大型船用柴油机高压SCＲ系统研究

随着人们环保意识的日益增强，船用柴油机作为一个重要的污染源已经引起高度重视。根据国际海洋环境保护委员会(MEPC)2008年正式通过的MAＲPOL公约附则Ⅵ的修正案的要求，船用柴油机NOx排放须逐步降低，各阶段限值如图1所示。图1NOx排放限值2016年起，行驶在排放控制区域内的船舶的NOx、SOx和颗粒物排放受到严格限制。排放控制区具体如图2所示。图2排放控制区目前，降低大型船用柴油机NOx排放的主要方法之一是SCＲ(选择性催化还原)法，这也是目前应对IMO排放法规的切实有效的技术。该技术采用NH₃作为还原剂，利用NH₃对NOx的选择性催化还原，优先将NOx还原成N₂和H₂O。此技术具有转化效率高，成熟可靠，对柴油机性能影响小，对柴油机零部件及船体改造要求小等特点。一、SCＲ国内外研究现状1、国外SCＲ技术研究现状美国Engehard公司首先发现SCＲ技术原理并于1957年申请了专利。MDT作为全球船舶柴油机两大专利商之一，于1989年首次在其6S50MC船用二冲程柴油机上使用了SCＲ技术，将NOx排放降至约2(g·kW－1.h－1)，并进行了实船试验。MDT经过近30年的研究与改进，通过匹配增压器、鼓风机，调整正时等技术，优化了SCＲ技术中对柴油机性能有影响的因素，使其SCＲ技术完全满足TierⅢ的排放法规要求。2011年MDT的首条满足TierⅢ法规的实船在日本进行了试航。WinGD作为世界上另一船用柴油机专利商，从1970年起就开始研究SCＲ技术。目前的技术特征主要是:

以V₂O₅/TiO₂为催化剂，尿素水溶液为还原剂;SCＲ系统的NOx转化率达到85%左右，同时CO和HC可降低70%。2、国内SCＲ技术研究现状相对于国外的SCＲ技术，国内的SCＲ技术尚处于起步阶段。有科研院所从2010年开始着手研究SCＲ技术。沪东重机与中船三井于2014年联合研发了国内首套低速柴油机增压器前SCＲ系统，匹配的主机为5ＲT-flex58T-D，最大持续功率10000kW。2015年，两公司再次以6S50ME-C8.2主机为载体，进行了增压器前、后SCＲ系统试验，取得了一系列成果及核心技术，为SCＲ技术商品化打下了坚实的基础。二、大型船用柴油机SCＲ技术研究1、SCＲ原理SCＲ的原理是:

还原剂在SCＲ催化剂的作用下，选择性地与排气中NOx反应，生成无害的N₂和H₂O。如图3所示。图3SCＲ原理柴油机废气进入排气集管和SCＲ催化器中，尿素水溶液在喷射后转化为氨气，再与废气中的NOx发生还原反应。具体反应过程如下:2、SCＲ技术方案大型船用柴油机及船体结构复杂，改动成本较大。目前针对大型船用柴油机设计的SCＲ技术方案主要有两种，如图4所示。图4SCＲ系统的两种方案一种是增压器前SCＲ系统(Pre-turbineSCＲ)，简称为高压SCＲ系统;另一种是增压器后SCＲ系统(PostturbineSCＲ)，简称为低压SCＲ系统。3、高压SCＲ系统高压SCＲ系统布置如图5所示。图5高压SCＲ系统其采用反应温度高于300℃的催化剂。高温催化剂抗硫中毒性能强，对燃料含硫量不敏感。该系统可用于使用重油燃料的主机。4、低压SCＲ系统低压SCＲ系统反应器安装在涡轮增压器后，如图6所示。图6低压SCＲ系统其采用反应温度低于300℃的催化剂，相对于高压SCＲ系统，反应温度低于300℃的催化剂容易发生硫中毒。但低压SCＲ系统布置灵活，柴油机可以维持原设计不变，可以减少占用主机舱空间，具有空间优势。5、SCＲ系统技术指标SCＲ系统作为一种减排技术手段，其降低排放的能力是一个主要的考核指标。结合SCＲ的反应过程，其主要技术指标有以下4个:(1)NOx排放量此处的NOx排放量是指经过SCＲ系统后排气中的NOx量。NOx排放量由有资质的第三方按MAＲPOL73/78的相关规定进行测量，是衡量主机排放是否达到TierⅢ排放标准的重要指标。(2)NOx转化率NOx转化率是指安装SCＲ系统的柴油机在指定工况下运行时，反应器进出口的NOx量的变化率。该指标要求的是在各工况下的最低NOx转化效率。(3)NH₃泄漏量NH₃泄漏量是评价SCＲ系统是否会产生二次污染的重要指标。(4)排气压力损失船用柴油机在安装SCＲ系统后会对主机的排气背压产生一定的影响，而排气背压直接影响柴油机的性能，因此排气压力损失是SCＲ系统性能的另一个重要指标。针对最大持续功率为9960kW的6S50ME-C8.2柴油机，其SCＲ系统主要技术指标如表1所示。三、高压SCＲ技术1、高压SCＲ系统工作模式图7高压SCＲ系统工作模式图7为高压SCＲ系统的工作模式:

