50 000 t半潛船滿足NOX Tier III排放SCR系統(tǒng)設(shè)計

曹信來，楊 江，伍 剛

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

0 引言

船舶排放污染物對大氣和海洋環(huán)境造成的污染和危害日趨嚴(yán)重，其中船用柴油機(jī)燃燒排放的氮氧化物(NOX)也是大氣環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)之一。根據(jù)國際海事組織(IMO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，船舶尾氣年排放的氮氧化物約占全球排放總量的15%。為了減少船舶尾氣中的氮氧化物(NOX)對大氣環(huán)境的影響，國際海事組織制定了相關(guān)法規(guī)，限制船舶氮氧化物(NOX)的排放。本文概述了50 000 t半潛船尾氣氮氧化物(NOX)排放控制系統(tǒng)設(shè)計，供此類工程運(yùn)輸船舶船型設(shè)計參考。

1 IMO公約對船舶柴油機(jī)尾氣排放要求

為防止船舶造成大氣污染，IMO締約國大會于1997年在《防止船舶造成污染公約》的基礎(chǔ)上新增了附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》，并通過了《船舶柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》，作為對船舶柴油機(jī)試驗(yàn)、檢驗(yàn)和發(fā)證的強(qiáng)制性要求[1]。IMO規(guī)定對于每臺安裝于船上且輸出功率超過130 kW的船用柴油機(jī)(應(yīng)急情況下使用的柴油機(jī)除外)，均需滿足防污染公約(MARPOL)附則VI第13條關(guān)于氮氧化物(NOX)排放限制的相關(guān)要求。在排放控制區(qū)域內(nèi)，Tier III適用2016年1月1日或以后安裝在船上的柴油機(jī)，NOX排放量應(yīng)在表1的極限值內(nèi)。表中n為發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

表1 Tier III階段NOX的排放限制

目前的排放控制技術(shù)中能夠滿足Tier III的有3種，分別為選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR)、廢氣再循環(huán)(EXhaust Gas Recirculation，簡稱EGR)和燃用天然氣(LNG)或其他替代燃料。其中：EGR技術(shù)只適用于低速柴油機(jī)且會導(dǎo)致柴油機(jī)油耗大大增加，LNG技術(shù)起始投資太大、設(shè)計復(fù)雜且存在燃料逃逸問題，SCR減排技術(shù)因其技術(shù)成熟、布置靈活被廣泛采用[2]。

2 50 000 t半潛船SCR系統(tǒng)設(shè)計

50 000 t半潛船利用4臺MAN 8L32/40柴油發(fā)電機(jī)組為整個船舶動力系統(tǒng)提供能源支撐，另外輔以1臺MAN 6L21/31作為停泊時候船舶的電力供應(yīng)。本船所有動力源柴油機(jī)均為4沖程中速柴油機(jī)，廢氣處理方式均選用SCR技術(shù)。SCR技術(shù)使用還原劑(NH3)將柴油機(jī)廢氣中的NOX還原成N2和H2O，并適當(dāng)使用催化還原劑使得反應(yīng)可以在200～450 ℃的范圍內(nèi)有效進(jìn)行。SCR系統(tǒng)主要由催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)、旁通系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)等組成。

2.1 排氣背壓

排氣背壓若超過柴油機(jī)許用最大背壓，則需要引入引風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制增加背壓能力。50 000 t半潛船目前的機(jī)艙棚由于排氣末端附屬設(shè)備已經(jīng)較多，機(jī)艙棚較高，如果再增加引風(fēng)機(jī)勢必會影響機(jī)艙棚高度以及上建雷達(dá)桅的設(shè)計。

