基于SCR系统的船舶排放设计和测试

吕晓辉，李家帅

(湖北海洋工程装备研究院有限公司，湖北 武汉 430070)

国际海事组织海上环境保护委员会近年来陆续颁布了“MEPC.198(62)《2011 年关于装有选择性催化还原(SCR)系统船用柴油机特殊要求的2008 年NOx技术规则补充指南》及其修正案”，“MEPC.251(66) MARPOL附则VI和2008 NOx技术规则修正案”等，对船舶氮氧化物(NOx)的排放(约占全球NOx排放总量15%左右[1])提出严格要求。在燃烧过程中形成NOx的先决条件是氮和氧(占柴油机吸入空气的99%)，在柴油机的燃料燃烧过程中氧气被消耗，多余氧气的数量是空气/燃料比的函数，在燃烧过程中大多未起反应；氧气有很小一部分将被氧化形成多种形式的NOx,包括一氧化氮和二氧化氮。NOx能引起酸化，形成对流层臭氧等，对人类健康造成危害。

根据海事组织要求，2016年1月1日或以后建造的船舶上安装的柴油机在排放控制区(ECA)均要满足排放Tier III要求(柴油机转速n<130r/min时，NOx排放限制在3.4 g/(kW·h)以下；130 r/min≤n<2 000 r/min时，NOx排放限制在9×n-0.2g/(kW·h)以下；n≥2 000 r/min时，NOx排放限制在1.96 g/(kW·h)以下)。相比较而言，Tier III排放的应用能比Tier II排放降低约70%，大大改善全球空气质量，缓解日益严峻的环境形势。

1 SCR化学反应原理

SCR系统通过将排放气体中的NOx转化为大气中自然存在的氮气和水蒸气来降低其排放。这个过程需要还原剂(NH3)、足够高的温度和让排放气体通过的催化剂阵列。因NH3不便于搬运和储存，故尿素溶液是最好的替代品，尿素溶液被注入到高温的排放气体流中发生反应，NH3通过如下化学反应形成。

(1)

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SCR系统的反应根据如下化学反应方程式进行：

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(5)

2 SCR系统组成和布置

2.1 系统组成

典型的SCR系统组成见图1，包括满足Tier II要求的柴油机，尿素舱，尿素泵单元(泵排量≥1 m3/h，需提供DNV GL产品证书)[2]，计量单元,混合单元，反应单元,压缩空气瓶和吹灰系统，以及控制单元及其他传感器等。

图1 SCR典型系统组成

2.2 系统工作原理和布置

在MT6023项目中，4台MAN主柴油发电机组(3 500 kW)和1台Caterpillar港泊/应急发电机组(900 kW)分别配备了SCR系统，但共用1个尿素泵单元(包括2台尿素泵，1用1备)、1个船体结构尿素舱和1台控制/监控单元，压缩空气由船舶系统外供过来。

尿素溶液(体积百分数为40%, 规格按照ISO22241-1/2标准)从尿素舱经尿素泵通过闭式循环后回到尿素舱，同时尿素计量单元中的喷射泵能够从尿素循环管线中抽吸尿素至混合单元中并计量，后在压缩空气的作用下在混合单元中进行雾化，同时压缩空气能在起始阶段冷却混合单元中的喷嘴以及在关闭阶段吹扫清洁喷嘴。雾化后的尿素随着高温烟气的流动进入反应单元(钢制壳体，涂有特殊耐高温油漆)，为保证其与烟气充分混合，在进入反应单元前，需要一段至少1.8 m长的直管段，且其材料为耐尿素腐蚀的SS316L不锈钢。反应单元中作为SCR系统核心的蜂窝式催化反应剂，其具有表面积大、活性高、体积小、易于拆卸和装填等优点，占据大部分市场[2]。注意安装时蜂窝孔要与烟气流向一致。此外，在反应单元的进出口配有温度传感器，出口配有氮氧化物成分传感器和压差传感器等，采用闭环的控制反馈系统来监控反应状态。同时根据柴油机提供的负荷信号，控制单元能够控制反应剂的喷射量。

在MT6023实船的主机SCR排烟系统布置中，高温烟气从主机出来后分别流经SCR混合单元、不锈钢直段混合管、SCR反应单元、消音器等从烟囱顶部排外。同时，因烟囱的结构内部空间狭小且烟管管径较大(SCR反应单元进口前部管段直径为800 mm，后部管段直径为700 mm)，需满足主机排气背压的限制要求和部件维护保养空间要求，故整个排烟管路布置较为紧凑。

良好的催化还原反应需要足够的高温条件，过低的烟气温度容易造成反应缓慢，效果差，甚至出现不利于脱除NOx的副反应，如烟气中的H2O、SO2/SO3与NH3生成硫酸铵盐的反应变快，产物覆盖在催化剂表面，降低催化剂活性。MT6023项目根据SCR厂家要求按照280 ℃进行，即要求在涡轮增压器出口后的机组烟气温度至少达到280 ℃，否则需要考虑增加加热装置使烟气温度提高至催化反应温度。

