选择性催化还原系统在全回转拖轮上的应用.pdf

21 选择性催化还原系统在全回转拖轮上的应用选择性催化还原系统在全回转拖轮上的应用 卢 浩（浙江凯灵船厂，浙江舟山 316000）摘摘 要：要：阐述全回转拖轮上选择性催化还原（SCR）系统的设计和应用，详细说明 SCR系统的基本原理、组成及设计的关键点，对 SCR 系统在全回转拖轮上的设计应用具有一定的参考价值。关键词：关键词：选择性催化还原（SCR）；全回转拖轮；设计；应用 中图分类号：中图分类号：U664.8 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.007 Application of Selective Catalytic Reduction System on Full Rotary Tug LU Hao(Zhejiang Kailing Shipyard,Zhoushan 316000,Zhejiang,China)Abstract:By elaborating on the design and application of selective catalytic reduction(SCR)system on fully rotary tug,the basic principle,composition,and key design points of SCR system are explained in detail,which has certain reference value for the design and application of SCR system on fully rotary tug.Key words:selective catalytic reduction(SCR);full rotary tug;design;design;application 0 引言引言 选 择 性 催 化 还 原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系统中，在催化剂作用下，还原剂有选择性地与来自船用柴油机氮氧化合物（NOx）反应，生成无毒无污染的氮气和水。目前，氨气（NH3）是一种应用广泛的还原剂，但是氨气不易携带。因此，可以用40%尿素溶液通过热解和水解反应生成氨气，其反应流程如图1所示1。图 1 SCR 系统流程图 作者简介：卢 浩（1978），男，工程师。研究方向：轮机工程。40%尿素液 CO(NH2)2+H2O 尿素的热解反应 CO(NH2)2NH3+HNCO 尿素的水解反应 HNCO+2H2ONH3+CO2 标准 SCR 反应 4NH3+4NO+O24N2+6H2O 快速 SCR 反应 4NH3+2NO2+2NO4N2+6H2O 22 cademic Research 技术交流 A 由图1可知，在SCR系统工作流程中，柴油机原始排放的烟气中含有一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、氧气（O2）和其他气体及杂质。40%体积分数的尿素溶液喷射至混合管后呈雾状，通过柴油机高温烟气加热进行热解反应和水解反应，生成氨气（NH3）。氨气随着柴油机烟气进入反应器后，在高温条件和催化剂的作用下，氨气（NH3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和压缩空气中的氧气（O2）进行化学反应，最后生成无毒无害的氮气（N2）和水（H2O），从而达到减少氮氧化合物（NOx）排放的要求2。1 面临的问题面临的问题 随着国内部分港口的Tier 排放要求日趋严格，用于港口作业的全回转拖轮也逐渐开始安装SCR船用脱硝系统。技术较为成熟的全回转拖轮设计和建造，又面临全新的问题，主要有4点：1）柴油机、SCR系统配套设备和其他设备的选型；2）SCR系统设备多、尺寸大，造成机舱及舵桨舱布置困难；3）还原剂的存储要求；4）SCR系统管路布置3。2 设备选型设备选型 2.1 柴油机的选型柴油机的选型 由于选择性催化还原的反应条件以及尿素溶液的物理特性，柴油机选型应合理。