船舶柴油机使用SCR技术需解决的问题

2013-11-14大连海事大学轮机工程学院

世界海运 2013年2期

大连海事大学轮机工程学院李斌

2008年10月，IMO海洋环境保护委员会（MEPC）对MARPOL公约附则VI进行了修正，要求2016年1月1日或以后建造的船上安装的柴油机，当船舶在排放限制区内航行时，其NOx排放量的限制值按第三层次标准要求。

SCR技术是目前船舶柴油机达到第三层次排放标准的主要技术措施之一，但对于这一技术在船舶柴油机上的使用在许多方面需要探讨。

一、IMO的排放标准和排放控制区

根据2008年10月通过的修订的MARPOL公约附则VI第13条的要求，对于每台安装于船上的输出功率超过130 kW的船用柴油机，和每台2000年1月1日或以后经重大改装的、输出功率超过130 kW的船用柴油机，其NOx排放都要进行限制，但不同时期建造的船舶以及柴油机的NOx排放的限制值有不同的规定。如图1所示。

对2000年1月1日或以后至2011年1月1日以前建造的船上安装的船用柴油机，其NOx排放量的限制值按第一层次标准要求，即：

（1）17.0 g/kWh，当n小于130 r/min；

（2）45·n-0.2g/kWh，当n等于或大于130 r/min，但小于2000 r/min；

（3）9.8 g/kWh，当n等于或大于2000 r/min。

对2011年1月1日或以后建造的船上安装的船用柴油机，其NOx排放量的限制值按第二层次标准要求，第二层次NOx排放量的限制值约为第一层次标准的80%，即：

（1）14.4 g/kWh，当n小于130 r/min；

（2）44·n-0.23g/kWh，当n等于或大于130 r/min，但小于2000 r/min；

（3）7.7 g/kWh，当n等于或大于2000 r/min。

对2016年1月1日或以后建造的船上安装的柴油机，当船舶在排放限制区内航行时，其NOx排放量的限制值按第三层次标准要求，第三层次NOx排放量的限制值约为第一层次标准的20%，即：

（1）3.4 g/kWh，当n小于130 r/min；

（2）9·n-0.2g/kWh，当n等于或大于130 r/min，但小于2000 r/min；和

（3）2.0 g/kWh，当n等于或大于2000 r/min。

第三层次的排放标准不是全球排放标准，只要求在排放限制区内实施。世界主要工业国和航运大国为了保护当地的海洋环境，都在积极争取将本国或本地区的海域设为排放限制区。目前世界上的NOx排放限制区尚未完全确定，现存的硫排放限制区——波罗的海、英吉利海峡和英国北海将确定成为NOx排放限制区，而地中海、美国东西海岸、澳大利亚沿海都在积极争取获得批准成为NOx排放限制区，见图2。某些区域即使无法获得IMO的批准，也会通过国内立法控制在该国海域的NOx排放。

因此，为了确保船舶在排放控制区内的通行，船舶主机必须通过技术手段达到NOx排放量限制值的第三层次标准。

二、满足第三层次的NOx排放控制技术

目前能够或可能满足NOx排放量的限制值第三层次标准的方法主要包括：（1）低NOx排放发动机技术，发动机主要在工作过程方面的改进，如对进排气过程/供油燃烧过程及其结构参数的优化，采用废气再循环（EGR）技术或进气加湿法等多种技术联合使用；（2）后处理技术，如采用选择性催化转化（SCR）技术；（3）代用燃料，使用液化天然气作为船舶燃料。

选择性催化转化（Selective Catalytic Reduction，缩写为SCR）法是一种废气后处理方法，能够大幅度降低废气中NOx排放，也是目前公认的比较成熟的、能够达到IMO第三层次标准的主要方法。该方法受到了世界主要柴油机生产厂商的普遍关注和重点研究。

SCR系统主要由反应器和尿素系统组成，反应器由陶瓷催化元件组成，尿素系统包括储存、供给、定量和喷射部分以及控制系统。其工作原理（如图3所示）：在300～400 ℃的温度下，以氨或尿素作为还原剂，在SCR反应器中将废气中的NOx还原为N2，以达到减少NOx排放的目的，其主要化学反应方程式如下：

利用催化转化（SCR）法理论上可以除去废气的全部NOx，但为了防止氨漏泄，通常控制使排气中的NOx含量降低90%～95%。尽管此方法在上个世纪70年代在电厂中已开始使用，但应用于燃用重油的船舶柴油机上，仍有许多问题需要解决。

三、船舶柴油机使用SCR技术需解决的问题

首先是排烟温度的控制问题，SCR系统最适合于稳定高负荷的工况，而不大适合于近岸的机动航行和低负荷工况。因为SCR系统需要在300～400 ℃的温度下工作，如果温度过高，氨会被烧掉而不与NO、NO2反应，如果温度太低，会使反应速度太慢，并且硫酸铵凝结会使催化剂被破坏。因此，二冲程和四冲程柴油机SCR装置的布置是不同的。对于二冲程柴油机，SCR装置则应安装在废气涡轮增压器之前，如图4所示，其一定管长的喷射混合管与体积较大的反应器及出口管系布置非常困难，需要设计技巧。同时由于反应器处于废气涡轮前，废气压力要比四冲程发动机SCR系统高得多，因此也称之为高压SCR装置。这一装置对于柴油机的工作影响较大。由于废气涡轮前有反应器，有一定的废气压力（20 k～50 kPa）损失，使得进入废气涡轮的动能减少，进而减少进入汽缸内的空气量。因此需要有增压系统的重新匹配。为了补偿气流流过SCR装置产生的压差，对于大型二冲程低速柴油机，必须使用高效的涡轮增压器。由于SCR装置具有很大的热容量，在柴油机启动和加速过程中，必须将SCR装置旁通，以保证涡轮增压器的工作；而在柴油机降速过程中，又必须使从SCR装置流出的部分废气从涡轮增压器旁通，解决好废气系统的控制和调节问题。在运行于排放控制区内/外的情况下，从经济性考虑，柴油机需要有Tier II/Tier III的切换运行，这也就意味着可以燃用不同等级硫含量的HFO，发动机需要有燃油切换的控制、发动机运行参数的调整、输出SCR装置启用/停止的切换及烟气旁通。此外，低负荷时排气温度过低的问题仍需进一步研究。

对于四冲程柴油机，SCR装置应安装在废气涡轮增压器之后，即所谓的低压SCR装置，这对于柴油机的工作没有太大影响。如图5所示。

第二个问题是SCR装置催化剂的失活问题，这是SCR装置运行中遇到的主要问题，如果工作温度超出催化剂允许的运行温度窗口，就可能产生催化剂的失活问题，在低温时危害尤甚。SCR装置催化剂的失活主要原因是燃油含硫量超过允许范围。船用柴油中硫含量高，燃烧后大多数硫以SO2的形式随排气排出。SCR催化剂会加速SO2继续氧化为SO3的反应，即