船舶氮氧化物排放解決方案研究

惠 磊

(新世紀船舶設計研發(上海)有限公司，上海 201203)

?

船舶氮氧化物排放解決方案研究

惠 磊

(新世紀船舶設計研發(上海)有限公司，上海 201203)

針對IMO修訂防止船舶氮氧化物污染的問題，提出了基于選擇性催化還原(SCR)滿足氮氧化物排放III的方法。首先介紹了SCR的原理，然后介紹了SCR應用到船舶系統中的設計方法和注意事項,最后給出了高壓型SCR和低壓型SCR這2種方案的比較，通過比較結果可根據具體項目靈活選擇SCR類型。

選擇性催化反應；氮氧化物；排放控制區

0 引言

為減少氮氧化物(NOx)的排放，國際海事組織(IMO)于2014年4月通過了MEPC66決議，修改了MARPOL附則VI中的規則13“防止船舶空氣污染”內容。規則要求，2016年1月1日及其以后建造的船舶所安裝的柴油機在指定的NOx排放控制區(NECA)中的NOx排放不得超過Tier III級；在未生效但以后有可能生效的NOx排放控制區中，Tier III排放要求適用于排放控制區指定日及其以后建造的船舶。

為滿足IMO組織對減少NOx的排放要求，美國規定加勒比海及北美區域為NECA，在此區域航行的船舶柴油機必須滿足Tier III要求；歐洲許多國家針對NOx排放制訂了稅收政策及購買排放配額，NOx排放量越多，交的稅就多或者就必須購買相應的排放配額。中國目前還未設NOx排放控制區，但是隨著對環境保護意識日益增強，必然會對NOx排放進行嚴格控制。本文主要研究降低NOx排放的技術，通過采用這些技術以滿足NOx排放控制區排放要求。

1 氮氧化物排放要求

根據 MARPOL 公約附則 VI對NOx的排放要求，對于不同轉速的發動機，NOx的排放要求不同。在NECA以外區域運行時，發動機必須符合 Tier II的要求；在NECA區域之內運行時，發動機的排放必須符合Tier III的要求。NOx排放要求見表1。

表1 發動機轉速及NOx排放限值

由Tier I升級到Tier II排放時，NOx排放量的減少相對較少，發動機可以通過調節自身的設置，例如調節排氣和噴油定時排氣閥關閉延遲、采用米勒循環和進氣加濕以及燃油乳化等技術達到Tier II排放要求；由Tier II升級到Tier III時，NOx排放量降低很多，僅通過發動機自身設置無法達到排放要求，必須使用外部設備來實現。

2 氮氧化物消除方案

2.1 采用氣體燃料

WinGT發動機采用低于1 MPa的低壓氣體燃料[1]供氣系統，主機根據奧托循環原理運行，有效地降低氣缸內燃燒的峰值溫度，這對降低NOx排放有著顯著的影響，不需后處理即可達到IMO Tier III排放要求，但不是所有使用氣體燃料的發動機都能滿足Tier III排放要求。MAN B&W主機采用狄塞爾循環原理，活塞工作在上止點附近噴射天然氣，由于空氣在氣缸內被完全壓縮，這時氣體的壓力很高，天然氣必須采用300 MPa高壓供氣系統噴入，這無法降低氣缸內的燃燒溫度，對 NOx排放量的降低沒有明顯的幫助。因此，有些使用氣體燃料的發動機必須增設廢氣再循環 (EGR) 或者選擇性催化還原 (SCR)等外部設備才能達到IMO Tier III排放要求。

2.2 發動機廢氣再循環(EGR)

影響NOx生成率和排放率的根本因素是氣缸內燃燒的溫度、氧氣的含量和高溫燃燒的持續時間，采用發動機廢氣再循環技術來調整這些因素可達到降低NOx生成率的目的。通過在發動機內部循環的過程中采用廢氣再循環技術，即燃燒后廢氣集管中的部分廢氣通過 EGR 預清洗裝置經過凈化和冷卻之后，被 EGR 鼓風機強制導入掃氣箱，這樣既提高了掃氣溫度，又通過廢氣中的二氧化碳(CO2)代替一部分掃氣中的氧氣(O2)，從而降低了進入氣缸的氧氣濃度。氣缸內大量惰性氣體阻礙了燃燒的快速進行，有效地降低了氣缸中燃燒的峰值溫度，從而降低NOx的生成。NOx的減少幾乎與排氣再循環率成線性關系，導入廢氣越多，NOx生成越少。

2.3 選擇性催化還原(SCR)

