船用柴油机与SCR适配性试验研究

2023-11-22李俊鹏黄念劬严欢

珠江水运 2023年21期

◎ 李俊鹏黄念劬严欢

1.中船动力镇江有限公司；2.中船动力研究院有限公司

1.背景简介

本文针对某型船用柴油机与SCR的匹配进行试验研究。该型柴油机是船用中速机的经典机型，广泛应用于油轮、散货船、杂货船的主发电机组，强化指标不高，但是可靠性强。随着国际海事组织对船用柴油机的NOx排放限制愈发严苛，2016年以后铺龙骨的远洋船舶在排放控制区航行，其安装的柴油机需要满足TierIII的排放限值，TierIII与TierII相比，其限值降低了约75%，通过机内控制手段如减小喷油提前角（延迟喷油）、EGR（废气再循环）、喷水（或乳化油）等已经很难满足法规要求。而选择催化还原（SCR）排放后处理措施，对柴油机改动小，可靠性强，日常使用的还原剂（多为尿素水溶液）的成本也较低。因此SCR成为了船用柴油机排放控制的主流选择，在新造船中带有SCR的柴油机所占的比例逐年上升，国内外SCR制造企业的产量节节攀高。

目前市场上主流的SCR系统，均采用尿素水溶液作为还原剂，雾化的尿素水溶液在柴油机排气加热下分解为氨气，氨气在催化剂作用下将柴油机排气中的NOx还原为氮气和水，从而达到除NOx的目的。

2.柴油机与SCR的设计匹配目标

本文的试验机型及SCR主要的参数见表1。

表1 柴油机及SCR主要参数

该型柴油机排放满足TierII要求，根据转速计算，其TierII加权比排放限值为9.69g/kWh，TierIII加权比排放限值为2.41g/kWh，因此从排放限值上计算可得，SCR的转化率达到75%以上时，基本可以保证SCR后的排放满足TierIII的要求，为留有一定的裕度，设定SCR转化率达到80%为设计目标。

按照SCR转化率达到80%的设计目标，根据柴油机的功率和废气流量经验值完成了SCR的设计，选用目前较为常见的钒钛型催化剂，并以质量浓度为40%的尿素水溶液作为还原剂。

3.柴油机与SCR匹配试验研究

3.1 柴油机与SCR首次匹配试验

为验证S C R 与柴油机的适配性，搭建试验台位，台位布置满足N TC20 08关于氮氧化物测试的相关要求。分别测量柴油机和SCR后的NOx浓度，并测量100%、75%、50%、25%、10%负荷柴油机尾气中的HC、CO、CO2浓度，依据碳平衡法计算柴油机的排气流量，进而计算各负荷点的NOx比排放值，并按照NTC2008中规定的发电机组适用的D2循环各负荷点的权重，计算柴油机的加权比排放值，并与TierII和TierIII的限值进行比较。试验台架布置见图1。

图1 试验台架布置图

通过调试，各负荷点（除10%，10%负荷不喷射）均将尿素喷射率增加至SCR后的NOx浓度不再降低，进而完成各负荷点的NOx浓度测试，并通过碳平衡法计算废气流量，进而可得各负荷点的NOx比排放值。NOx转化率η的计算公式为η=(C1-C2)/C1×100%，式中，C1为柴油机排气出口NOx浓度（ppm），C2为SCR排气出口NOx浓度（ppm）。柴油机和SCR的首次匹配试验结果见表2。

表2 柴油机和SCR首次匹配试验结果

由表2可见，各负荷点的NOx转化率均未达到80%，且25%负荷NOx转化率仅为50%左右。经计算，柴油机的NOx加权比排放值为7.96g/kWh，满足TierII要求；而SCR后的NOx加权比排放值为3.82g/kWh，不满足TierIII要求，柴油机与SCR首次匹配试验效果不良。

3.2 柴油机与SCR匹配不良的原因分析

由3.1可知，测得柴油机NOx比排放值与限值尚有一定差异，而柴油机的计算排气流量还没达到SCR设计排气流量的上限。因此判断导致匹配不佳的原因在于SCR内的反应没有达到预期效果。又考虑到尿素喷射率已经调整至NOx转化率不再上升，说明还原剂的量已经充足，故判断原因应与催化剂的状态有关。如前所述，本文所述SCR选用钒钛型催化剂，这种催化剂的活性与温度关联十分紧密[1]，其催化剂活性（以NOx转化率体现）与排气温度的关系见图2。

