某85000DWT散货船SCR供气系统设计优化方案

陆淦金 石保国 何新式

摘    要：基于还原催化法（SCR）脱硝系统的基本原理，讨论压缩空气供应对SCR系统正常工作的作用。本文以某85000DWT散货船主辅机SCR系统为例，研究供气压力不稳定对SCR系统的影响，分析其出现的原因，结合实船应用的工程经验和系统设计的兼容性、经济性，提出改善其压缩空气供应系统优化设计方案建议。

关键词：SCR脱硝；船舶主机；压缩空气；吹灰

中图分类号：U662.2                              文献标识码：A

Compressed Air Supply System Problem and Design Optimization Study of 85 000 DWT Bulk Carrier SCR System

Lu Ganjin1，  Shi Baoguo2，  He Xinshi1

（ 1.Guangzhou Interstellar Offshore Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 510250;  2.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Proceed from the basic principle of the Selective Catalytic Reduction （SCR） De-NOx System to discuss the important function of compressed air for SCR system normal operation. Based on the Main & Aux. Engine SCR system of 85 000 DWT bulk carrier， research the effect of unstable supply pressure of compressed air on SCR system， study its primary cause by calculation analysis and propose the rectification measures. Combine the engineering experience of application on Ship and the system compatibility， economy to put forward optimization suggestions for improving the design of compressed air supply system for Marine SCR system， which provides significant reference for similar type vessel design and application.

Key words： SCR De-NOx; Main diesel engine; Compressed air; Soot blowing

1     前言

根據国际海事组织（IMO）的统计数据，船舶尾气的氮氧化物（NOx）年排放是占全球排放总量的15%，为控制船舶主机的NOx排放量，IMO制订了严格的排放法规。当前对船舶NOx排放控制的主流方法之一，是采用选择性催化还原法（SCR）对柴油机尾气进行后处理，使排放满足法规要求。

经过大量的研究和实践，SCR系统在船舶上的应用日趋成熟，但对为SCR系统服务的压缩空气供应系统的重要性却很少受到关注。本文结合某85 000DWT散货船的实船应用情况，讨论SCR系统的压缩空气供应问题，并提出相应的设计优化建议。

2    SCR系统工作原理

2.1   SCR系统组成

通常，船舶SCR系统主要包含以下几个部分：还原剂计量泵站、还原剂喷射装置、还原剂废气混合管段、反应器单元等。典型的低速柴油机SCR系统原理图，如图2所示。

2.2    SCR系统工作过程

船舶SCR系统有TierⅢ和TierⅡ两种工作模式：

（1）TierⅢ模式

计量泵单元向废气管中喷射适量还原剂，还原剂被喷入后迅速蒸发分解为氨，在混合管段中与废气混合后进入反应器单元，在催化剂作用下废气中的NOx被转化为氮气和水，随废气一同排出外界。

（2）TierⅡ模式

SCR系统待机，废气经由主排气管路直接排出外界。此时SCR系统管路被持续注入压缩空气，以维持相对主排气管侧的正压，避免废气污染催化剂。

2.3   影响SCR系统的主要因素

（1）反应温度

反应温度对SCR系统反应速率和催化剂活性具有决定性影响。通常情况下，反应温度越高、反应速率越快，催化剂活性也越高。

（2）空间速度

空间速度反应了废气在催化剂载体内停留的时间，直接影响着催化反应的充分性和废气流动的阻力。

（3）氨氮比

氨（NH3）直接影响SCR系统脱硝能力，氨量不足会导致反应效率降低，而氨量过多则会造成氨逃逸量增加。有研究表明，1：1的氨氮比是比较理想的状态。

（4）还原剂混合情况

还原剂溶液的喷雾质量以及与废气的混合均匀程度很重要。雾化效果越好，溶液与废气混合越均匀充分，脱硝效率越高，氨逃逸量越少。

（5）催化剂模块的性能

催化剂是SCR系统的核心部件，催化剂模块的构造型式、催化活性以及表面洁净状态，决定了SCR系统的脱硝效率。

2.4   压缩空气的作用

压缩空气虽然不参与SCR系统的化学反应，也不直接决定脱硝效率，但对SCR系统性能具有重大影响。

在SCR系统工作中，压缩空气辅助还原剂溶液的喷射，对反应器吹灰以及在Tier Ⅱ常规模式下维持SCR系统的相对正压。如果压缩空气的流量和压力不稳定，会影响计量泵单元的给药量和雾化效果，从而影响系统的氨氮比、还原剂与废气的混合情况；供气问题对反应器的吹灰效果也有显著的影响，使催化剂模块的性能降低，影响SCR系统的正常工作和脱硝效果，并且还会导致催化剂载体更换频率上升，使系统经济效益降低。据研究，吹灰效果均匀可以使脱硝效果提升20%；如果吹灰不均匀，需要的吹灰频率更大、持续时间更长、消耗的压缩空气更多，还会导致柴油机排气背压增加，不利于柴油机的正常运行。[6]

3    SCR供气系统设计优化

3.1   SCR供气系统设计

（1）用气需求

该船主柴油机SCR系统在日常运行中，需消耗压缩空气主要有三处：TierⅢ脱硝模式下的尿素喷射；反应器定时吹灰；TierⅡ常规模式下对SCR系统的保压动作。SCR系统对压缩空气的要求，见表1、表2：

主机SCR反应器，共设12套吹灰脉冲阀及喷嘴：在一轮吹灰中，每次吹灰作业只开启1个脉冲阀，依次开启12套脉冲阀后即完成一轮吹灰； 2次吹灰作业的间隔时间约为10 s；一轮吹灰作业完成后，间断约30 min再自动开启下一轮作业，吹灰的理论频率约为24次/h。