SCR是一種廢氣后處理技術，其技術原理是燃燒產生的廢氣，通過含有符合要求催化劑的反應裝置，在一定溫度下，使廢氣中的NOx在催化劑表面被還原劑還原為氮氣(N2)。

由于在發動機氣缸內燃燒條件下，NOx主要以NO的形式存在，所以SCR內部發生的反應有：

主要反應[2]：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

次要反應

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

由于氨水(NH3)對人類健康和環境有危害，所以對氨水的存儲、存儲艙的透氣、測量以及氨水泄露引起的消防救生等有著特殊的要求，從而增加了船舶的建造和運營成本。

一個更佳的方案是采用尿素((NH2)2CO)溶液代替氨水。尿素的安全性和污染危害性經過審查并已被確定其危害性不足以列入IBC規則適用范圍的化學品。由于尿素沒有明顯的危害，所以船舶使用尿素更加方便。此外，尿素的供給系統比氨水的供給系統更加簡單和經濟。船舶通常采用40%或者32.5%尿素水溶液。尿素溶液噴入混合管時會分解成氨氣和二氧化碳，主要反應過程如下：

(NH2)2CO(aq)→(NH2)2CO(s)+ H2O(g)

(NH2)2CO(s)→NH3(g)+HNCO(g)

HNCO(g)+H2O(g)→NH3(g)+CO2(g)

生成的NH3在催化劑表面將NOx還原為N2。

3 SCR系統設計及實現

3.1 SCR系統分類

3.1.1 高溫高壓型SCR系統

高溫高壓型SCR系統(HT-HP SCR)管路布置在柴油機高壓側，即渦輪增壓器前側，排氣經過SCR反應器去除NOx后，再通過渦輪增壓器透平側排出。由于這里的排氣壓力和溫度都較高，所以稱為高溫高壓SCR。

3.1.2 低溫低壓型SCR系統

低溫低壓型SCR系統(LT-LP SCR)管路位于渦輪增壓器后側。由于通過渦輪增壓器后的排氣壓力及溫度較低，這種類型SCR采用運行溫度低于300 ℃的催化劑。當排氣溫度過低時，還必須使用燃燒器或者加熱器加熱以升高反應溫度,同時可以防止硫酸氫銨的凝結。

3.2 SCR系統設計

高溫高壓型SCR系統和低溫低壓型SCR系統因在排氣管路的位置不同，反應的溫度及壓力不同，采用的催化劑不同，但是其原理相同。

3.2.1 尿素溶液儲存

儲罐容積是由通過NECA區域的時間以及發動機運行功率決定的，其計算見式(1)：

(1)

3.2.2 尿素溶液供給和注入裝置

注入裝置基于主機的運行情況來調整注入量。其計算[4]見式(2)：

(2)

式中：Q1為尿素溶液體積消耗率，l/h；m為NO2(NOx) 降低量，g/(kW·h)；M1為尿素溶液摩爾質量，尿素 ((NH2)2CO)的M1=60.07g/mol；M2為NO2(NOx) 摩爾質量，M2=46.01g/mol；k1為氨分解常數，當用尿素時k1≈0.2g/(kW·h)；C為尿素溶液濃度，%。

如果注入裝置遠離尿素存儲艙，則需要增加尿素溶液駁運泵，將尿素溶液從儲存罐中駁運到尿素溶液注入裝置中，供給泵的排量要大于注入量。

3.2.3 尿素溶液噴射及混合

壓縮空氣連接到尿素管路并有1個常閉的電磁閥控制，定量給料裝置控制噴入混合管的尿素的量，定量的尿素溶液被壓縮空氣噴入到混合管使之與廢氣混合。尿素溶液和壓縮空氣在噴頭的末端混合，以便增強霧化效果使尿素和廢氣充分混合。尿素在混合管內被廢氣加熱并生成氨。氨和廢氣在到達SCR反應器前應充分混合在一起。

壓縮空氣用量的計算[4]見式(3)：

Q2=0.75Q1+1.5×103P

(3)

式中：Q2為尿素注入(0.6MPa)及吹灰(0.8MPa)消耗壓縮空氣消耗量，m3/h。

3.2.4SCR反應器

采用的催化劑不同，反應所需要的溫度也不同[5]。Cu/TiO基催化劑的反應溫度范圍為150～200 ℃,Mn/TiO2基催化劑的反應溫度范圍為200～250 ℃，Ce/TiO基催化劑的反應溫度范圍250～350 ℃。V2O5基催化劑的反應溫度范圍為250～350 ℃。不同類型的SCR選擇的催化劑也不同。高溫高壓型SCR系統采用V2O5催化劑較多，低溫低壓型SCR系統常采用TiO基催化劑較多。

3.2.5 控制系統

控制系統是根據主機的負荷或者檢測NOx生成量來調節尿素的供給量，保證噴入適量的尿素溶液量，這些溶液以霧化方式噴入到廢氣中；同時控制系統也控制噴射系統以及吹灰系統的壓縮空氣。

對于高溫高壓型SCR，控制系統與主機控制系統相連，通過適當調節主機油耗和旁通閥開度來調節SCR反應溫度；對于低溫低壓型SCR，在安裝燃燒器的前提下，控制系統通過控制燃燒器來提高廢氣溫度。

