船舶二冲程柴油机SCR系统温度控制的几点见解

【摘 要】船舶二冲程柴油机排放出的废气中含有的氮硫化物严重污染大气，为了使船舶二冲程柴油机排放出的废气满足Tier II要求及Tier III要求，需要采取机内及机外控制以减少废气中NOx的排放量。为了使废气中NOx的排放量达到Tier III要求，需要将进入SCR系统的废气温度保持在SCR系统所需的温度范围内。本文对船舶二冲程柴油机温度控制系统进行了分析并提出了让进入SCR系统的废气温度保持在最佳温度窗口范围内的几点意见。

【关键词】NOx减排；SCR系统；二冲程柴油机；温度控制

中图分类号： U664.121 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）05-0147-002

0 引言

随着社会经济的发展，目前全球面临的污染问题越来越严重。污染分为固体污染和液体污染及大气污染。而船舶柴油机排放出的废气中含有大量的NOx会给大气造成严重的污染，因此需要减少及控制船舶柴油机废气中NOx的排放量以达到IMO在2008 年提出的船舶柴油机NOx排放标准。IMO在2008 年提出凡是2016 年1月1日或以后建造的船舶分别在排放控制区 （ECA）内及外航行时，NOx排放应分别符合Tier III标准和Tier II标准。其中，在Tier III标准中，NOx排放量是最低的，比Tier I降低80%左右。而为了使NOx排放量达到标准，必须要采取有效的减排措施。而降低船舶柴油机NOx排放方法中除了机内控制法外还有机外控制法。其中机内控制法可以使船舶柴油机内的NOx排放达到Tier II标准，但不能达到Tier III标准，要达到Tier III标准需要采取机外控制措施，而在SCR系统中发生的选择性催化还原技术就是目前比较成熟 的、能够达到Tier III标准的机外控制措施。

1 船舶二冲程柴油机SCR系统概述

选择性催化还原（Selec- tive Catalytic Reduction，SCR）是一种从机外减少船舶柴油机NOx的排放而达到Tier III标准的系统。NH3通过SCR催化剂的作用在温度为300～400℃能与柴油机废气中的NOx发生选择性催化还原反应，这样柴油机废气中的NOx就被还原成了无害的N2和H2O。所以要减少柴油机废气NOx的排放，需要柴油机废气中的NOx与NH3在SCR反应器中发生选择性催化还原反应。而NH3可以让尿素溶液在高温下分解得到，从排气管喷入的尿素溶液会分解为NH3，NH3与柴油机废气均匀混合后进入SCR反应器发生选择性催化还原反应。而柴油机废气中的NOx与NH3在SCR反应器中能否有效发生选择性催化还原反应取决于SCR反应器的温度是否为300～400℃。当SCR反应的温度超过该范围，NH3会被氧化，从而不能与NOx发生选择性催化还原反应。而当温度低于这范围，则NOx与NH3的选择性催化还原反应不仅会进行得很慢，而且废气中的SO2也会与NH3发生反应生成NH4HSO4和 （NH4）2SO4，生成的硫酸盐还会沉积在SCR催化剂活性表面造成SCR催化剂的堵塞、失活或损坏。一般二冲程柴油机的排气温度相对较低，柴油机废气经过涡轮增压器之后温度通常降到230 ～260℃，这与SCR反应器的最佳温度窗口300～400℃相差较大，对SCR系统的运行是不利的。特别是船舶柴油机燃用的是含硫量较高的重油（HFO）时，废气中大量的SO2在低温下与NH3反应生成大量的硫酸盐，而大量生成的硫酸盐将沉积在SCR催化剂活性表面会加剧SCR催化剂的失活。为了让二冲程柴油机废气中的NOx能得到充分而有效的还原，排气温度保持在SCR反应器的最佳温度窗口范围内是一个非常重要的条件。这也是SCR技术应用于排气温度较低的二冲程柴油机一个重要的挑战。

2 SCR系统温度控制的几点建议

2.1 将废气涡轮增压器布置在SCR系统之后

SCR系统中NOx与NH3发生选择性催化还原反应的最佳温度窗口为300～400℃，然而一般柴油机排气管温度在较低负荷时可能会低于该温度范围，特别是经过废气涡轮增压器之后，废气温度将根本达不到SCR系统正常运行所需的温度。由于废气经过涡轮增压器温度会降低，为了提高柴油机SCR系统的废气温度，往往把废气涡轮增压器布置在SCR系统之后，这样布置可以将进入SCR系统的废气温度提高大约50～175℃。

