船舶廢氣SCR系統設計及應用

姚堂毅,吳騰,黎燕娟

(中國船舶黃埔文沖船舶有限公司,廣州 510715)

隨著國際海上運輸的不斷增長,船舶航行產生的NOx排放量也在持續增長。目前所有的港口國家都在極力控制海上航運帶來的空氣污染。根據MARPOL附則標準規定,NOx排放劃分別是Tier I、Tier II及Tier III。以目前的柴油機排放技術可以滿足Tier I及Tier II;對于Tier III排放標準,由于技術要求較高,柴油機本身的技術已無法達到要求,需借助外部措施才能實現[1]。當前能夠借助的外部處理技術包括有雙燃料內燃機技術(DF)、廢氣再循環技術(EGR)和選擇性催化還原技術(SCR)。各技術的優缺點各有不同,分別是通過在廢氣排放的前、中、后3個階段進行技術介入進行處理,在考慮實用性及經濟性方面,選擇性催化還原技術(SCR)的實現較為容易。為探討船舶廢氣SCR處理系統的實際應用和設計技術問題,以85 000 DWT散貨船建造為例,分析該型船的SCR系統設計原理、系統組成結構、設備安裝以及管系設計要求和技術要點。

1 船舶SCR系統設計要點

1.1 系統組成

實際的系統設計通常根據排放要求針對輔機和主機分別設計兩套SCR系統。輔機的SCR系統設計在輔機排氣出口位置,根據排放壓力設計為低壓SCR系統;主機SCR系統設計在排氣增壓器前端[2],為高壓SCR系統。

典型的SCR系統組成結構見圖1。

圖1 SCR系統組成及主要部件

圖1中,混合管是使尿素溶液和廢氣進行混合的主要場所,SCR反應器作為SCR系統的主要設備,是進行氣液混合體催化還原反應的主要場所。泵組單元作為動力裝置,主要為混合管提供尿素溶液,使尿素溶液在一定壓力下噴射進入混合管內,與廢氣進行充分混合。計量單元作為檢測和控制裝置,用來計量控制通過噴槍的尿素溶液的噴射量,通過即時檢測廢氣排量并控制噴槍的噴射量來提供適量的尿素溶液,避免混合管內因被噴射進過量的尿素溶液,反應不充分等對排煙管和其他設備造成腐蝕損害。

1.2 系統設備安裝

根據船舶空間結構進行SCR系統設備的布置設計,如反應器、混合管等主要設備體積龐大,須充分考慮設備進出及維護空間,使系統管路設計最優化。對于后期加裝SCR系統的船舶,在系統整合方面需充分考慮安裝空間和維護條件。

1.2.1 反應器設置要點

根據主/輔機的排氣量等相關參數計算來核定SCR反應器的反應接觸面積和設備體積。該設備是整個SCR系統中體積最大的設備,因此必須提前考慮其在機艙中的固定位置。針對散貨船和集裝箱船型等,該設備一般設計在機艙上平臺靠近煙囪的區域,安裝設計保留足夠的催化劑的加注作業空間和設備的檢修位置。反應器設置有單獨的安裝基座,并給基座做獨立的固定支撐加強[3]。設備安裝結構見圖2。

圖2 SCR反應器安裝示意

考慮到設備操作高度和防止振動,圍繞設備配置了多個檢修和操作平臺。為避免SCR系統失效造成堵塞等情況,同時方便船舶在非排放控制區海域航行時進行排放模式切換,在廢氣SCR反應器設置時,同步設置旁通管路,與反應器集成在一起,通過遠程遙控閥進行控制,使系統更加簡潔和緊湊。

1.2.2 混合管及噴槍組件設計要點

混合管是尿素溶液與廢氣混合的場所,其結構見圖3。

圖3 SCR混合管及噴槍

混合管的直徑和長度需經過計算驗證,以保證直徑尺寸和長度尺寸足夠,否則廢氣和尿素溶液無法充分混合。由于混合管靠近柴油機排氣出口,溫度較高,所以安裝設計時需充分考慮安全及保溫措施,同時充分考慮預留足夠的安裝空間[4]。

在混合管進口設置溫度傳感器,及時監測混合氣體的溫度,避免由于溫度過高或者過低,導致催化反應失效或者硫化物結晶析出,腐蝕柴油機及相關管路?；旌瞎茉O計布置在反應器下方靠近反應器的位置,保證催化還原反應的效率?；旌瞎茌S向尺寸較大,安裝時考慮部署空間,并做好空間預留。

