船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)溫度控制的幾點見解

楊耀

【摘 要】船舶二沖程柴油機排放出的廢氣中含有的氮硫化物嚴重污染大氣，為了使船舶二沖程柴油機排放出的廢氣滿足Tier II要求及Tier III要求，需要采取機內及機外控制以減少廢氣中NOx的排放量。為了使廢氣中NOx的排放量達到Tier III要求，需要將進入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度保持在SCR系統(tǒng)所需的溫度范圍內。本文對船舶二沖程柴油機溫度控制系統(tǒng)進行了分析并提出了讓進入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度保持在最佳溫度窗口范圍內的幾點意見。

【關鍵詞】NOx減排；SCR系統(tǒng)；二沖程柴油機；溫度控制

中圖分類號： U664.121 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）05-0147-002

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，目前全球面臨的污染問題越來越嚴重。污染分為固體污染和液體污染及大氣污染。而船舶柴油機排放出的廢氣中含有大量的NOx會給大氣造成嚴重的污染，因此需要減少及控制船舶柴油機廢氣中NOx的排放量以達到IMO在2008 年提出的船舶柴油機NOx排放標準。IMO在2008 年提出凡是2016 年1月1日或以后建造的船舶分別在排放控制區(qū) （ECA）內及外航行時，NOx排放應分別符合Tier III標準和Tier II標準。其中，在Tier III標準中，NOx排放量是最低的，比Tier I降低80%左右。而為了使NOx排放量達到標準，必須要采取有效的減排措施。而降低船舶柴油機NOx排放方法中除了機內控制法外還有機外控制法。其中機內控制法可以使船舶柴油機內的NOx排放達到Tier II標準，但不能達到Tier III標準，要達到Tier III標準需要采取機外控制措施，而在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的選擇性催化還原技術就是目前比較成熟 的、能夠達到Tier III標準的機外控制措施。

1 船舶二沖程柴油機SCR系統(tǒng)概述

選擇性催化還原（Selec- tive Catalytic Reduction，SCR）是一種從機外減少船舶柴油機NOx的排放而達到Tier III標準的系統(tǒng)。NH3通過SCR催化劑的作用在溫度為300～400℃能與柴油機廢氣中的NOx發(fā)生選擇性催化還原反應，這樣柴油機廢氣中的NOx就被還原成了無害的N2和H2O。所以要減少柴油機廢氣NOx的排放，需要柴油機廢氣中的NOx與NH3在SCR反應器中發(fā)生選擇性催化還原反應。而NH3可以讓尿素溶液在高溫下分解得到，從排氣管噴入的尿素溶液會分解為NH3，NH3與柴油機廢氣均勻混合后進入SCR反應器發(fā)生選擇性催化還原反應。而柴油機廢氣中的NOx與NH3在SCR反應器中能否有效發(fā)生選擇性催化還原反應取決于SCR反應器的溫度是否為300～400℃。當SCR反應的溫度超過該范圍，NH3會被氧化，從而不能與NOx發(fā)生選擇性催化還原反應。而當溫度低于這范圍，則NOx與NH3的選擇性催化還原反應不僅會進行得很慢，而且廢氣中的SO2也會與NH3發(fā)生反應生成NH4HSO4和 （NH4）2SO4，生成的硫酸鹽還會沉積在SCR催化劑活性表面造成SCR催化劑的堵塞、失活或損壞。一般二沖程柴油機的排氣溫度相對較低，柴油機廢氣經(jīng)過渦輪增壓器之后溫度通常降到230 ～260℃，這與SCR反應器的最佳溫度窗口300～400℃相差較大，對SCR系統(tǒng)的運行是不利的。特別是船舶柴油機燃用的是含硫量較高的重油（HFO）時，廢氣中大量的SO2在低溫下與NH3反應生成大量的硫酸鹽，而大量生成的硫酸鹽將沉積在SCR催化劑活性表面會加劇SCR催化劑的失活。為了讓二沖程柴油機廢氣中的NOx能得到充分而有效的還原，排氣溫度保持在SCR反應器的最佳溫度窗口范圍內是一個非常重要的條件。這也是SCR技術應用于排氣溫度較低的二沖程柴油機一個重要的挑戰(zhàn)。

2 SCR系統(tǒng)溫度控制的幾點建議

2.1 將廢氣渦輪增壓器布置在SCR系統(tǒng)之后

SCR系統(tǒng)中NOx與NH3發(fā)生選擇性催化還原反應的最佳溫度窗口為300～400℃，然而一般柴油機排氣管溫度在較低負荷時可能會低于該溫度范圍，特別是經(jīng)過廢氣渦輪增壓器之后，廢氣溫度將根本達不到SCR系統(tǒng)正常運行所需的溫度。由于廢氣經(jīng)過渦輪增壓器溫度會降低，為了提高柴油機SCR系統(tǒng)的廢氣溫度，往往把廢氣渦輪增壓器布置在SCR系統(tǒng)之后，這樣布置可以將進入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度提高大約50～175℃。

