50 000 t半潜船满足NOX Tier III排放SCR系统设计

曹信来，杨 江，伍 刚

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

船舶排放污染物对大气和海洋环境造成的污染和危害日趋严重，其中船用柴油机燃烧排放的氮氧化物(NOX)也是大气环境质量评价指标之一。根据国际海事组织(IMO)统计数据显示，船舶尾气年排放的氮氧化物约占全球排放总量的15%。为了减少船舶尾气中的氮氧化物(NOX)对大气环境的影响，国际海事组织制定了相关法规，限制船舶氮氧化物(NOX)的排放。本文概述了50 000 t半潜船尾气氮氧化物(NOX)排放控制系统设计，供此类工程运输船舶船型设计参考。

1 IMO公约对船舶柴油机尾气排放要求

为防止船舶造成大气污染，IMO缔约国大会于1997年在《防止船舶造成污染公约》的基础上新增了附则VI《防止船舶造成空气污染规则》，并通过了《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则》，作为对船舶柴油机试验、检验和发证的强制性要求[1]。IMO规定对于每台安装于船上且输出功率超过130 kW的船用柴油机(应急情况下使用的柴油机除外)，均需满足防污染公约(MARPOL)附则VI第13条关于氮氧化物(NOX)排放限制的相关要求。在排放控制区域内，Tier III适用2016年1月1日或以后安装在船上的柴油机，NOX排放量应在表1的极限值内。表中n为发动机额定转速。

表1 Tier III阶段NOX的排放限制

目前的排放控制技术中能够满足Tier III的有3种，分别为选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，简称SCR)、废气再循环(EXhaust Gas Recirculation，简称EGR)和燃用天然气(LNG)或其他替代燃料。其中：EGR技术只适用于低速柴油机且会导致柴油机油耗大大增加，LNG技术起始投资太大、设计复杂且存在燃料逃逸问题，SCR减排技术因其技术成熟、布置灵活被广泛采用[2]。

2 50 000 t半潜船SCR系统设计

50 000 t半潜船利用4台MAN 8L32/40柴油发电机组为整个船舶动力系统提供能源支撑，另外辅以1台MAN 6L21/31作为停泊时候船舶的电力供应。本船所有动力源柴油机均为4冲程中速柴油机，废气处理方式均选用SCR技术。SCR技术使用还原剂(NH3)将柴油机废气中的NOX还原成N2和H2O，并适当使用催化还原剂使得反应可以在200～450 ℃的范围内有效进行。SCR系统主要由催化转化系统、控制系统、尿素喷射系统、旁通系统、吹灰系统等组成。

2.1 排气背压

排气背压若超过柴油机许用最大背压，则需要引入引风机，强制增加背压能力。50 000 t半潜船目前的机舱棚由于排气末端附属设备已经较多，机舱棚较高，如果再增加引风机势必会影响机舱棚高度以及上建雷达桅的设计。

由于中速柴油机允许排气背压的最大值通常为4 900 Pa，50 000 t半潜船每台柴油机排气管还配有废热回收的废气热油炉和消音器，这些排气末端设备的设置会影响到排气背压的计算。另外，根据半潜船船型的特性，油机的排气管需要从机舱引至首部上建区域的机舱棚内，柴油机距离机舱棚较远，排气管布置90°弯头的较多，排气系统阻力较大，为确保排气系统的正常背压，在管路布置及排气管尺寸选择上应与设备厂家、生产放样协调合作。

(1)尽可能将反应器布置在排气管的直管段上，减少不必要的管路弯头，达到减少管路损失的目的；同时协同结构专业人员就反应器布置的位置进行结构复核，增加支撑和反应器基座。

(2)协调排气管上附属设备厂家，排气管进入机舱棚后的直径根据背压计算进行调整。这样的设计既保证了机舱狭小空间内的排气管布置，又通过增加排气管管径及相关设备的排气背压来减小排气阻力，从而将柴油机排气背压控制在比较合适的范围内。