1.2.3 尿素泵站和計量單元設置要點

泵站單元需安裝在低處,其位置設置在靠近尿素儲存艙的吸口處,保證尿素溶液具有持續向上的正向壓力。計量單元設計安裝在靠近混合管噴槍接口的位置,保證檢測的準確性;其高度低于噴槍的接口,以避免連接噴槍的尿素溶液管路不出現U形彎[5]。

1.3 系統管路設計

1.3.1 主機SCR管路設計要點

船舶柴油機的廢氣排出管路設置起點是排氣出口端,一直延伸到煙囪頂部。在主要設備定位之后,需要對排煙系統和SCR管系進行整合,以保證兩個系統能形成閉合回路,同時又不影響排氣系統原本的功能?？紤]到SCR系統的排氣管直徑比較大,布置較為困難;作為機艙內管系設計的難點之一,提前做好整體的布局策劃[6]。

1)氮氧化物傳感器安裝位置設計。傳感器設計安裝在水平管時,其安裝位置應設計在水平管正上方,或者與垂直線在±80°的夾角范圍內;在垂直管路上安裝的傳感器,則其安裝座設計為傾斜角度不大于10°;該傳感器安裝位置保證距離增壓器最大距離不應超過10 m,與支管、膨脹節、彎頭和閥等的距離不小于1倍的排氣管直徑。

2)合攏管膨脹節位置設計。由于系統管路內的排氣壓力和溫度較高,管路易產生較大的熱膨脹。因此在管路線膨脹率較大的位置設置膨脹接頭,通過熱量核算確定其需要的膨脹節數量,并在彎曲位置設計適當數量的固定支撐,其支撐樣式和膨脹節設置位置見圖4。

圖4 管膨脹節及支撐位置設計

3)管路支撐結構設計。在彎曲位置附近設置多個固定支撐和彈性支撐。

主機廢氣SCR系統的管路設計可以通過調節主機排氣溫度和排氣壓力來對設計影響進行適當補償;并在支撐位置設計滑動支撐結構來吸收變形,該系統的支撐結構均通過了應力計算,并依據船型結構進行構型設計和角度調整。

1.3.2 輔機SCR管路設計要點

對于輔機排氣SCR系統,輔機SCR系統相比于主機排氣的SCR系統,其安裝位置在柴油機廢氣排出口段,其管路內的排氣壓力和溫度都較低。廢氣通過SCR反應裝置時,為處理輔機排氣的背壓與SCR反應設計壓力一致性問題,通過調整柴油機的出口排氣壓力來滿足系統設計要求。輔機SCR系統整體設計具有占用空間小,重量小,布局緊湊的特點。

1)壓差傳感器安裝設計。SCR系統管路上的傳感器采用了管裝固定方式,通過支架和U形螺栓固定,其垂直安裝高度高于反應器的出口檢測引管位置,并保持持續向上的斜度,以保證系統傳感器檢測的準確性。

2)管路走向設計要點。輔機排氣SCR系統的管路設計要充分考慮反應器進出口傳感器的安裝、可操作和維修空間要求,管路長度不能太長,否則會增加腐蝕及影響處理效果。管路走向設計要點包括:①尿素溶液管路盡量設計設置成垂直走向;②水平方向管路設置不少于2°的斜度;③SCR系統管路與廢氣鍋爐管路采取串聯結構,并設置廢氣旁通管路,避免意外堵塞影響輔機系統正常運轉,同時減少反應物腐蝕鍋爐;④排氣管在設計時充分考慮設備的技術要求,以保證運行時混合氣體的流速和狀態達到設備設計的技術狀態,從而保證催化反應的實際效率;⑤泵站單元到計量單元的SCR管路設計時不宜彎曲,盡量平直,計量單元到混合管噴槍的管路設計路程盡量縮短,距離不超過5 m,不宜有向下的彎曲,管路保持連續向上的斜度。

2 SCR系統實船應用

以85 000 DWT散貨船為例,該船將輔機的低壓SCR系統、主機高壓SCR系統與廢氣鍋爐整合成1套完整的系統,相比單機單臺SCR的系統更加節省成本,節約可用空間和整體的設備重量,系統整體布局見圖5。