3 排放测试

结合IMO以及船级社要求，总结分析了SCR系统的排放测试取证方案如下，参考MEPC.198(62)(2011)。

3.1 方案一

方案一为对装有SCR系统的柴油机，前期检验发证时，通过台架试验，证明其排放符合性的检验方法。该方案适用于柴油机和SCR系统由同一厂家提供，可在柴油机厂家一次性完成排放Tier III的测试和取证，免于后期上船测试。主要流程为：①资料和图纸送船级社审核(柴油机厂家或SCR厂家进行)；②柴油机+SCR系统台架排放试验；③船级社签发排放符合证书(柴油机国际防止空气污染证书，EIAPP)。

3.2 方案二

方案二由于试验条件限制，无法通过台架试验验证柴油机的排放符合性，通过建模计算和船上初次确认试验等，证明其排放符合性的一种检验方法。主要流程为：①资料和图纸送船级社审核(柴油机厂家或SCR厂家进行)；②模型试验；③NOx转化率计算；④计算工具审批及验证试验(柴油机+SCR)；⑤船级社签发排放符合证书(EIAPP)。

3.3 适用的试验循环和加权因数

对发动机组的每一单机或母型机，应使用3.1和3.2规定的一个或多个试验循环以核实适用的NOx排放限值，参考MEPC.177(58)(2008)。MT6023的主发电柴油机适用E2循环，见表1;港泊/应急发电机适用D2循环，见表2。

表1 应用于“恒速主推进”的E2试验循环

表2 应用于“恒速辅发动机”的D2试验循环

3.4 MT6023实船试验分析

因MT6023项目的独特性，主发电机组、港泊/应急发电机组、SCR系统由不同的生产厂家、不同的国家地区生产，交货周期不同，船舶建造周期紧张，柴油机厂家试验台架难以满足车间Tier III试验要求等，经船级社认可后的实船排放验证试验过程使用“替代方案”。

3.4.1 试验前准备工作

1)柴油机+SCR系统分别完成其自身的船上系统调试，满足完全可操作条件。

2)联系满足船级社要求的排气测试专业实验室/公司，测量仪器需要2 m×2 m的安装操作空间以及电源和压缩空气等,测量用电力负载箱。

3)排烟管上的取样接口点的选取。取样点1位于柴油机涡轮增压器出口后至少10倍管径的直管段上；取样点2位于排烟出口前至少0.5 m或3倍管径(二者取大)的直管段上。提前考虑到设计图纸阶段，可以节省后期现场的修改工作量。

4)试验用燃油(满足ISO-8217 DM级要求)取样。

5)为保证试验数据测量的准确性，对于每台试验柴油机上的仪表需要确保足够的精度和校验有效期。仪表校验要求见表3。

表3 仪表校验要求

有效期是指在做试验前的3个月，因为柴油机机组配置不同，上述仪表有的是机组自带，有的需要在外部管路上额外配置，如能在设计图纸阶段提前考虑上述要求，可以节省后期现场的修改工作量。

6)试验前需提交船级社认可的资料：测试计划安排(包括每个测量负荷下的功率修正)；每台柴油机的技术文件；校验证书(功率、消耗、压力、温度等)；冷却水系统和燃油系统原理图等。

3.4.2 试验过程

1)船级社须在船上查验所有在排放技术文件中指定的、和NOx相关的机组零件的IMO零件号，对于4台主发电机组，每一台均需现场核对。

2)柴油机+SCR系统设定为柴油机进气系统(在额定转速和负荷下，干净的空气滤器进气压力对应值)；最大的排气背压系统(在柴油机技术文件中的额定转速和负荷下的背压值，允许偏差±6.5×102Pa)；增压空气冷却系统。

3)所有柴油机须在Tier II和Tier III模式下运行测试，分别测量排放成分，如CO、CO2、HC、NOx等。

4)由于不同的布置，主、辅柴油机必须使用不同的程序分别进行测试。具体测试要求为：①测试需在海上或者码头进行，需具备良好的天气状况和正确的船舶吃水。②使用化学发光分析仪、顺磁分析仪、红外分析仪等对排放气体成分(CO、CO2、HC、NO)测量。

5)测量稳定负荷后的机组参数(柴油机转速、电功率数据和功率因数等需满足试验要求)。

6)测量、记录排气数据；检查排气测量设备；测量环境状态(温度、湿度、大气压力)；在取样点测量排气温度。

7)柴油机+SCR参数测量(温度、压力等)。测量、记录和平均测量值(除了上述排气测量)。选取4台主柴油机组中的1台作为母型机，按照E2模式4个负荷分别运行，测量30 min，预计完成时间为5～6 h。该机组测量的排放II和III数据可以涵盖其他3台作为成员机的主柴油机组。

8)1台港泊/应急柴油机组按照D2模式5个负荷分别运行，测量30 min，预计完成时间为5～6 h。测量完成后，燃油需要取样分析。

9)测量完成后，出具排放试验分析/报告，包括排放结果、使用的设备证书、燃油取样。

10)提交完工资料，船级社发EIAPP Tier III证书。

4 结束语

基于当前国际背景下的船舶节能减排的必然趋势，结合在建船舶独特的SCR系统，将其工作原理、系统组成、设计布置等进行了研究，并对实船排放Tier III的测试过程和公约规范的要求进行了分析总结，能够为实船的排放测试起到参考意义。