1 100TEU 集裝箱船二沖程柴油主機除氮裝置的選型及應用

朱智星，劉嘉平，周柳英，吳興武，陳列峰

（廣州文沖船廠有限責任公司，廣州 510715）

1 前言

二沖程柴油主機主要應用于遠洋及近海船舶運輸，在法規方面主要是滿足國際海事組織（IMO）的規定。目前IMO 已設立的NOx 控制區，要求自2016 年起在控制區內執行TIER Ⅲ標準，在非控制區的全球范圍內要求執行TIER Ⅱ標準。

對于TIER Ⅲ標準的NOx 排放控制，主要有如下三類方法：第一類是機內凈化。目前主流的技術方案是廢氣再循環（EGR）技術；第二類是廢氣后處理。目前主流的技術方案是選擇性催化還原（SCR）技術；第三類是采用替代燃料。其主要代表是使用天然氣的低壓雙燃料發動機。

選擇性催化還原（SCR）技術，在各大品牌的低速柴油機產品中被廣泛采用，其主要優點是對低速柴油機的性能影響很小、適用性強、技術成熟、運行可靠、降低噪聲；而其存在的主要問題，是系統占用空間大、運行成本相對較高。

2 SCR 系統基本原理

廢氣中的污染性氮氧化物（NOx）、碳氧化物（CO）和碳氫化合物（HC）的濃度，需安全地減低至特定的排放限額。SCR 技術可以大幅度降低上述污染物的濃度，最終轉化為對大氣無害的N2 和H2O，過程如下：

尿素溶液噴射：CO(NH2)2 + H2O

尿素溶液轉化為氨氣：CO(NH2)2 + H2O → NH3 + CO2

氨氣與氮氧化物發生氧化還原反應：NOx + NH3 + O2 → N2 + H2O

3 二沖程柴油主機HPSCR 系統布置及原理

3.1 HPSCR 系統布置圖

見圖1 所示。

圖1 二沖程柴油主機HPSCR 系統布置圖

3.2 基本原理

（1）TIER Ⅱ模式

RSV 閥及RTV 閥關閉、RVV 閥及RBV 閥打開，壓縮空氣經RVV 和RTV 的旁通節流孔板和廢氣一起直接經過渦輪增壓器排向大氣，如圖2 所示。

圖2 二沖程柴油主機HPSCR 系統TIER Ⅱ模式

（2）TIER Ⅲ模式

RSV 閥及RTV 閥打開、RVV 閥及RBV 閥關閉，廢氣經RSV 閥、混合管、反應室、RTV 閥后經過渦輪增壓器排向大氣，如圖3 所示。

圖3 二沖程柴油主機HPSCR 系統TIER Ⅲ模式

4 二沖程主機HPSCR 系統配置

HPSCR 系統構成主要包括：主機、尿素艙、尿素溶液、尿素供給單元、尿素計量單元、混合管、反應室、排煙管等。

4.1 尿素艙

（1）防腐

尿素艙需進行特涂處理或采用不銹鋼艙柜，以達到防腐和使用性能。根據實際尿素消耗來計算艙容大小，并依據其成本決定采用不銹鋼柜還是特涂處理的結構艙。該船采用特涂處理的結構艙。

（2）存儲

40%濃度尿素溶液的儲存溫度一般以0～35 ℃為宜。為了將儲存溫度盡可能地控制在35 ℃以下，該船尿素溶液艙的溫度控制是采用海水盤管方式，而海水溫度一般在32 ℃以下；考慮到機艙的設計環境溫度為45 ℃，并在艙柜表面做絕熱包覆，在艙柜上安裝溫度計來監測溶液溫度。

（3）艙容

艙容需滿足主輔機運行的消耗量。該船主機MCR工況尿素耗量為200L/h、4.8 m3/天。配置65 m3的主機尿素艙，可以滿足約13 天使用要求。

4.2 尿素溶液質量

根據主機要求，選用尿素溶液濃度為40%。

4.3 排煙管系統

（1）材質

主機為高壓SCR，透平前排氣管由于高溫高壓要求管材采用15CrMoR，透平后按常規選用Q235B。

（2）背壓要求

主機高壓SCR 系統布置在透平前，不影響主機透平出口背壓；透平后出口背壓按常規不大于300 mbar。

4.4 壓縮空氣系統

（1）空氣質量要求

根據主機SCR 的空氣質量要求：空氣顆粒度/水分/油分需滿足ISO 8573-1，class2.4.2 要求。通過配置空氣干燥器來達到空氣質量要求。

（2）空氣耗量

該船主機SCR 的空氣消耗量，如表1 所示。

表1 主機SCR 的空氣消耗量

5 總結

MARPOL 公約附則VI 第三階段已實施執行，航線含有控制區的船舶均需滿足此要求。通過對船二沖程柴油主機除氮裝置的選型分析和實際應用，保證了該船能滿足TIER Ⅲ的排放要求，并為除氮裝置的安裝積累了經驗，可為其他船舶提供借鑒。