船用柴油機(jī)煙氣脫硝SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)

摘要：本文目的是設(shè)計(jì)一套適用于船用柴油機(jī)煙氣脫硝SCR反應(yīng)器系統(tǒng)，減少煙氣中的NOx含量，使之排放符合IMO Tier III的排放要求。作者分別從煙氣特性、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸、催化劑尺寸及性能參數(shù)、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、日常維護(hù)等幾個(gè)方面對(duì)SCR反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)算和說明，并最終設(shè)計(jì)出一套較為實(shí)用的船用柴油機(jī)脫硝系統(tǒng)，經(jīng)試運(yùn)行，可以滿足排放要求。

關(guān)鍵詞：SCR反應(yīng)器；脫硝；船用柴油機(jī)

中圖分類號(hào)： X511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2017）04-0249-02

Abstract：This paper aims to design a set of exhaust gas De-NOx SCR reactor system for marine diesel engine， with reduction of NOx content from flue gas and according to emission standard of IMO Tier III. The author has performed theoretical calculations and descriptions in detail for SCR reactor system from waste gas feature， reactor configuration， catalyst dimensions and its specification parameters， percent conversion of reaction， and routine maintenance， etc. and finally， designed a set of De-NOx system for marine diesel， meeting relative discharging standards through test run.

Key words：SCR reactor；De-NOx；Marine diesel engine

由于船用柴油機(jī)占據(jù)了船舶動(dòng)力市場(chǎng)百分之九十幾的份額，因此其污染也最為嚴(yán)重。雖然它排放物中的CO、HC比車用柴油機(jī)的低，但是氮氧化物、硫化物排放嚴(yán)重，2008年全球海運(yùn)船舶排放的NOx和SOx分別占世界NOx和排SOx放總量的18%～30% （w/w）和9% （w/w）。可見船用柴油機(jī)有害污染物的排放造成危害已經(jīng)到了不容忽視的程度[1， 2]。國際海事組織的法規(guī)中也對(duì)船用柴油機(jī)的排放有了一定的規(guī)范。2011年1月起，IMO Tier II排放控制法規(guī)在IMO所有海域內(nèi)強(qiáng)制實(shí)施。規(guī)定NOx的排放相對(duì)于Tier I要降低16%～20% （w/w），而IMO Tier III階段法規(guī)則要求NOx要比Tier I要降低80% （w/w）[3]。所以當(dāng)前利用選擇性催化還原系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction， SCR）消除或減少NOx排放已經(jīng)成為國外滿足Tier III排放要求的主要方案。基于國內(nèi)對(duì)船用SCR設(shè)計(jì)研究較少的現(xiàn)狀，本文作者對(duì)此進(jìn)行了初探[4-5]。

設(shè)計(jì)條件

1 SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)范圍和結(jié)構(gòu)參數(shù)

反應(yīng)器的設(shè)計(jì)范圍包括：

Ⅰ 反應(yīng)器入口膨脹節(jié)（不含）；Ⅱ入口煙道；Ⅲ 帶加固肋的反應(yīng)器殼體；Ⅳ 煙氣整流板及其支撐；Ⅴ 催化劑層及其支撐；Ⅵ 催化劑的檢修維護(hù)設(shè)施；Ⅶ 反應(yīng)器的支撐；Ⅷ 出口煙道；Ⅸ 反應(yīng)器內(nèi)部的密封設(shè)施；Ⅹ 必要的檢修維護(hù)平臺(tái)；Ⅺ 相關(guān)的儀器儀表；Ⅻ 反應(yīng)器出口膨脹節(jié)（不含）。

所有型號(hào)進(jìn)出口直管段均取87mm；-進(jìn)口錐角；-出口錐角；L-反應(yīng)器本體段長度，mm；H-反應(yīng)器總高度，mm， H=L+H1+H2+87+87；-進(jìn)口直徑，mm；-出口直徑，mm；H1-進(jìn)口錐體段長度，mm；H2-出口錐體段長度，mm； W，D-反應(yīng)器橫截面邊長，當(dāng)為正方形時(shí)，W=D， mm；C1-支撐、安裝催化劑所需要的空間高度， mm； C2-入口整流層高度及安裝需要的空間高度， mm；C3-備用催化劑層后預(yù)留空間，mm；δ-反應(yīng)器壁厚，mm ； hlay-催化劑模塊高度，mm。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本方案是針對(duì)所選型號(hào)船用柴油機(jī)SCR反應(yīng)器進(jìn)行的設(shè)計(jì)。目的是為以后系列船用SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)積累一些有用的經(jīng)驗(yàn)。柴油機(jī)的出口煙氣溫度基本處于催化劑發(fā)揮效力的溫度區(qū)間，因此，反應(yīng)器布置在柴油機(jī)煙氣出口之后。參照瓦錫蘭≤1260KW發(fā)動(dòng)機(jī)所配的A1型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)[7]。選用單臺(tái)反應(yīng)器脫硝。圖1為原型機(jī)SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖。反應(yīng)器進(jìn)口與氨空氣混合段聯(lián)接，出口與消音器相連。在煙氣進(jìn)口段，尿素汽化后與稀釋空氣混合，經(jīng)噴射單元噴入反應(yīng)器。反應(yīng)器入口處設(shè)煙氣均布板和不銹鋼絲網(wǎng)，使煙氣均勻進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部空間，并對(duì)催化劑進(jìn)行初級(jí)保護(hù)。催化劑模塊在反應(yīng)器內(nèi)分設(shè)3層，分別安放固定在由鋼板焊接而成的三層框架上。催化劑清灰采用0.7 MPa的壓縮空氣。反應(yīng)器選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料，壁外加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及支架溫度在300 ?C以下，選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235材料。

