1 100TEU 集装箱船二冲程柴油主机除氮装置的选型及应用

朱智星，刘嘉平，周柳英，吴兴武，陈列峰

（广州文冲船厂有限责任公司，广州 510715）

1 前言

二冲程柴油主机主要应用于远洋及近海船舶运输，在法规方面主要是满足国际海事组织（IMO）的规定。目前IMO 已设立的NOx 控制区，要求自2016 年起在控制区内执行TIER Ⅲ标准，在非控制区的全球范围内要求执行TIER Ⅱ标准。

对于TIER Ⅲ标准的NOx 排放控制，主要有如下三类方法：第一类是机内净化。目前主流的技术方案是废气再循环（EGR）技术；第二类是废气后处理。目前主流的技术方案是选择性催化还原（SCR）技术；第三类是采用替代燃料。其主要代表是使用天然气的低压双燃料发动机。

选择性催化还原（SCR）技术，在各大品牌的低速柴油机产品中被广泛采用，其主要优点是对低速柴油机的性能影响很小、适用性强、技术成熟、运行可靠、降低噪声；而其存在的主要问题，是系统占用空间大、运行成本相对较高。

2 SCR 系统基本原理

废气中的污染性氮氧化物（NOx）、碳氧化物（CO）和碳氢化合物（HC）的浓度，需安全地减低至特定的排放限额。SCR 技术可以大幅度降低上述污染物的浓度，最终转化为对大气无害的N2 和H2O，过程如下：

尿素溶液喷射：CO(NH2)2 + H2O

尿素溶液转化为氨气：CO(NH2)2 + H2O → NH3 + CO2

氨气与氮氧化物发生氧化还原反应：NOx + NH3 + O2 → N2 + H2O

3 二冲程柴油主机HPSCR 系统布置及原理

3.1 HPSCR 系统布置图

见图1 所示。

图1 二冲程柴油主机HPSCR 系统布置图

3.2 基本原理

（1）TIER Ⅱ模式

RSV 阀及RTV 阀关闭、RVV 阀及RBV 阀打开，压缩空气经RVV 和RTV 的旁通节流孔板和废气一起直接经过涡轮增压器排向大气，如图2 所示。

图2 二冲程柴油主机HPSCR 系统TIER Ⅱ模式

（2）TIER Ⅲ模式

RSV 阀及RTV 阀打开、RVV 阀及RBV 阀关闭，废气经RSV 阀、混合管、反应室、RTV 阀后经过涡轮增压器排向大气，如图3 所示。

图3 二冲程柴油主机HPSCR 系统TIER Ⅲ模式

4 二冲程主机HPSCR 系统配置

HPSCR 系统构成主要包括：主机、尿素舱、尿素溶液、尿素供给单元、尿素计量单元、混合管、反应室、排烟管等。

4.1 尿素舱

（1）防腐

尿素舱需进行特涂处理或采用不锈钢舱柜，以达到防腐和使用性能。根据实际尿素消耗来计算舱容大小，并依据其成本决定采用不锈钢柜还是特涂处理的结构舱。该船采用特涂处理的结构舱。

（2）存储

40%浓度尿素溶液的储存温度一般以0～35 ℃为宜。为了将储存温度尽可能地控制在35 ℃以下，该船尿素溶液舱的温度控制是采用海水盘管方式，而海水温度一般在32 ℃以下；考虑到机舱的设计环境温度为45 ℃，并在舱柜表面做绝热包覆，在舱柜上安装温度计来监测溶液温度。

（3）舱容

舱容需满足主辅机运行的消耗量。该船主机MCR工况尿素耗量为200L/h、4.8 m3/天。配置65 m3的主机尿素舱，可以满足约13 天使用要求。

4.2 尿素溶液质量

根据主机要求，选用尿素溶液浓度为40%。

4.3 排烟管系统

（1）材质

主机为高压SCR，透平前排气管由于高温高压要求管材采用15CrMoR，透平后按常规选用Q235B。

（2）背压要求

主机高压SCR 系统布置在透平前，不影响主机透平出口背压；透平后出口背压按常规不大于300 mbar。

4.4 压缩空气系统

（1）空气质量要求

根据主机SCR 的空气质量要求：空气颗粒度/水分/油分需满足ISO 8573-1，class2.4.2 要求。通过配置空气干燥器来达到空气质量要求。

（2）空气耗量

该船主机SCR 的空气消耗量，如表1 所示。

表1 主机SCR 的空气消耗量

5 总结

MARPOL 公约附则VI 第三阶段已实施执行，航线含有控制区的船舶均需满足此要求。通过对船二冲程柴油主机除氮装置的选型分析和实际应用，保证了该船能满足TIER Ⅲ的排放要求，并为除氮装置的安装积累了经验，可为其他船舶提供借鉴。