船用柴油机SCR系统设计过程影响因素及应对措施研究

邓炯

摘要：柴油机排放的氮氧化物主要是由一氧化氮和二氧化氮组成，这两种类型的氮氧化物对环境和人体健康都具有较大的危害性。目前SCR技术为是公认能满足IMO Tier III排放要求的最为成熟可靠的排放后处理技术。文章针对目前船用柴油机SCR系统船用柴油机SCR系统设计过程影响因素开展分析，得出应对措施。

关键词：船用柴油机 SCR

1.概述

SCR（Selective Catalystic Reduction，選择性催化还原反应）系统主要由SCR蒸发混合器、SCR反应器及SCR辅助系统组成。SCR辅助系统包括还原剂供应系统、吹灰系统及SCR加热系统。还原剂供应系统按照控制策略将还原剂喷入SCR蒸发混合器中，在高温下还原剂迅速蒸发、混合随排气进入SCR反应器，并在催化剂作用下发生SCR催化还原反应，将NOx转化成无毒无害的N2和H2O。对应用SCR系统的船用柴油机开展调研，存在较多共性问题。

2.主要影响因素分析

2.1 SCR系统对发电机选型的影响

伴热系统主要在SCR不工作时，用于对反应器进行预热。在一个完整航次中，仅在码头靠港，即主机停车时，需要启动伴热系统（其他时段可利用主机废气预热）。所以在电力负荷计算书中，各工况的计算以及系数选取，需要特别注意。

发电机SCR系统消耗的电功率较为固定，最大用户为两台尿素泵，总功率只有5kw左右。

SCR系统对船舶电站的影响，除了SCR系统本身消耗的电功率外，还需要考虑SCR空压机功率。

2.2 SCR系统对主机、发电机排气背压的影响

2.2.1主机高压SCR

因主机高压SCR布置于主机增压器前，其对主机排气管系没有直接影响。但需要注意，MAN要求SCR管系（主机集气管-SCR混合管-SCR反应器-主机增压器）自身管路压降小于70mbar，否则将会影响增压器效率。

2.2.2主机低压SCR

主机低压SCR布置于主机增压器后，其设备压降值及管路布置情况，直接决定了主机的排气背压。考虑到排气管系上可能有的锅炉、脱硫塔等，布置难度不小。

目前市面上没有高硫版的主机低压SCR，所以在Tier III模式下主机必须使用低硫油，烟气也就不需要经过脱硫塔处理。这样，SCR和脱硫塔就不会同时使用。为主机排气背压满足MAN的要求提供了有利条件。

2.2.3发电机SCR

目前市面上，发电机只有低压SCR供选择，即SCR组件安装于发电机增压器后。SCR组件以及管路的布置情况，直接决定了发电机的排气背压。

考虑到发电机排气管系上可能会先后安装SCR混合管、SCR反应器、锅炉、消音器、脱硫塔等，系统压降值极容易超出发电机允许范围，需要小心布置，严格核算。

2.3 SCR系统对主机、发电机油耗的影响

2.3.1 主机高压SCR

对于主机高压SCR，即使SCR反应器位于涡轮增压器前，其废气温度在低负荷下仍会偏低。这时需要打开CBV旁通阀，让进入气缸的空气量减少，使得废弃温度升高。同时，燃油消耗率会有所上升，具体差异视温度升高情况而定。

2.3.2主机低压SCR

对于主机低压SCR，SCR反应器位于涡轮增压器后，其废气温度通常不够高。这时控制系统会开启EGB旁通阀，使高温侧的废气直接进入排气管系，升高废气温度。旁通阀的开启，会造成主机油耗的升高，具体油耗差异视温度升高情况而定。

2.4 SCR系统对锅炉的影响

2.4.1 硫酸氢铵

SCR系统中逃逸的氨气将与烟气中的硫化物在温度相对较低的锅炉表面发生反应生成ABS（硫酸氢铵）。ABS的生成数量取决于Tier III模式下主机所使用燃油的含硫量以及SCR反应器中氨气的逃逸量。

如使用含硫量不超过0.1%的低硫油，因硫化物总量较低，生成的ABS也较少。沉积于锅炉的ABS可使用常规方法轻易清除掉。

如使用含硫量超过0.1%的燃油，生成的ABS数量较多。沉积在锅炉中的ABS将相互粘结，难以使用常规方法去除。通常，高硫版SCR将严格控制SCR反应器的氨气逃逸量，但这仍不足以解决锅炉中ABS的沉积问题。MAN推荐高硫版SCR的排气管系中，设计一路锅炉旁通管。在Tier III模式下，烟气从旁通管绕过锅炉。

2.4.2 锅炉蒸发量

主机在Tier II和Tier III模式下，烟气量和烟气温度均有差异。大部分工况下，Tier III模式的烟气量更多，烟气温度更高，使得这时锅炉的蒸发量更大。

2.5 SCR系统对空压机、空气瓶选型的影响

Tier III模式下，SCR系统需要使用压缩空气雾化尿素溶液及为反应罐吹灰、清洁。Tier II模式下，SCR系统也需要通入压缩空气，使管路内保持正压，防止烟气泄入。

为提供SCR系统所使用的压缩空气，需新增SCR空压机和SCR空气瓶或者增大原有空压机、空气瓶容量。

市面上各厂家SCR产品需要的压缩空气量和压力都各不相同，且部分厂家之间相差较大。

3.主要应对措施

3.1 SCR系统对发电机选型影响应对措施

Tier III项目在发电机选型时，需考虑主机SCR系统、发电机SCR系统，以及供气空压机的电功率。具体数据取决于柴油机的功率。

3.2 SCR系统对主机、发电机排气背压的影响应对措施

在设计过程中，应要求厂家提供SCR混合管、SCR反应器的实际压降值，并给出计算过程;联系消音器厂家，要求提供消音器的实际压降值，并给出计算过程;联系锅炉厂家，要求提供发电机测的实际压降值;联系脱硫塔厂家，要求提供实际压降值;联系发电机厂家，增大柴油机允许的背压值。

3.3 SCR系统对主机、发电机油耗的影响应对措施

主机高压SCR及主机低压SCR均会影响主机燃油消耗率。在编写规格书时，需明确区别主机Tier II及Tier III的油耗。发电机SCR对油耗的影响很小，暂不考虑此差异。

3.4 SCR系统对锅炉的影响应对措施

1）设计过程中，Tier III的项目在规格书谈判阶段，需明确主机和发电机都配备低硫版SCR。避免排气管系中设置额外的旁通管路，增加船厂布置难度。

2）在规格书中，需要明确锅炉的蒸发量是基于Tier II还是Tier III的烟气数据，以免后期产生争议。

3.5 SCR系统对空压机、空气瓶选型的影响应对措施

空压机、空气瓶的选型，要充分考虑SCR系统的耗气量，留充足的余量。规划出合理的空压机启停时间。如果条件允许，可将SCR空压机与杂用空压机设定为互为备用，改善空压机运行条件，增加系统的可靠性。

4.结论

文章对船用柴油机SCR系统船用柴油机SCR系统设计过程影响因素开展分析，得出应对措施，可为船厂设计SCR系统提供经验支撑。

参考文献：

[1] 汪颖异.绿色燃料，谁将胜出[J]. 中国船检. 2020（09）

[2]吕晓辉，李家帅.基于SCR系统的船舶排放设计和测试[J].中国修船. 2019（06）