2.2 在SCR系統(tǒng)上設置掃氣旁通閥

廢氣溫度還與柴油機負荷高低有關。一般只有當柴油機負荷高于70%時， 排氣溫度才能達到SCR系統(tǒng)運行所需的溫度。為了提高柴油機低負荷時低的排氣的溫度，就需要在柴油機上安裝掃氣旁通閥以減少氣缸內的空氣質量來提高廢氣的溫度。柴油機的排氣溫度與氣缸內的空氣質量多少有關，當氣缸內參與方應的空氣質量減少時，柴油機的排氣溫度將會相應的升高。當柴油機排氣溫度在低負荷達不到要求時，可以通過調節(jié)掃氣旁通閥開度讓一部分增壓空氣隨廢氣直接進入渦輪機后排往大氣，來調節(jié)柴油機的排氣溫度，使柴油機的排氣溫度處于SCR反應的最佳窗口內。同時，掃氣旁通閥 CBV的開度可以根據(jù)柴油機排氣溫度與SCR運行所需溫度的差值進行自動調節(jié)，保障了SCR系統(tǒng)的進口溫度處于所需的溫度窗口范圍內。當然采用這種方式，可能會額外增加2～3g/（kW·h或更多的燃油消耗率。

2.3 SCR反應器上增加電加熱設備

在外界無高溫氣體通入或者柴油機處于低轉速低負荷運轉的時候，由于筒體是個密封容器，我們如果要將筒體的桶壁維持在220度以上，在SCR反應器外層增加額外的熱加熱系統(tǒng)SCE是必須的，SCR反應器加熱器的加熱功率大于筒體的熱量損耗就能起到保溫及加熱作用。筒體的熱量損耗主要有兩方面：熱量通過150mm厚的保溫材料的熱量損耗以及通過筒體的金屬材料傳導至外界連接的熱量損耗。可以根據(jù)實際的保溫材料、加熱材料的選擇以及其他熱力學參數(shù)進行熱力計算，最終確定加熱功率。

加熱系統(tǒng)的控制箱方案需考慮以下幾點：1）由功率控制器控制加熱器工作；2）傳感器溫度低于230°，功率控制器會根據(jù)實際溫度調整加熱器的功率，伴熱溫度可調。3）伴熱加熱器功率最高處于90%的功率使用狀態(tài)，加熱線圈壽命長。安全系數(shù)高。（損壞除外），即使某一段加熱絲毀壞，功率控制器仍可以保證伴熱電纜的功率；4）設置溫度安全報警值，當溫度達到260度，控制箱處于停止工作狀態(tài)。最高限位260°可調；5）采用機旁和遙控兩種模式，遙控是指在主機停車時，加熱器處于待命狀態(tài)，當溫度低會自動加熱。主機動車時伴熱系統(tǒng)停止工作

3 二沖程柴油機SCR系統(tǒng)兩種工作模式

根據(jù)船舶是在排放控制航道內航行還是在排放控制航道之外航行，可將SCR系統(tǒng)的工作模式分為Tier II和Tier III模式。如果船舶是在排放控制航道內航行，則啟動Tier III模式，關閉SCR旁通閥RBV，讓由廢氣與NH3構成的均勻混合氣體進入SCR系統(tǒng)并且在SCR系統(tǒng)中發(fā)生選擇性還原反應，NOx被還原成N2后隨其他廢氣進入渦輪增壓器做功，實現(xiàn)能量再利用后排往大氣。船舶在排放控制航道之外航行時，關閉SCR反應器密封閥RSV和RTV同時打開SCR旁通閥RBV，這樣廢氣不進入SCR反應器，將直接進入渦輪增壓器做功，最后排往大氣。

4 結束語

為了使船舶二沖程柴油機排放出的廢氣中NOx含量滿足Tier II要求，需要從機內進行控制，而要達到Tier III的要求則需要從機外進行控制，也就是在SCR系統(tǒng)中利用尿素溶液中分解出的NH3與柴油機廢氣中的NOx發(fā)生選擇性催化還原反應，從而將NOx還原成無害的N2再排放于大氣中。為了使SCR系統(tǒng)選擇性催化還原反應溫度處于最佳溫度窗口范圍內，需要將SCR系統(tǒng)布置在渦輪增壓器之前及在SCR系統(tǒng)上設置掃氣旁通閥CBV，以此來調節(jié)進入SCR系統(tǒng)的廢氣溫度，使之滿足SCR系統(tǒng)正常工作的需要。

【參考文獻】

[1]肖志家，全球船用SCR系統(tǒng)發(fā)展狀況分析[N].中國船舶報，2011（8）.

[2]張東明，平 濤，閆 萍，等，船用柴油機應對IMO Tier III排放法規(guī)的技術措施[J].柴油機，2011（4）.

[3]李斌，現(xiàn)代船舶動力裝置的節(jié)能與排放控制技術[M].大連：大連海事大學出版社，2013.