3 反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算與說明

3.1 線速、空速和面速[8]

電廠線速6 m/s的流速過快，故當(dāng)煙氣進(jìn)入催化劑橫截面時(shí)，由于通過截面的擴(kuò)大，線速降為 ：

由于煙氣流量不大，所以催化劑擬定為初裝2層，備用1層。

3.4 反應(yīng)器本體段高度L和反應(yīng)器總高H

L=（N+1）（C1+hlay）+C2+C3=（2+1）×（ 300+645）+200+50=3085 mm

L-反應(yīng)器的本體段高度，mm； N+1，催化劑的層數(shù)；C1-支撐、安裝催化劑所需要的空間高度，取300 mm； C2-入口整流層安裝高度及安裝需要的空間高度，取200 mm；C3-備用催化劑層后預(yù)留空間，50 mm。

H=L+H1+H2+0.087+0.087=3085+561+330+87+87=4150 m （8）

H-反應(yīng)器總高，mm； H1-反應(yīng)器進(jìn)口段長度=561 mm； H2-反應(yīng)器出口段長度=330 mm； 進(jìn)出口直管段長度=87 mm。取值參照瓦錫蘭A1型尺寸取值。

3.5 SCR反應(yīng)器的壓力損失

指煙氣由反應(yīng)器進(jìn)口至反應(yīng)器出口之間的壓力降，它會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和耗電量的多少。其值大小一般為1000 Pa，參見龍?jiān)措姀SSCR試驗(yàn)證明值≤700 Pa[10]。

4 總結(jié)與展望

經(jīng)試運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)IMO Tier III達(dá)標(biāo)排放。SCR反應(yīng)器的開發(fā)設(shè)計(jì)主要涉及大截面空間范圍內(nèi)對(duì)煙氣流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的研究與調(diào)控問題，大型、薄壁、大重量下平板鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)問題，針對(duì)高溫?zé)嵝?yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題以及防積灰和清灰的問題。此外，SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)開發(fā)還包括本體之外的支承框架設(shè)計(jì)、各種檢測(cè)接口以及催化劑安裝更換便利性設(shè)計(jì)。需要指出的是，就目前流行的SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)而言，仍存在著較大的熱應(yīng)力，催化劑的安裝與更換也費(fèi)時(shí)耗力。

參考文獻(xiàn)

[1]龐海龍， 鄧成林， 姚廣濤， 等. 船用柴油機(jī)有害物排放控制技術(shù)[J]. 船舶工程， 2011， 33 （1）： 21-24.

[2]肖森， 于學(xué)兵. 船用柴油機(jī)NOx測(cè)量原理及控制分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2014， 52 （3）： 51-54.

[3]康雙琦， 謝榮， 馬婷. 船用柴油機(jī)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)及控制技術(shù)[J]. 煤炭技術(shù)， 2011， 30 （12）： 216-217.

[4]張潔， 高杉喜雄， 菊池正晃， 等. 船用柴油機(jī)NOx等有害排放氣體的評(píng)價(jià)及處理研究--燃料噴射系統(tǒng)對(duì)乳化燃料在船用柴油機(jī)上使用的影響及脫硝裝置的適用性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2000， 18 （4）： 380-386.

[5]徐月明. 船用柴油機(jī)SCR催化劑選型及性能評(píng)價(jià)研究[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)， 2012.

[6]吳麗燕， 舒英鋼， 梁材， 等. 中等溫度SCR脫硝催化劑在高硫、高鈣條件下的適應(yīng)性研究[J]. 電力環(huán)境保護(hù)， 2008，24 （02）： 13-16.

[7]WARTSILA. SHIP POWER PRODUCT CATALOGUE[M]. Finland： WARTSILA Corporation， 2010.

[8]中國大唐集團(tuán)科技工程有限公司. 燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)[M]. 北京： 中國電力出版社， 2009：98.

[9]中國大唐集團(tuán)科技工程有限公司. 燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)[M]. 北京： 中國電力出版社， 2009：99.

[10]江蘇龍?jiān)创呋瘎┯邢薰? SCR脫硝催化劑[Z]. 2009.

作者簡介：路小彬 （1974-），男，博士，副教授，研究方向?yàn)榛の廴局卫砑夹g(shù)。