SCR系统在船舶上的应用

王建功

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

随着全球船舶气体氮氧化物NOx排放Ⅲ控制区不断扩大,SCR系统在船舶上的设计安装和操作应用越来越受重视和关注,安装SCR系统的船舶越来越多。SCR系统主要是对柴油机废气中的氮氧化物进行催化中和还原反应处理,使废气排放满足排放要求。本文从SCR系统的反应原理、SCR系统选型、SCR系统船舶设计流程等方面全面介始SCR系统在船舶上的应用。

1 SCR系统的化学反应原理

选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)技术,即使用氨催化剂和氮氧化物进行脱硝反应生成氮气和水(氨水+氮氧化物=氮气+水),从而使排出的废气中氮氧化物含量达到法规要求(<2.41 [g/(kW·h)])[1]。基本工作流程:船舶尿素舱储存的尿素溶液(40%)通过尿素供给泵单元送到尿素计量单元,计量单元加入压缩空气与尿素溶液混合后喷入排气混合管,在混合管中尿素溶液与废气充分混合后进入SCR反应装置,在催化剂模块中进行催化还原反应,最终把废气中的氮氧化物反应成氮气和水并排入大气。

SCR催化还原反应主要化学式如下。

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O,

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O,

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O。

2 高低压SCR的选型及优缺点对比

SCR系统根据设备安装位置可以分为高压SCR系统和低压SCR系统。高压SCR系统为SCR催化反应器安装在柴油机排气总管与增压器之间,SCR排气系统中运行高温、高压的气体,故称为高压SCR系统,主要运用于主机SCR系统。低压SCR系统为SCR催化反应器安装在柴油机增压器后面,SCR排气系统中运行低压、低温的气体,故称为低压SCR系统,主要用于主机SCR系统和发电机SCR系统[2]。高低压SCR系统的选型及主要优缺点对比见表1。

表1 高低压SCR系统的选型及主要优缺点对比

3 船舶SCR系统应用说明

3.1 系统组成及工作原理

SCR系统主要由船体结构尿素溶液舱、尿素供给泵单元、尿素计量单元及喷射枪、SCR混合管、SCR催化反应器、辅助设备、相关管系、阀附件及电气控制系统等组成,相关的系统图见图1。

图1 SCR船舶系统原理

SCR的主要工作原理:柴油机在MGO燃料下运行并开启SCR运行模式,SCR系统自动检测控制,当排气温度达到工作温度后启动尿素泵组单元开始供给尿素溶液,尿素溶液在计量单元中与压缩空气按比例混合后一起喷射到SCR混合管中,尿素溶液与废气充分混合后进入SCR反应器,SCR反应器中安装有催化剂模块,尿素溶液中的氨气NH3与废气中的氮氧化物在催化剂模块中进行充分催化还原化学反应,最终生成氮气和水,经烟囱排入大气[3]。

3.2 SCR系统的前期设计要点

SCR的前期设计主要为高、低压SCR系统的选择、SCR系统主要设备的空间布置、SCR辅助系统设计、SCR系统的试验及证书取得。

1)高、低压SCR系统的选择。根据柴油机的参数进行初步选型,同时结合机舱空间及机舱棚结构空间来进行高低压SCR选择,参考设备价格进行综合选择。目前船舶辅机SCR系统只有低压SCR系统可供选配,这主要是辅机功率小及辅机机型空间等特点决定的。主机有高压及低压SCR系统选配,在设计前期可以根据主机厂家的推荐,结合主机参数、机舱空间、机舱棚空间及价格来综合选择SCR类型。选择低压SCR系统需增加柴油机的排气背压,如柴油机增压器的排气背压设计由300 mm水柱增大到450 mm水柱。