由于中速柴油機(jī)允許排氣背壓的最大值通常為4 900 Pa，50 000 t半潛船每臺柴油機(jī)排氣管還配有廢熱回收的廢氣熱油爐和消音器，這些排氣末端設(shè)備的設(shè)置會影響到排氣背壓的計算。另外，根據(jù)半潛船船型的特性，油機(jī)的排氣管需要從機(jī)艙引至首部上建區(qū)域的機(jī)艙棚內(nèi)，柴油機(jī)距離機(jī)艙棚較遠(yuǎn)，排氣管布置90°彎頭的較多，排氣系統(tǒng)阻力較大，為確保排氣系統(tǒng)的正常背壓，在管路布置及排氣管尺寸選擇上應(yīng)與設(shè)備廠家、生產(chǎn)放樣協(xié)調(diào)合作。

(1)盡可能將反應(yīng)器布置在排氣管的直管段上，減少不必要的管路彎頭，達(dá)到減少管路損失的目的；同時協(xié)同結(jié)構(gòu)專業(yè)人員就反應(yīng)器布置的位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，增加支撐和反應(yīng)器基座。

(2)協(xié)調(diào)排氣管上附屬設(shè)備廠家，排氣管進(jìn)入機(jī)艙棚后的直徑根據(jù)背壓計算進(jìn)行調(diào)整。這樣的設(shè)計既保證了機(jī)艙狹小空間內(nèi)的排氣管布置，又通過增加排氣管管徑及相關(guān)設(shè)備的排氣背壓來減小排氣阻力，從而將柴油機(jī)排氣背壓控制在比較合適的范圍內(nèi)。

2.2 尿素艙的設(shè)置

針對目前50 000 t半潛船，船東要求SCR系統(tǒng)能夠滿足正常航行工況20 d的使用要求。根據(jù)每臺柴油機(jī)65 L/h的尿素溶液(AUS40)的消耗量，尿素溶液艙的艙容需求約為140 m3。如果考慮獨(dú)立不銹鋼艙柜，則機(jī)艙布置、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、艙柜保溫等均需要特別考慮。由于50 000 t半潛船機(jī)艙周邊均為壓載水艙，可以極為方便地在緊鄰機(jī)艙的壓載艙設(shè)置結(jié)構(gòu)艙柜用以儲存尿素溶液，其好處是不占用機(jī)艙空間，且能夠利用周邊的壓載艙來保持尿素溶液艙的儲存溫度，以保證尿素溶液的品質(zhì)。根據(jù)ISO 18611-1/2/3標(biāo)準(zhǔn)，船用尿素水溶液(AUS40)使用壽命與溫度關(guān)系特性，尿素溶液溫度需要保持在35 ℃以內(nèi)，才能有效地保證還原劑的品質(zhì)。其溫度與使用壽命關(guān)系見表2。

50 000 t半潛船的尿素儲存艙布置示意圖見圖1。尿素儲存艙僅有一面與機(jī)艙相鄰，其余均與壓載艙相鄰。考慮到尿素溶液與機(jī)艙直接相鄰，為了保證海水艙對尿素艙的冷卻效果，初期擬對鄰機(jī)艙面進(jìn)行絕熱包覆。經(jīng)計算比較，對機(jī)艙相鄰的面進(jìn)行絕緣包覆，則可以將尿素艙的溫度控制在32.5 ℃；如果不進(jìn)行包覆，則尿素艙溫度可維持在33.2 ℃。綜合考慮兩方案對尿素溶液的溫度效果差別不大，均為滿足尿素溶液最小使用壽命0.5 a的需求，故本船未對尿素儲藏艙進(jìn)行絕熱包覆處理。尿素艙保溫溫度計算公式為

Qk=ΣKF(TA-TC)

式中：Qk為散熱量或加熱量，W；K為各表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， W/(K·m2)；F為各表面的表面積，m2；TA為艙柜溫度，℃；TC為環(huán)境溫度，℃。

