浅述船用SCR技术及应用

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：随着排放法规要求的日益严格，船用柴油机上配备排放后处理装置已成为大势所趋。选择性催化还原（SCR）技术是目前最流行和成熟的机外净化技术，国际海事组织（IMO）已于2011年7月将这一技术列为了船舶柴油机NOX排放控制技术导则方案。本文主要介绍了船用柴油机SCR技术及其应用。可以预测，船用SCR系统在未来的全球市场前景将极为广阔。
　　关键词：船用柴油机 SCR技术 排放控制
　　1.引言
　　随着世界贸易的不断发展和经济全球化的进一步深度融合，船舶对大气和海洋环境的污染也日益加剧。为减少海洋污染、维护地球环境，IMO于2008年10月正式通过了MARPOL 73/78公约附则VI的修正案《NOX技术规则》，对船用NOX的排放标准和排放控制区域进行了规定，提出了3个阶段的NOX排放限值要求，其中第三阶段的NOX排放限值要求为3.4 g/kW?h，这意味着第三阶段排放物限值的降低量要达到第一阶段的80%以上。为应对如此严格的NOX排放标准，降低NOX排放已成为船用柴油机制造厂商和科研人员的关注重点，而在船用柴油机上配备排放后处理装置已成为大势所趋。SCR系统是目前最流行和成熟的排放后处理装置之一，IMO已于2011年7月将这一技术列为了船舶柴油机NOX排放控制技术导则方案。
　　2.船用SCR技术
　　2.1船用柴油机SCR系统
　　船用SCR系统主要由还原剂存储及供给系统、计量供给单元、混合装置、SCR反应器、催化剂载体、吹灰装置、控制系统等组成，如图1所示。根据布置方式不同可分为高压和低压系统两类，高压系统催化剂反应器布置在增压器之前，而低压系统布置在增压器之后。
　　还原剂存储及供给系统主要是指尿素罐、尿素喷射泵、喷嘴、尿素供应管等，尿素泵将尿素罐中存储的尿素还原剂打入还原剂加料供给装置中，还原剂加料供给装置根据柴油机的运行状况调整进入喷嘴的尿素流量。计量供给单元主要包括压差计量装置、尿素/压缩空气转换装置、控制装置和压力缓冲装置等。尿素/压缩空气转换装置根据需要转换内管介质，SCR工作时内管介质为尿素溶液，SCR旁通模式时内管介质为压缩空气，以此避免尿素喷射器过热损坏。混合装置的设计是SCR系统设计的重要组成部分，在进入反应器之前，尿素还原剂通过压缩空气被喷射进入混合装置，在混合管路中与废气混合。压缩空气与尿素溶液在喷嘴的喷头末端混合，将尿素溶液雾化后喷射进入废气中，尿素在混合管路中转化为氨水，在到达反应器前与废气均质混合。整个混合装置主要包括尿素喷嘴、静/动态混合器、混合管路等。
　　SCR反应器是SCR系统的关键设备，它是废气与催化剂发生选择性催化还原反应的场所。反应室多采用固定床式，根据不同要求，反应器可采用水平或垂直方式布置。催化剂作为SCR系统的核心，其活性和结构参数直接决定着整个系统的性能，目前采用的SCR催化剂大多为V2O5-WO3/TiO2载体型催化剂。在设计和选择SCR催化剂载体时需综合考虑催化剂的活性参数和结构参数，以最大限度优化SCR系统的性能和结构尺寸。
　　为减少灰尘在催化剂表面的沉积，有效提高NOX的脱除率，通常在SCR反应器内部安装吹灰装置。目前应用较广的吹灰装置是压缩空气式吹灰器，该装置利用压缩空气管路上的喷孔实现吹灰。整个装置主要由压缩空气储存罐、空压机、吹灰喷嘴及气动流量阀等组成。SCR控制系统主要包括还原剂喷射控制、废气旁通控制和吹灰控制三大部分，根据主机的负荷及转速调节尿素的供给量，从而实现对喷入所需还原剂量的有效控制。同时，也对旁通系统和吹灰系统的压缩空气量进行控制，此外，还包括对全工作过程的状态监测和报警。
　　2.2应用
　　2.2.1 国外应用