尿素溶液喷射后的汽化条件：尿素溶液在烟道中需通过压缩空气混合雾化后，再经柴油机排气热量加热至250 以上，使尿素溶液保持在汽化状态；然而，排气温度达到一定高限值后，反应器内部的催化剂又将因高温而失去效用，使得反应无法进行4。基于以上2个限值，在柴油机选型时，排气总管出口温度应合理选择，一般在柴油机25%工况时的柴油机排气总管出口温度应高于尿素汽化所需温度20 以上，以确保排气温度在反应之前始终能保持在250 以上，柴油机100%工况时，柴油机的排气总管排气温度应低于催化剂失效的温度。目前，国内常用的催化剂失效温度在550 600。2.2 SCR 系统配套设备选型系统配套设备选型 SCR系统设备一般由设备厂整体提供，SCR系统配套设备选型需要考虑以下问题：SCR系统运行时，需要大量的压缩空气进行雾化、参与反应及对反应器内部进行吹扫，耗气量较大。在空压机选型时，应设置1台专用空压机以及专用空气瓶，空压机及空气瓶应根据SCR系统耗气量进行计算，选型时应注意留有一定的余量，否则会因供气不足造成SCR系统无法正常工作，无法达到烟气氮氧化物减排的效果，又或者造成SCR空压机长时间处于工作状态，缩短空压机使用寿命5。若船上空间允许，建议再设1台空压机进行备用，或将船上其他空压机作为备用。备用空压机的总排量需满足SCR系统的压缩空气消耗量要求。2.3 其他设备的配置选型要求其他设备的配置选型要求 SCR系统设备较多且尺寸较大，易造成机舱、舵桨舱设备布置空间紧张，因此其他设备选型时，在功能满足的情况下，应尽量选择尺寸较小的设备，以免对整个机舱和舵桨舱的布置产生影响。此外，40%尿素溶液虽然相对氨水较为安全，但也存在氨气泄漏的情况。根据中国船级社选择性催化还原（SCR）系统船上应用指南（2022）的要求，须在船上合适位置配备洗眼装置，并为船员提供必要的保护设备（如大围裙、橡胶手套、橡胶靴、防化学物质材料的连体工作服、口罩、防化学物质护目镜或面具等）。3 船体结构及设备布置优化船体结构及设备布置优化 由于SCR系统设备较多、尺寸较大，且随着配套设备的增加，造成机舱及舵桨舱布置困难。在设计初期，应向SCR系统供应厂商取得SCR系统主要设备尺寸（包括混合管、反应器、消声器、尿素溶液罐、尿素泵组以及相关监控设备），特别是混合管、反应器及消声器的尺寸，并对设备厂提出相关尺寸限定要求。根据舵桨舱空间尺寸，考虑反应器和消声器是整合一体还是分开设置。必要时需对舵桨舱及机舱空间进行结构优化，并考虑适当增加舵桨舱及机舱的长度。同时，也可采用造船三维建模软件进行放样，确保机舱和舵桨舱有足够空间安装SCR系统；SCR系统设备不仅有对操作空间的要求，还有对运营中更换催化剂等拆检空间的要求，23 三维建模时应充分考虑设备的操作维护空间，以确保SCR系统设备顺利安装以及运营中设备拆检维护。4 还原剂的储存要求还原剂的储存要求 尿素溶液的存储适宜温度为5 35，尿素低于5 易结晶，高于35 则会因加速反应而变质，储存期会变短，这也对尿素舱的设置提出一定要求。对南方港口拖轮而言，主要考虑高温影响，可以考虑将尿素舱设置在双层底内，采用船壳外海水冷却船底进行换热。对北方港口拖轮而言，需考虑冬季低温及舱内高温对其影响，可以将尿素舱设置在船舱内，避免冬季低温对尿素溶液的影响；在尿素舱内设置冷却盘管进行冷却，避免舱内因高温对尿素溶液产生影响。5 管路设计优化管路设计优化 与SCR系统相关的管路有：排气管路、尿素管路和压缩空气管路。SCR系统管系如图2所示。图 2 SCR 系统管系原理图 5.1 排气管路设计排气管路设计 由于全回转拖轮空间有限，在排气系统中增加了混合管及反应器，给排气管的布置带来难度。全回转拖轮的排气方式有尾排和上排2种方式，若柴油机采用上排气方式，烟囱高度将会影响驾驶室视线、船舶外观、靠泊作业，或者排气管在机舱或机舱棚内占据大量空间，造成空间拥挤，不利于人员通行和设备保养维护。因此，对于排气管的布置，一般建议采取船尾排气的方式。由于烟气温度经过排气管后会有热量损失，排气管长度越长，热量损失越大。如果烟气温度在反应器之前低于250，则可能会导致SCR系统无法正常工作。为避免热量损失过大，可采用以下措施：1）可以适当增加隔热层厚度，做好保温措施；2）减少柴油机与反应器之间的排气管长度，将管道之间的烟气温度损失控制在20 以下。若因空间及设备的布置，使得排气管热量损失较大，造成反应器处温度达不到尿素喷射温度的要求，则可考虑在混合管路之前增加烟道加热器。