表2 AUS40存儲溫度與使用壽命

注：t為存儲溫度。

圖1 尿素儲藏艙布置示意圖

尿素艙溫度計算結(jié)果見表3。計算結(jié)果表明：通過在相鄰機(jī)艙的壓載艙內(nèi)布置尿素儲存艙，可以達(dá)到很好的冷卻保溫效果，保證尿素溶液的還原劑品質(zhì)，而無需額外在尿素儲存艙內(nèi)設(shè)置冷卻器。

表3 尿素艙溫度計算結(jié)果

2.3 壓縮空氣

服務(wù)整個SCR系統(tǒng)的壓縮空氣需要考量SCR反應(yīng)器和排氣管旁通閥的氣動遙控壓縮空氣消耗、比例混合器的尿素溶液混合壓縮空氣消耗、SCR反應(yīng)器除塵罐壓縮空氣消耗及SCR反應(yīng)器停止工作時的密封壓縮空氣消耗。整個系統(tǒng)所需要的壓縮空氣消耗量較大，需要設(shè)置專門額外供SCR系統(tǒng)工作的空壓機(jī)。SCR工作期間需將持續(xù)供氣的壓縮空氣的消耗量分為兩部分：噴射尿素的壓縮空氣消耗48 Nm3/h和吹灰裝置壓縮空氣消耗3 Nm3/h。其空壓機(jī)容量比配計算見表4。

表4 空壓機(jī)容量計算

根據(jù)表4的計算結(jié)果，在各種工況下，SCR空壓機(jī)每小時的啟停次數(shù)不超過5次，符合空壓機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行要求的啟停頻率。如何匹配好空壓機(jī)排量及空氣瓶的容積，保證空壓機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的工作是設(shè)計時需要謹(jǐn)慎考慮的問題，從而避免空壓機(jī)持續(xù)卸載過熱等影響空壓機(jī)使用壽命的現(xiàn)象。

另外，每臺柴油機(jī)的SCR反應(yīng)器配有單獨(dú)的密封風(fēng)機(jī)，以滿足SCR停止工作時候的空氣密封需求。由于其壓頭較小，故單獨(dú)設(shè)置。

2.4 SCR反應(yīng)器的安裝

SCR反應(yīng)器的合理安裝和固定是整個SCR系統(tǒng)正常工作的前提條件。本船的反應(yīng)器安裝采用的是彈性墊塊和側(cè)向彈性支撐相結(jié)合的安裝方式，充分考慮排氣管路高溫對管路膨脹量的影響。由于SCR反應(yīng)器尺寸均較大，在船舶機(jī)艙棚內(nèi)需要跨層安裝，主甲板和B甲板之間的各層結(jié)構(gòu)平臺根據(jù)反應(yīng)器排氣管路優(yōu)化布置方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，即先滿足管路布置，再在此基礎(chǔ)上考慮每層平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計和反應(yīng)器的基座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。反應(yīng)器平面布置圖見圖2，反應(yīng)器節(jié)點(diǎn)安裝圖見圖3。

①—SCR反應(yīng)器；②—安裝墊塊。

①—彈性支撐墊塊；②—支撐鋼墊塊。

3 結(jié)語

50 000 t半潛船根據(jù)自身的船型特點(diǎn)，即機(jī)艙周邊及機(jī)艙棚周邊均為壓載水艙、柴油機(jī)與機(jī)艙棚之間距離相對較遠(yuǎn)等，統(tǒng)籌考慮排氣管的布置走向和背壓計算，充分利用相鄰壓載艙區(qū)域可以利用的空間，為尿素儲存艙的布置和排氣管SCR反應(yīng)器布置提供優(yōu)化設(shè)計的空間。SCR系統(tǒng)附屬設(shè)備的配置充分考慮各種工況下壓縮空氣及尿素溶液的消耗量，根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)，通過計算優(yōu)化方案配置。

50 000 t半潛船的NOX滿足IMO Tier III排放控制要求的設(shè)計，為以后相關(guān)船型的SCR系統(tǒng)應(yīng)用積累了設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。