　　在船用SCR系统研发和应用方面，国外的研发更早，应用更多。早在1989年，MAN B&W公司就已在6S50MC船用柴油機上安装了SCR系统。2011年，MAN公司研发了紧凑型SCR系统，并首次将其应用在6S46MC-C8型船用柴油机上。2015年，CCS船级社向MAN公司颁发了首张适用于MAN 21/31柴油机组、满足IMO Tier III排放要求的EIAPP证书，以及全球首张船用中速柴油机全系列SCR系统原理认可证书（AIP）。
　　1992年，瓦锡兰公司第一次在船用柴油机上配置并安装了SCR系统。此后，该公司对船用SCR系统持续投入研发，至2006年已在100多台船机上安装了SCR系统。2008年，瓦锡兰公司又开发了低温SCR系统，使得柴油机在较低排气温度时也可达到较高的脱硝率。2011年，该公司又与ABB公司联合瑞士Hug Engineering公司共同研发出了新型SCR系统，该系统比传统SCR系统体积小80%，在节省成本的同时更便于船上安装布置。
　　2011年，韩国现代重工首次发布了其自主开发的SCR系统，并通过了KR船级社的认证。2013年，韩国Doosan公司发布了其自主研发的低温SCR系统，该系统可在较低的柴油机排气温度下降低90%以上的NOX排放量，完全符合IMO Tier III排放要求。2014年，该公司签订了8台配备低温SCR系统的船用低速柴油机供应合同，实现了低温SCR系统的商业化应用。
　　2010年，日本日立公司在6S46MC-C8船用低速柴油机上安装应用了全球首台满足IMO Tier III要求的船用SCR系统。2011年，日本NPS公司对装船测试满足Tier III要求的船用SCR技术进行了研究。同年，日立公司的SCR系统获得了NK船级社的许可，在之后的3年里对该系统进行了实船实海域调试，2014年该系统获得了MAN Diesel & Turbo公司的首次许可，并成为德国指定的唯一船用SCR系统供应商。
　　挪威YARA公司作为一家SCR系统和零件的专业供应商，可满足SCR控制系统、催化剂、泵站、吹灰系统等方面的众多需求，2016年为韩国现代公司提供了SCR系统中的大部分零件。2015年，菲亚特动力科技在第十四届中国（上海）国际动力设备及发电机组展览会上展示了其高效SCR后处理系统（HI-eSCR）发动机，该系统为目前全世界唯一满足Tier 4B排放标准的系统。2015年，卡特彼勒公司制造了CatTier4FinalC280-16发电机组，该发电机组为该公司制造的使用柴油电推的最大发电机组，使用SCR技术使得运营成本降至最低，同时也充分考虑了船舱结构，尺寸紧凑便于布置。 　　2.2.2国内应用
　　相较于国外，国内对船用SCR系统的研究应用起步较晚。2001年，广船国际有限公司在船舶主机上引入了德国西门子公司研发的SCR系统。2004年和2010年，南京金陵船厂分别使用了Munters公司的SCR系统。2015年，中船重工711研究所获得了CCS颁发的国内首张满足IMO Tier III排放限值要求的SCR产品AIP证书。
　　广西玉柴经过大量实验研究，于2014年1月成功研发出国内首套满足IMO Tier III排放限值要求的柴油机系统。该系统将SCR系统与电控单体泵燃油系统相结合，在不影响柴油机性能的情况下，可较大程度减少柴油机NOX排放。
　　沪东重机有限公司与上海中船三井造船柴油机有限公司于2012年开始开发SCR系统，于2015年成功研制出世界首套WINGD低速柴油机高压SCR系统（HP-SCR）及国内首套MDT低速柴油机HP-SCR系统。随后的两年多里，经过一系列实船测试，于2017年8月顺利完成七大船级社型式认可试验，并提交首台商业订单。2018年9月，又全新发布了低压LP-SCR系统产品，截止2018年12月，已手持SCR系统订单60余套。
　　2016年12月，大连船柴集团与中船重工第711研究所联合开发的LP-SCR系统顺利通过各项测试。试验结果表明：在满足最大氨逃逸率限值的情况下，该LP-SCR系统可以使目标柴油机的NOx减排率达到80%以上，完全满足IMO Tier III的排放限值要求。