2.2 尿素舱的设置

针对目前50 000 t半潜船，船东要求SCR系统能够满足正常航行工况20 d的使用要求。根据每台柴油机65 L/h的尿素溶液(AUS40)的消耗量，尿素溶液舱的舱容需求约为140 m3。如果考虑独立不锈钢舱柜，则机舱布置、结构加强、舱柜保温等均需要特别考虑。由于50 000 t半潜船机舱周边均为压载水舱，可以极为方便地在紧邻机舱的压载舱设置结构舱柜用以储存尿素溶液，其好处是不占用机舱空间，且能够利用周边的压载舱来保持尿素溶液舱的储存温度，以保证尿素溶液的品质。根据ISO 18611-1/2/3标准，船用尿素水溶液(AUS40)使用寿命与温度关系特性，尿素溶液温度需要保持在35 ℃以内，才能有效地保证还原剂的品质。其温度与使用寿命关系见表2。

50 000 t半潜船的尿素储存舱布置示意图见图1。尿素储存舱仅有一面与机舱相邻，其余均与压载舱相邻。考虑到尿素溶液与机舱直接相邻，为了保证海水舱对尿素舱的冷却效果，初期拟对邻机舱面进行绝热包覆。经计算比较，对机舱相邻的面进行绝缘包覆，则可以将尿素舱的温度控制在32.5 ℃；如果不进行包覆，则尿素舱温度可维持在33.2 ℃。综合考虑两方案对尿素溶液的温度效果差别不大，均为满足尿素溶液最小使用寿命0.5 a的需求，故本船未对尿素储藏舱进行绝热包覆处理。尿素舱保温温度计算公式为

Qk=ΣKF(TA-TC)

式中：Qk为散热量或加热量，W；K为各表面传热系数， W/(K·m2)；F为各表面的表面积，m2；TA为舱柜温度，℃；TC为环境温度，℃。

表2 AUS40存储温度与使用寿命

注：t为存储温度。

图1 尿素储藏舱布置示意图

尿素舱温度计算结果见表3。计算结果表明：通过在相邻机舱的压载舱内布置尿素储存舱，可以达到很好的冷却保温效果，保证尿素溶液的还原剂品质，而无需额外在尿素储存舱内设置冷却器。

表3 尿素舱温度计算结果

2.3 压缩空气

服务整个SCR系统的压缩空气需要考量SCR反应器和排气管旁通阀的气动遥控压缩空气消耗、比例混合器的尿素溶液混合压缩空气消耗、SCR反应器除尘罐压缩空气消耗及SCR反应器停止工作时的密封压缩空气消耗。整个系统所需要的压缩空气消耗量较大，需要设置专门额外供SCR系统工作的空压机。SCR工作期间需将持续供气的压缩空气的消耗量分为两部分：喷射尿素的压缩空气消耗48 Nm3/h和吹灰装置压缩空气消耗3 Nm3/h。其空压机容量比配计算见表4。

表4 空压机容量计算

根据表4的计算结果，在各种工况下，SCR空压机每小时的启停次数不超过5次，符合空压机正常稳定运行要求的启停频率。如何匹配好空压机排量及空气瓶的容积，保证空压机持续稳定的工作是设计时需要谨慎考虑的问题，从而避免空压机持续卸载过热等影响空压机使用寿命的现象。

另外，每台柴油机的SCR反应器配有单独的密封风机，以满足SCR停止工作时候的空气密封需求。由于其压头较小，故单独设置。

2.4 SCR反应器的安装

SCR反应器的合理安装和固定是整个SCR系统正常工作的前提条件。本船的反应器安装采用的是弹性垫块和侧向弹性支撑相结合的安装方式，充分考虑排气管路高温对管路膨胀量的影响。由于SCR反应器尺寸均较大，在船舶机舱棚内需要跨层安装，主甲板和B甲板之间的各层结构平台根据反应器排气管路优化布置方案进行结构调整，即先满足管路布置，再在此基础上考虑每层平台的结构设计和反应器的基座结构加强。反应器平面布置图见图2，反应器节点安装图见图3。

①—SCR反应器；②—安装垫块。

①—弹性支撑垫块；②—支撑钢垫块。

3 结语

50 000 t半潜船根据自身的船型特点，即机舱周边及机舱棚周边均为压载水舱、柴油机与机舱棚之间距离相对较远等，统筹考虑排气管的布置走向和背压计算，充分利用相邻压载舱区域可以利用的空间，为尿素储存舱的布置和排气管SCR反应器布置提供优化设计的空间。SCR系统附属设备的配置充分考虑各种工况下压缩空气及尿素溶液的消耗量，根据其运行特点，通过计算优化方案配置。

50 000 t半潜船的NOX满足IMO Tier III排放控制要求的设计，为以后相关船型的SCR系统应用积累了设计经验。