3.2.6 吹灰裝置

吹灰系統是由船上壓縮空氣系統提供空氣源來吹除催化劑表面的附著物，保持催化劑表面干凈，防止催化器失效。

3.2.7 系統材料

由于尿素對金屬有腐蝕性，在選擇尿素管路材料時，銅、鋅、鎘及其合金不能用于可能與尿素或氨接觸的艙、管路、泵、附件等。通常，推薦的尿素管路材料采用不銹鋼等。考慮到成本因素，管道材料也可以采用碳鋼涂塑(僅尿素溶液輸送管路)。對于SCR反應器及其下游，由于溫度較高，應采用不銹鋼。在布置時，還需要考慮到管道對發動機排氣背壓的影響以及管道應力，必須合理布置管支架。

存儲艙可采用不銹鋼或者碳鋼涂環氧。由于40%尿素溶液的結晶溫度為2 ℃，考慮冬季溫度較低，尿素艙需要加熱裝置，尿素輸送管路需要熱絕緣或者伴熱，防止尿素結晶堵塞管路。

3.2.8 其他

由于燃料里含有硫，在SCR里一個伴隨反應為逃逸的氨在溫度降低時與廢氣里的硫氧化物(SOx)反應生成硫酸氫銨 (ABS)，其反應如下：

NH3 (g)+SO3 (g)+H2O(g)→NH4HSO4(l)

低溫下的氣態ABS冷凝,形成粘性很強的液態ABS，它一面黏附在廢氣系統里的部件上，比如SCR和廢氣鍋爐等，另一面還會黏附煙灰，使這些部件不能正常工作。

ABS的露點溫度與氨的濃度和硫酸(SO3)分壓的乘積有關，露點溫度值可有Clausius-Clapeyron方程計算得出[6]，見式(4)：

(4)

式中：(PNH3PH2SO4)eq,bulk為NH3和H2SO4平衡時氣相主體中的分壓(atm)的乘積，無因次；Tdew[K]為熱力學溫度，K。

根據不同的催化劑，燃料含硫量來選擇合適的反應溫度范圍非常關鍵。溫度過低會大量生成ABS，黏附催化器表面，使催化劑失效；但是溫度過高，超過400～450 ℃時，會使生成的NH3燃燒，急劇增加尿素溶液的消耗量，同時也會減少催化劑的使用壽命；當溫度超過500 ℃時，將會損壞催化劑的材料，使催化劑失效。對于低溫低壓SCR需要特別注意溫度過低的問題，必要時需要增加燃燒器等設備以提高反應溫度；高溫高壓SCR需要特別注意溫度過高的問題。

在SCR工作期間使用鍋爐時應注意鍋爐中相對較低的煙氣溫度會導致ABS黏附在鍋爐熱管，同時這些ABS還將黏附廢氣中的煙灰，容易造成鍋爐堵塞。雖然可采取吹除/清洗等措施減少附著物，但是在清除ABS附著物失效時，就會出現鍋爐堵塞的風險。一個解決方案就是增加一路旁通以便在 SCR 工作期間使用鍋爐。

高溫高壓型SCR與低溫低壓型SCR比較如下，以便于根據具體情況靈活選擇。

(1)資本支出：高溫高壓型好，低溫低壓型差，低溫低壓型必須考慮較大的催化反應，燃油加熱器，較長的排煙管。

(2)管理支出：高溫高壓型好，低溫低壓型差，低溫低壓型需要燃油加熱器、燃油鍋爐。

(3)對燃油效率的影響：高溫高壓型好，低溫低壓型差，考慮到主機背壓要求，低溫低壓型中的廢氣鍋爐可能需要被旁通，使廢氣鍋爐不能運行。

(4)尺寸：高溫高壓型好，低溫低壓型差，取決于反應溫度和壓力, 高溫高壓型較緊湊。

(5)機艙布置的彈性：高溫高壓型差，低溫低壓型一般，高溫高壓型必須靠近主機布置，低溫低壓型可靈活布置。

(6)維修：高溫高壓型差，低溫低壓型一般。

(7)技術：高溫高壓型好，低溫低壓型差，更低溫度的催化劑目前還沒有被發現。

(8)硫酸氫銨：高溫高壓型好，低溫低壓型差，高溫高壓型因為溫度較高，硫酸氫銨沒有出現冷凝析出。

4 結語

為了降低NOx對環境的危害，可以采用多種技術來降低氮氧化物的排放。采用選擇催化還原技術是一種常用的方案，通過對這種方案的研究，給出了其在船舶上的設計方法和系統的實現以及需要注意的事項。

[1] 馬雙忱，郭蒙，宋卉卉，等.選擇性催化還原工藝中硫酸氫氨形成機理及影響因素[J].熱力發電，2014(2)：77-78.

2016-04-15

惠磊(1981—)，男，碩士，工程師，研究方向為船舶輪機及系統。

U664.9

A