　　2017年6月28日，中船动力有限公司引进瑞士Hug公司技术生产的船用中速柴油机低温SCR系统完成了台架测试和验收试验，并顺利通过了BV和DNV-GL的认证。该型SCR系统具有高度自动化的特点，可根据柴油机的不同工况自动调节尿素溶液的喷射量，且集控室的显示屏能够随时调看SCR系统各部分的运行状态参数，同时兼具监测和报警作用，这是我国生产的首套满足IMO Tier III排放标准的低温SCR系统，也是我国生产的首套高度自动化的SCR设备。其后，又先后分别取得CCS、BV、DNV-GL、KR、LR等各大船级社颁发的带SCR的Tier III排放证书。目前，公司已完成和手持SCR订单数量已近150台/套，已成为国内最大的船用中速机低压SCR系统配套生产厂商。
　　2017年11月，青岛双瑞公司在中国船舶重工集团柴油机有限公司（中国船柴）完成了满足IMO Tier III标准的MDT柴油机FTA台架试验，并顺利通过了CCS、DNV-GL、LR三大船级社的认证。该系统针对船舶设备的特殊运行环境进行了量身设计，适用于高硫或低硫燃油工况。系统充分考虑了操作维护的便利性，大幅减轻了船员的工作负担。同年12月26日，青岛双瑞公司举行首个船用低速机高压SCR系统合同签字仪式，标志着青岛双瑞公司正式进军船舶SCR系统市场。
　　2018年3月，由中国船柴大柴公司进行生产的第一台带高压SCR系统的6S35ME-B MK9.5智能型主机成功交验。该主机通过配置高压SCR系统，保证了主机在使用高硫燃油的情况下，氮氧化物排放仍能满足IMO Tier III限值要求。据悉，这是世界首套将SCR旁通阀布置在排气定压管内的SCR系统，技术难度高、要求严格。
　　总体来看，当前国内船用SCR系统的研究开发应用已取得了一定进展。随着2016年IMO Tier III的正式實施，可以预见，未来全球船用SCR系统的市场前景将极为广阔。因此，各科研院所、生产企业应加快研发速度并加大投入，以期让我国的船用SCR系统在国际市场上能占据一席之地。
　　3.结论
　　随着排放要求的日益严格，在船用柴油机上配备排放后处理装置已成为大势所趋。在众多排放后处理技术中，目前最流行和成熟的技术为选择性催化还原（SCR）技术，IMO已于2011年7月将这一技术列为了船舶柴油机NOX排放控制技术导则方案。因此，本文主要介绍了船用SCR技术及其应用。
　　船用柴油机SCR系统的主要构成包括还原剂存储及供给系统、计量供给单元、混合装置、SCR反应器、催化剂载体、吹灰装置、控制系统等，根据布置方式不同主要可分为高压和低压系统两类。在船用SCR系统研发和应用方面，国外的研发更早，应用更多。MAN B&W公司、瓦锡兰公司、韩国的现代重工和Doosan公司、日本的日立公司和NPS公司、挪威YARA公司、菲亚特动力科技及卡特彼勒公司等众多国外公司在船用柴油机SCR技术应用领域均有所建树。国内对船用SCR系统的研究应用则相对起步较晚，但也已取得一定进展，一些科研所、造船厂和主机厂在船用柴油机SCR技术上也都有了一定的研究应用，未来全球船用SCR系统的市场前景将极为广阔。
　　参考文献：
　　[1]吴哲，陈永艳，曹林.船用柴油机应对IMO Tier Ⅲ排放法规的路线选择[J].船舶工程，2015，37，25-29.
　　[2]HERDZIK J.Emissions from Marine Engines versus IMO Certification and Requirements of Tier 3[J].Journal of KONES Powertrain and Transport，2011，18，161-167.
　　[3]王耀霖.船舶尾气高效脱硝系统的开发与优化[D].浙江大学，2017.
　　[4]郭忠华.浅谈船用低速柴油机SCR后处理系统发展现状与趋势[J].广东造船，2017，156，78-80.
　　[5]徐飞.船舶柴油机SCR系统闭环控制策略研究[D].哈尔滨工程大学，2017.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-15106061.htm