲ項目廣州文沖船廠6S60MEC-116#(14280kW@105r/min主機的高壓SCＲ項目是我國MDT系列大型船用柴油機的首個SCＲ項目。該項目也選用滬東重機與中船三井開發(fā)的高壓SCＲ系統(tǒng)。項目于2017年7月通過了MDT認可試驗，2017年8月進行八大船級社的型式認可試驗。此項目是我國在SCＲ領(lǐng)域的第一個商業(yè)訂單。六、SCＲ系統(tǒng)發(fā)展趨勢全球首臺集成SCR工程樣機在大連船用柴油機有限公司順利完成大合攏1、船用柴油機SCＲ系統(tǒng)一體化SCＲ系統(tǒng)是主機滿足TierⅢ排放法規(guī)最直接有效的方法之一，但該系統(tǒng)存在初次安裝成本高、裝置體積大和運行成本高等問題。從性能、成本、空間等方面進行船用柴油機SCＲ系統(tǒng)一體化研發(fā)將是未來的一個發(fā)展方向。目前滬東重機與中船三井已經(jīng)聯(lián)合開展脫硫脫硝一體化研發(fā)工作。2、高、低壓SCＲ系統(tǒng)的趨勢從產(chǎn)品特性而言，高、低壓SCＲ系統(tǒng)均適用于排氣溫度低、排氣流量大的大型船用低速柴油機，兩者各具特色。低壓SCＲ系統(tǒng)具有低壓、低溫，安全