2)SCR系统主要设备的空间布置。SCR系统主要设备为SCR混合筒、SCR反应器及连接的排气管及排气阀等。辅机SCR混合筒和反应器通常垂直布置安装在机舱棚,对应的电气设备就近布置。主机高压SCR的混合筒和反应器布置在机舱主机附近,设计前期要把带SCR混合筒及SCR反应器的主机排气管路设计出来,通常的SCR混合筒直径1～2 m,长4～5 m;SCR反应器直径2～3 m,长5～7 m,所以设计前期要充分考虑排气管的空间布置。现在有些主机厂已开发出机带高压SCR系统,SCR系统设备完全安装在主机上,这种设计方式节省船厂机舱空间,但是机带SCR系统会占用主机排气总管区域造成SCR系统部件维修空间狭小,且这种配制的主机目前价格较贵。主机低压SCR系统要重点考虑机舱增压器后的空间或机舱棚的空间,对于滚装船及客滚船等机舱棚空间要求高的船要特别注意。SCR系统中其他设备主要为尿素供给泵单元、尿素计量单元及电气控制箱等,这些设备空间小、电力负荷不大,前期作为一般考虑即可。

3)SCR系统中还常用到辅助系统,如空气系统、尿素溶液供给系统、淡水系统和电气控制、监测系统。空气系统主要分为0.7-0.9 MPa压缩空气系统和0.7 MPa仪表控制空气系统,压缩空气系统主要用于SCR计量单元空气与尿素溶液的混合及SCR反应器的压缩空气灰尘吹扫用、催化反应用气等,因压缩空气的耗气量较大,所以需要配专用的SCR空压机、SCR空气瓶及对应的压缩空气系统。SCR空压机及SCR空气瓶的参数按主机和辅机SCR系统用气参数来选定,通常SCR空压机的选定排量为50～300 Nm3/h,SCR空气瓶容积为3～5 m3。SCR仪表控制系统主要用于SCR系统气动排气阀的开关控制,用气量较小可以直接连接船上的控制空气系统。尿素溶液是SCR催化反应的主要原料,船舶需设计一个结构舱室(约30～100 m3)来储存40%尿素溶液,从成本上考虑尿素舱材质通常为钢质结构舱室加特殊油漆,如果用不锈钢304结构舱室也可以,但是成本会较高。尿素溶液舱室通常还需要冷却和加热来防止尿素溶液的结晶及结冰。尿素溶液的供给系统管子常用不锈钢304管子,尿素系统还要考虑尿素溶液的加注、储存、供给、泄放、调驳,还有个人防护装置如个人防护及淋浴洗眼装置等。淡水系统主要为尿素系统冲流及淋浴洗眼装置用水。SCR系统电气辅助系统主要考虑电气控制箱的布置、监测报警应用及电力负荷的考虑等。

4)SCR系统与柴油机的配合试验后需提交船级社送审并最终拿到船级社排放Ⅲ的EIAPP证书。证书获取方式可以有SCHEME A和SCHEME B两种形式,SCHEME A为SCR系统与柴油机进行工厂胎架试验(FAT)取证,SCHEME B为柴油机和SCR系统上船安装后在船上做取证试验。从建造成本及建造时间上新造船一般按SCHEME A形式取证,同一船东的同一主机系列船可以只做首制船的SCR系统与柴油机配合取证试验,首制船的SCR系统设备发送到柴油机厂家进行FAT试验取证,后续船不需要再进行FAT取证,SCR设备和柴油机直接上船安装后做系统配合功能试验即可。改造船会选择SCHEME B形式取证,设备在船上安装后在船上进行柴油机和SCR系统配合取证试验,如:各报警点试验;报警点停机试验;柴油机各负荷下的尿素喷射催化反应试验;废气排放(EIAPP)试验等。船厂系泊及海试主要为SCR系统功能验证试验,注意海试时SCR试验用油为MGO,所以海试时SCR系统试验一般为最后一个项目,即船舶所有海试试验项目做完后船舶转油为MGO后再进行SCR系统试验,此时SCR系统试验为SCR功能试验,在主机负荷分别为25%、50%、75%、100%工况下,每个工况运行15～30 min,验证SCR系统功能。