辅机SCR反应器，设有2套吹灰装置：每次吹灰只吹其中1套，持续4～5 s，结束后即完成一轮吹灰；等待约30 min后，开启下一轮吹灰。

（2）供氣系统设计

该船主机SCR系统消耗的压缩空气，由船上配备的低压杂用空气系统供应。杂用空气系统中，配置1台工作空压机和工作空气瓶，系统工作压力为10.0 bar，压缩空气从空气瓶出来后经过必要的减压、过滤、干燥后输送至SCR系统使用。

供气系统配置情况见表3，系统原理见图3。

（3）供气系统应用情况

① 存在问题

该船主辅机SCR系统进行试验时发现，在TierⅢ脱硝模式运行过程中，一旦主机反应器进行吹灰动作，尿素供给单元和反应器即发出空气压力低报警。主机SCR反应器吹灰空气设计压力为7.0 bar，当压力低于5 bar且在规定时间内无法恢复到5 bar以上时即发出报警信号；在吹灰试验中，从第3次开始吹灰空气压力再也没能恢复到5 bar以上，因此持续触发报警。

② 计算分析

根据试验数据结合吹灰动作参数，可推算出主辅机SCR系统在试验时的最大耗气量，根据此耗气量可校核该船SCR供气系统能力。

计算结果表明：试验时在工作空气瓶充满的情况下，仅能够支持主辅机SCR系统正常工作约40 s，期间主机SCR反应器可进行约3次吹灰动作，气瓶的压力降到约7.5 bar，工作空压机自动起动补气。但是由于这时SCR系统最大耗气量约为447.4 Nm3/h，大于工作空压机的能力348 Nm3/h，因此气瓶压力继续下降，最坏情况下气瓶压力降至约6.3 bar；在一轮吹灰结束后，空气瓶从6.3 bar充满至10 bar所需时间约3.5 min，而试验时每两轮吹灰之间的等待时间仅3 min，因此在下一轮吹灰开始时，气瓶内的压力将低于10 bar（约为9.5 bar），如果继续吹灰进程，后续每一轮的供气压力会进一步降低。

根据上述计算分析可得出初步结论：该船SCR系统试验时出现供气压力低的根源，在于主机SCR反应器吹灰的实际耗气量大于设计值，使得整个SCR系统在吹灰时的总耗气流量超出了空压机的供气能力，从而导致系统供气压力不足，即SCR控制系统中的吹灰动作参数设计与空压机能力不匹配。

SCR控制系统通过设定吹灰脉冲阀开启时间、吹灰间隔时间和吹灰待机时间这3个参数，对吹灰动作进行精确控制，而在该船进行SCR系统试验时这3项参数均未合理设置，设置要求见表4。

表4  主机SCR反应器吹灰动作设定值

其中：对吹灰耗气量影响最大的是吹灰脉冲阀开启时间，试验时该值被设定为0.8 s，因此导致了试验时的耗气量（约679 NL/次）比厂商给出的理论耗气量（175～220 NL/次）大了3～4倍。

三项参数设置的不合理，使得吹灰动作严重偏离SCR系统的设计目标，导致试验时系统的耗气量异常偏大；另外，由于供气管路上减压阀组存在故障，管路局部阻力偏大，影响补气速度。上述几点因素叠加在一起，最终导致了SCR系统试验时反应器吹灰压力低报警问题。

③ 解决措施

根据以上分析，主要采取以下措施来改善该船SCR供气系统：

一是结合SCR系统设计要求和实际应用需要，重新设定主机SCR反应器的吹灰动作参数，改善系统吹灰耗气量和补气能力；

二是更换质量更优的减压阀组，并且加大阀组的通径，减小局部阻力，进一步加强补气能力；

三是加大工作空气瓶的容积，增加系统的缓存能力，降低供气的压力波动和空压机的起停次数。

在实施上述整改措施后，重新对SCR系统进行效用试验，整改后的供气效果满足SCR系统的要求，该船交付运营后，SCR系统运行状态良好。

3.2  SCR供氣系统设计优化

SCR系统在脱硝模式下工作时，对压缩空气的消耗量远超船上其他设备和系统。结合前面分析SCR系统实际使用过程中遇到的问题和整改措施，建议从以下几个方面优化压缩空气系统的设计方案，以提高系统工作稳定性、可靠性：

（1）配置SCR系统供气专用的空压机和专用空气瓶，使SCR系统的供气独立于其他设备系统，并且尽可能加大空气瓶的容积；

（2）SCR空压机采用螺杆式空压机，充分利用螺杆空压机排量大、可长时间连续运行、可自动加载卸载等特性，构建满足SCR系统需求的供气系统；

（3）将船上其它低压压缩空气系统与SCR空气并联连接，必要时可同时供气，以提高系统的供气能力，确保其工作稳定性；

（4）与服务于主机起动空气系统连通，使起动空气系统具备向SCR供气系统输送压缩空气的能力，以便在必要时为SCR系统补充空气；

（5）适当加大SCR供气系统管路的通径，控制管路流速，减小压缩空气的流动阻力，改善管系的供气能力和缓冲能力。

SCR供气系统设计优化示意图，如图4所示。

图4  SCR供气系统设计优化示意图

4     结语

SCR系统的压缩空气供应系统对其正常工作有着重要作用，对其脱硝效果亦有重大影响。本文以某85000DWT散货船为案例，分析SCR供气在设计和应用过程中遇到的问题原因，建设性地提出了供气系统设计的优化方案。

参考文献

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设计[J].  江苏船舶，2020，37（5）．

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[6]巩文科．船舶SCR反吹系统气流均匀性研究[D]．大连海事大学，

2018．