2.2 在SCR系y上设置扫气旁通阀

废气温度还与柴油机负荷高低有关。一般只有当柴油机负荷高于70%时， 排气温度才能达到SCR系统运行所需的温度。为了提高柴油机低负荷时低的排气的温度，就需要在柴油机上安装扫气旁通阀以减少气缸内的空气质量来提高废气的温度。柴油机的排气温度与气缸内的空气质量多少有关，当气缸内参与方应的空气质量减少时，柴油机的排气温度将会相应的升高。当柴油机排气温度在低负荷达不到要求时，可以通过调节扫气旁通阀开度让一部分增压空气随废气直接进入涡轮机后排往大气，来调节柴油机的排气温度，使柴油机的排气温度处于SCR反应的最佳窗口内。同时，扫气旁通阀 CBV的开度可以根据柴油机排气温度与SCR运行所需温度的差值进行自动调节，保障了SCR系统的进口温度处于所需的温度窗口范围内。当然采用这种方式，可能会额外增加2～3g/（kW・h或更多的燃油消耗率。

2.3 SCR反应器上增加电加热设备

在外界无高温气体通入或者柴油机处于低转速低负荷运转的时候，由于筒体是个密封容器，我们如果要将筒体的桶壁维持在220度以上，在SCR反应器外层增加额外的热加热系统SCE是必须的，SCR反应器加热器的加热功率大于筒体的热量损耗就能起到保温及加热作用。筒体的热量损耗主要有两方面：热量通过150mm厚的保温材料的热量损耗以及通过筒体的金属材料传导至外界连接的热量损耗。可以根据实际的保温材料、加热材料的选择以及其他热力学参数进行热力计算，最终确定加热功率。 加热系统的控制箱方案需考虑以下几点：1）由功率控制器控制加热器工作；2）传感器温度低于230°，功率控制器会根据实际温度调整加热器的功率，伴热温度可调。3）伴热加热器功率最高处于90%的功率使用状态，加热线圈寿命长。安全系数高。（损坏除外），即使某一段加热丝毁坏，功率控制器仍可以保证伴热电缆的功率；4）设置温度安全报警值，当温度达到260度，控制箱处于停止工作状态。最高限位260°可调；5）采用机旁和遥控两种模式，遥控是指在主机停车时，加热器处于待命状态，当温度低会自动加热。主机动车时伴热系统停止工作

3 二冲程柴油机SCR系统两种工作模式

根据船舶是在排放控制航道内航行还是在排放控制航道之外航行，可将SCR系统的工作模式分为Tier II和Tier III模式。如果船舶是在排放控制航道内航行，则启动Tier III模式，关闭SCR旁通阀RBV，让由废气与NH3构成的均匀混合气体进入SCR系统并且在SCR系统中发生选择性还原反应，NOx被还原成N2后随其他废气进入涡轮增压器做功，实现能量再利用后排往大气。船舶在排放控制航道之外航行时，关闭SCR反应器密封阀RSV和RTV同时打开SCR旁通阀RBV，这样废气不进入SCR反应器，将直接进入涡轮增压器做功，最后排往大气。

4 结束语

为了使船舶二_程柴油机排放出的废气中NOx含量满足Tier II要求，需要从机内进行控制，而要达到Tier III的要求则需要从机外进行控制，也就是在SCR系统中利用尿素溶液中分解出的NH3与柴油机废气中的NOx发生选择性催化还原反应，从而将NOx还原成无害的N2再排放于大气中。为了使SCR系统选择性催化还原反应温度处于最佳温度窗口范围内，需要将SCR系统布置在涡轮增压器之前及在SCR系统上设置扫气旁通阀CBV，以此来调节进入SCR系统的废气温度，使之满足SCR系统正常工作的需要。

【参考文献】

[1]肖志家，全球船用SCR系统发展状况分析[N].中国船舶报，2011（8）.

[2]张东明，平 涛，闫 萍，等，船用柴油机应对IMO Tier III排放法规的技术措施[J].柴油机，2011（4）.

[3]李斌，现代船舶动力装置的节能与排放控制技术[M].大连：大连海事大学出版社，2013.