3.3 SCR系统各设备的生产设计及安装说明

SCR系统各设备的安装是生产设计的重点,也是设备安全操作运行的前提保证。

1)排气管的布置是SCR系统首要关注点,低压SCR系统按柴油机后排气管通用要求设计,系统中的SCR混合筒和SCR反应器按排气管进行正常布置,设备的维修空间是考虑的重点。低压SCR系统中混合筒到SCR反应器间的排气管一般为不锈钢304钢管,其它管子按普通钢管设计,螺栓及管子绝缘按常用排气管标准进行设计。

高压SCR 排气管布置说明。高压SCR排气管主要指主机高压SCR系统排气管,这是设计中一个难点。主机高压排气管的设计温度通常为450～500 ℃,设计压力为0.5 MPa,高温高压下普通钢管的热变形非常大,排气管要布置合理;排气弯头处支撑支架应能抵御排气流多方向合力冲击;排气管的材质和厚度、隔热保温棉的密度和厚度、排气管及排气管支架热膨胀应力分析、排气膨胀节的选型及布置都需要经专用软件进行仿真计算分析后确定。通过常用的ANSYS软件进行有限元建模,仿真计算管子热态传热、耦合分析、支反力和支反力矩计算,最终确定排气管、排气管支架和膨胀节的整体布置,通过对每段排气管的分析计算及优化,最终完成整个高压SCR系统排气管布置设计。

以某载重量62 000 t船的主机高压SCR系统排气管设计为例。主机高压SCR排气管及排气管支架为不锈钢304材料,排气管厚度为12 mm,排气管支架板材厚度为15 mm,排气支架的方向严格按气流流向合力点反向支撑,绝缘棉厚度为150 mm。每段排气管在车间做1.0 MPa水压试验,所有高压SCR排气管上船安装后做0.75 MPa气密试验,包括厂家供的SCR系统混合管和SCR催化反应器及连接的膨胀节等都要做气密试验。

2)SCR尿素溶液储存及供给系统的生产设计及安装。SCR尿素系统主要以尿素溶液储存舱为核心的尿素溶液注入系统、尿素溶液储存、调驳及供给系统。SCR系统使用的尿素溶液常40%的溶液,弱碱性、无毒、有一定的腐蚀性。尿素溶液储存温度建议0～35 ℃。若机舱温度长期超过45 ℃或者低于0 ℃,尿素溶液储存舱需布置冷却盘管或者加热盘管。尿素溶液储存舱材料可以为不锈钢,也可以是钢板加油漆特涂,尿素溶液储存舱外包保温棉,舱柜集水盘中增加泄露报警传感器。尿素溶液储存舱设置高、低位液位报警和高、低温温度报警,这些报警都连接到SCR系统监测报警系统,所有传感器材料都至少为不锈钢304材质。尿素系统管子主要为不锈钢304材质,系统阀件及安装螺栓至少应为不锈钢304材质,管子垫片通常聚四氟乙烯垫片,设备的泄放水盘用不锈钢水盘或钢质油漆水盘。尿素溶液的加注及使用过程需要充分的防护措施,如连体工作服、围裙、口罩、防化学物质护目镜、防护面具、眼药水,以及应急洗眼装置等。

4 结论

最近几年很多船厂新造船都设计安装了SCR系统,SCR系统的设计和技术运用越来越成熟,更多的船厂和船东了解并采用SCR技术。虽然以LNG和甲醇等为代表的新燃料船舶发展迅速,但SCR技术暂时不会被抛弃,反而会和新燃料新技术并存,现在有很多燃烧LNG的船舶也同时加装SCR系统。随着船舶新法规的不断涌现,气体排放控制区还会不断的扩大,船舶SCR系统技术也会不断的变化。需要通过不断积累,整理出一套完整的SCR船舶技术应用标准,使SCR系统在船舶上的应用更安全、更环保。