在低工况时，对烟气进行加热，在温度满足要求时停止加热，由SCR控制系统进行自动控制。5.2 尿素管路设尿素管路设计计 因尿素溶液呈弱碱性，对普通碳素钢具有一定的腐蚀性，因此在尿素输送管材料的选用上尽量采用耐尿素腐蚀的材料，如：不锈钢316L（022Cr17Ni12Mo2）。在布置尿素管时，应尽量避免出现“U”形走向，防止SCR设备在长时间停用时积聚尿素溶液；在机舱高温条件下，长时间的水分蒸发会造成尿素变质、结晶沉积，从而导致尿素管流通面积减小甚至堵塞。5.3 压缩空气管路设计压缩空气管路设计 压缩空气管的管径应严格按照SCR系统设备资料要求进行设计，否则将导致供气量不足，造成催化还原反应不能完全进行，使得脱硝效果达不到要求。同时，也会导致吹扫效果不佳，反应器内部积灰严重，不仅使SCR系统无法正常工作，还会造成排气背压增大，从而需经常拆除清洗，增大日常保养工作量。（下转第（下转第32页）页）32 cademic Research 技术交流 A 劳方式逐步扩展，导致叶轮叶片疲劳失效并断裂，故涡轮叶片晶粒粗大是导致叶片断裂的主要原因。3 改进措施及验证改进措施及验证 针对涡轮叶片断裂故障的原因，生产厂家采取了相应的改进措施，改进了涡轮浇铸温度控制要求，减小浇铸温度控制范围，避免浇铸温度接近上限值、下限值。按照上述改进措施，选择了符合改进后浇铸温度要求的增压器对故障增压器进行更换，并在后续船的电站柴油机上进行验证。至今，更换后的涡轮增压器已运行超过3 000 h，增压器涡轮叶片未出现类似裂纹、断裂的故障。4 结论结论 综上分析，涡轮浇铸温度趋近于浇铸控制温度范围的上限值，导致叶片局部区域的结晶晶粒偏大，使得涡轮叶片的抗疲劳能力下降，又因涡轮叶片在工作过程中长期受到交变载荷的作用，在粗大晶粒处萌生裂纹，裂纹以疲劳方式扩展，最终导致涡轮叶片断裂。减小涡轮浇铸过程温度控制范围后，经过超过3 000 h的验证，涡轮叶片未再出现裂纹或断裂的情况。此次故障原因分析和排查工作表明，国内引进专利的柴油机某些零部虽已完成国产化工作，但仍需在原理、工艺方面进一步优化，要严格控制工艺过程中关键参数，将关键参数控制在要求范围内。参考文献参考文献：1 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器M.北京:机械工业出版社,1992.2 黄立,陈晓轩,李先南,等.船用柴油机涡轮增压技 术 发 展 现 状 J.推 进 技 术,2020,41(11):2438-2449.3 屈永豪.连铸坯凝固过程热应力分析及宏观组织模拟D.河北秦皇岛:燕山大学,2021.4 仲红刚.连铸坯凝固过程热模拟研究D.上海:上海大学,2021.5 刘淑华,马辰生,刘志坚,等.某型增压器涡轮叶片断裂失效分析J.铁道机车与动车,2020,(6):43-45.（上接第（上接第 2323 页）页）若压缩空气管路过大，则易造成耗气量增加，使得船上压缩空气供应不足。管路上的电磁阀和空气减压阀一般由SCR设备厂家进行计算选型与供应，以确保SCR系统压缩空气供应量。此外，由于反应器在吹扫时，压缩空气在短时间内消耗量较大，会造成压缩空气管路压力急速降低。因此，SCR压缩空气管路应与船上其他控制空气管路分开，以防互相干扰。6 结论结论 综上所述，随着国内部分港口逐步施行Tier 排放要求，越来越多的船舶尤其是港口作业的全回转拖轮也即将面临排放要求。作为有效减少NOx排放的SCR系统，也会逐渐被配置在新 建全回转拖轮上。浙江凯灵船厂为深圳某港口建造的配备SCR系统的全回转拖轮在建造时总结的经验可为造船工作者提供参考与借鉴。参考文献：参考文献：1 中国船级社.选择性催化还原(SCR)系统船上应用指南S.2022.2 中国船舶集团有限公司第七一一研究所.低压选择性催化还原(SCR)系统操作维护手册R.2020.3 朱元清.船用低速柴油机 SCR 技术的发展与应用J.船舶工程,2020,42(10):12-17.4 赵晓明,李双明.6135 型柴油机 SCR 催化器结构优化分析J.机电设备,2020,37(4):4-8.5 彭陈.二冲程低速船用柴油机 SCR 系统的技术分析与应用J.船舶工程,2021,43(12):106-109.