图2 催化剂活性与温度关系

由图2可见，催化剂活性最高的温度区间在320-420℃，而柴油机各负荷点的排气温度均在300℃以下，催化剂在小于300℃的条件下转化率低于80%。

如通过调整催化剂成分，增加催化剂中的钛等金属成分占比，可以提高催化剂在低排温工况下的活性，但是这种方案成本较高且重新制作催化剂周期较长，不能满足试验要求。

另一方面，考虑提升柴油机排气温度，以适应催化剂特性，提高催化剂的活性。通常柴油机性能调整过程中，提高柴油机温度的途径主要有以下几种：①利用电加热器或柴油燃烧器对排气进行加热；②延迟喷油提前角，恶化缸内燃烧，提升排气温度；③降低柴油机的过量空气系数，牺牲一定的经济性，将燃油中的能量转化为排气热量，提升排气温度。在以上方案中，方案1最直接，但是电加热器或柴油燃烧器的建造和使用成本较高；方案2对于排温的提升是间接作用，微小调整对排气温度的提升不明显；方案3可通过增压空气泄放方式完成，柴油机结构改动较小，排气温度提升明显。综合比较上述方案，决定选用方案3作为改造方案，对柴油机改动较小，且预期的排温提升效果较为明显。

3.3 柴油提升机排气温度改造方案

增压空气泄放方案的原理图见图3。

图3 增压空气泄放原理图

改造的具体实施方案为，在柴油机增压空气通道上增加由压缩空气驱动的双作用泄放蝶阀，通过控制器控制泄放阀上分别驱动阀门开和关的两路压缩空气的开闭，进而调整的泄放阀的开度。驱动阀门开的压缩空气打开而驱动阀门关的压缩空气关闭，则泄放阀开度增大，单位时间内的增压空气泄放量增大，增压空气压力降低，使过量空气系数降低，排气温度升高；驱动阀门关的压缩空气打开而驱动阀门开的压缩空气关闭，则泄放阀开度减小，单位时间内的增压空气泄放量减小，增压空气压力升高，使过量空气系数升高，排气温度降低。

在柴油机涡轮增压器排气出口处安装温度传感器，泄放阀控制器以该温度传感器的读数作为反馈，传感器读数低于设定值时增大泄放阀开度，增压空气压力降低，排温升高；传感器读数高于设定值时减小泄放阀开度，增压空气压力升高，排温降低。通过反复调整泄放阀开度，确保柴油机排气温度与设定值相符。由图2可知，柴油机排气温度达到320℃以后，催化剂活性随温度上升的趋势趋于平缓，故而继续升高柴油机排气温度的意义不大；且考虑到通过增压空气泄放的方式，如使柴油机排气温度升得越高，则柴油机的经济性越差，因此将排气温度控制的设定值设定为320℃。

柴油机完成泄放阀安装、温度传感器安装、泄放阀控制器安装等改造后，开启增压空气泄放系统，重新运行柴油机，柴油机各负荷排气温度及增压空气压力见表3。

表3 增压空气泄放系统运行后的柴油机排气温度

由表3可知，增压空气泄放系统运行后，柴油机排气温度在100%、75%和50%、25%等负荷基本保持在设定值320±5℃的范围内，而10%负荷由于初始的废气温度比较低，即使增压空气泄放阀全开，柴油机的排气温度在该负荷只能上升到150℃。另一方面，考虑到10%负荷时，SCR并不喷射尿素水溶液，且这个负荷在做NOx比排放值加权计算时的权重也较小，因此对该负荷不再考虑继续升高废气温度。

3.4 改造后的柴油机匹配SCR试验

完成改造后，重新运行柴油机和SCR 进行排放测试，由于排气温度的升高，催化剂工作在高效区间，催化剂活性有所提高，SCR的NOx转化率明显上升，SCR后的NOx浓度明显下降，同时由于催化剂活性的提高，各负荷点的SCR尿素喷射率有所降低。改造后的SCR匹配试验结果见表4。

表4 改造后SCR匹配试验结果

利用碳平衡法对试验结果进行计算，可得改造后柴油机NOx加权比排放值为7.79g/kWh，满足TierII要求；且SCR后的NOx加权比排放值为1.54g/kWh，满足TierIII要求，试验结果表明，柴油机与SCR匹配成功。

改造前后柴油机排气的NOx浓度、各负荷的NOx比排放值对比见图4和图5。

图4 改造前后柴油机NOx浓度对比

图5 改造前后柴油机NOx比排放值对比

由图4和图5可见，改造后的柴油机排放NOx浓度有所上升，比排放值稍有降低，这是由于增压空气进行泄放后柴油机排气流量减小，因此NOx绝对浓度上升，而增压空气压力的降低可以降低缸内燃烧的初始温度，抑制NOx生成，因此计算得的比排放值稍有降低。由图4和图5可见，增加增压空气泄放装置对柴油机的NOx排放影响不大。

改造前后SCR后各负荷点NOx浓度、NOx比排放值、NOx转化率、尿素喷射率对比见图6至图9。