圖5 SCR系統整體布局示意

2.1 輔機廢氣SCR系統

85 000 DWT散貨船總長228.90 m,設計吃水11.8 m,垂線間長225.0 m,型深為20.15 m,型寬36.0 m,載重約85 000 t。共設有3臺柴油發電機,發電機排氣系統安裝有低壓SCR除NOx系統;每臺柴油機的廢氣排出管路上均安裝有SCR廢氣處理設備。系統管路上配備有1個泵組單元、1個計量單元、1個廢氣和尿素混合噴管、1臺反應器,相關控制閥件和壓差傳感器等相關組件。系統組成見圖6。

圖6 輔機SCR系統組成

本船設有尿素儲存艙和尿素泄放艙,容積分別為82.1和10.2 m3。尿素管路的材質選用不銹鋼管防止管路腐蝕。3臺柴油發電機的SCR催化反應器均采用豎直方式設計,靠近機艙后壁布置,3臺反應器均布置在機艙棚靠近煙囪的高度位置,依托機艙后壁減少設備震動的危害。

反應器通過單獨的支撐基座進行固定。尿素和廢氣的混合管長度尺寸比較大,需通過貫穿上平臺甲板的方式進行固定,下端連接發電機的排氣口,上端連接反應器;各接口端分別設置溫度傳感器、壓差傳感器和NOx檢測等裝置。該船同時還配備有1臺廢氣鍋爐,其中2臺輔機的廢氣在經過SCR系統處理后,通過排氣管路接入廢氣鍋爐,通過鍋爐對廢氣中的余熱進行回收利用。剩下1臺輔機的廢氣經SCR系統處理后直接引至煙囪,通過排氣管路直接排向大氣[7]。系統反應器進口溫度要求≤425 ℃,出口溫度≤425 ℃;反應器壓差≤1 500 Pa;廢氣處理能力7 403 kg/h。旁通管路集成在反應器設備上,以保證排煙系統在SCR系統停止時能進行正常的工作運行。在系統計量單元等易泄露的位置,需設置單獨的集液盤,再通過泄放管路引致廢液艙回收,系統材質采用不銹鋼材質降低管路腐蝕。實際應用表明,混合管路的長度不能太短,否則尿素及廢氣混合不充分,影響處理效果;混合管路進口和處理設備出口位置需配置NOx檢測裝置,以及時準確檢測處理效果并精確控制尿素溶液的噴射量,充分保護并降低尿素溶液對設備及管路的腐蝕。

2.2 主機廢氣SCR系統

該船有1臺主機,主機采用高壓 SCR 廢氣處理系統,系統由尿素艙,混合管,反應器和NOx檢測、溫度檢測等組成。高壓 SCR 系統應緊靠主機排氣出口設置,SCR反應器設置在機艙上平臺靠右舷的位置,靠近主機廢氣排出口。把SCR系統設置在主機增壓器前的管路上,排煙系統內部的溫度和壓力都很高。在管路安裝設計過程中,需通過膨脹計算確定膨脹節的安裝位置和管路絕熱包覆層厚度等,同時根據膨脹量來設置合適的固定支撐形式和溫度檢測裝置。

由于主機排氣管比較大,機艙棚頂較高,主機SCR系統的管路整體呈水平狀態布置,對主機出口垂直管路做一定的偏轉角度處理,設計支撐受力裝置,防止管路振動和管路自重較大壓壞出口處的膨脹裝置;出口NOx監測裝置布置在管路頂部,方便使用行車檢修。

對維修空間和安全通道進行整合考慮;廢氣混合管等裝置安裝在靠近機艙前壁的位置,需根據走向設置結構化的固定支座。由于主機排氣管溫度較高,管路設計的固定基座結構需通過應力核算和設計定型,膨脹位置固定支座均采用滑動摩擦結構設計進行膨脹補償。將SCR系統的電氣控制裝置布置在遠離高溫SCR管路的位置。廢氣經過SCR系統處理后,由排煙管引入廢氣鍋爐進行余熱回收,通過余熱利用后再排出大氣,從而達到節能減排的效果。

3 結論

1)考慮到SCR催化反應器工作時會產生振動,其基座結構做獨立設計,避免跟其他維護平臺連接,同時基座結構進行獨立強度核算。

2)混合管的長短對廢氣和尿素的混合效果有顯著影響,因此適當增加混合管長度可以提高廢氣/尿素混合效果。

3)根據系統管路走向設置結構化的固定支座,在膨脹較大的管線位置,管線與結構支座之間采用帶滑動摩擦結構的支撐設計,以吸收管線膨脹壓力。

4)尿素管路設計避免存液,積液會加快管路腐蝕;NOx監測裝置和溫度監測器設置在反應器進出口處,以控制尿素溶液噴射量。