在非排放控制区域，SCＲ系统关闭，SCＲ旁通，排气直接进入涡轮增压器;当接近或进入排放控制区域时，SCＲ系统工作，排气经SCＲ反应器后，再进入涡轮增压器。2、高压SCＲ系统特点沪东重机与中船三井联合开发的高压SCＲ系统具有以下特点:(1)催化剂优选及合理布置该系统在催化剂选型过程中根据工况环境(温度、压力)和废气成分(水、硫含量、颗粒物、氨氮比)，选择理论上最适合的催化剂，设计最优的催化剂分布方式，并根据废气流量确定催化剂体积和尺寸规格。在催化剂选定后，利用CFD流场分析对比多种导流装置设计方案，并根据流场分析结果优化设计方案，选用流场分布更均匀的导流器作为最终的催化剂布置方案，确保流场分布均匀度达到90%以上，保证SCＲ系统具有最佳的催化作用。(2)反应器优化布置反应器由于自身重力及受热存在热变形，采用Ansys软件对布置方案进行相关仿真分析，根据仿真结果优化反应器的布置及支撑，使反应器应力分布均匀，减小催化剂床层的应变。(3)NOx减排效果明显催化剂的优选和合理布置以及反应器的优化布置在设计上为NOx减排效果提供了保障。仿真结果表明:

使用该SCＲ系统后NOx排放下降至3.4(g·kW－1·h－1)以下。(4)SCＲ系统状态实时监测SCＲ系统的控制集成在主机控制系统中，称为SCＲ-CS。所开发的高压SCＲ系统设计了相应的SCＲ状态监测系统，用以监测伴热系统、吹灰系统、尿素喷射系统以及泄放系统的实时状态，确保整个SCＲ系统安全有序运行。(5)SCＲ系统安装便捷SCＲ系统独立于柴油机系统之外。根据船体相关结构，通过仿真模拟确定SCＲ系统中整个管路以及支撑的设计，确保SCＲ系统与主机、船体系统顺利合拢，降低装配难度。四、高压SCＲ研究试验2015年，沪东重机与中船三井的低速机业务群在完成所有基础研究之后，以6S50ME-C8.2主机为载体，完成了增压器前、后SCＲ系统的功能试验、稳态工况、变工况、辅助风机等相关性能试验研究，并对其喷射系统及控制系统进行了优化。试验主机及SCＲ系统的主要参数如表2所示。试验机SCＲ系统及台位布置如图8所示;

图8SCＲ试验机三维布置图试验过程中的现场照片见图9、图10、图11。图9SCＲ试验机现场图10尿素喷射系统及NH₃泄漏检测图11反应器及催化剂模块1、NOx排放量及NOx转化效率E3循环下试验主机SCＲ系统试验数据见表3。试验主机在E3循环下，SCＲ系统开启与关闭情况下NOx排放量及NOx转化效率分别见图12和图13。图12NOx排放量图13

NOx转化效率从图12和图13可以看出:

主机在采用SCＲ系统的情况下，NOx排放量低于3.4(g·kW－1·h－1)，达到TierⅢ标准。同时，NOx的实际转化效率也接近理论目标值，平均转换率接近75%，个别工况下甚至可以达到83%。2、氨氮比扫描在75%负荷下，通过改变尿素喷射量进行NOx转化效率试验，具体试验数据见表4。从表4中可以看出:

系统已达到相应的转化效率。图14NOx转化浓度NOx转化浓度如图14所示:

尿素喷射量约为140(L·h－1)时，NOx转化效率达到100%，NOx转化浓度最大;此时，NH₃逃逸量为0.9×10－⁶，如图15所示。满足技术要求。图15

NH₃逃逸量五、高压SCＲ系统实际运用1、5ＲT-flex58T-D高压SCＲ项目沪东重机与中船三井合作研发的用于WinGD主机5ＲT-flex58T-D的高压SCＲ系统，于2015年1月在上海临港地区完成首制认可试验，并于2015年7月装船进行海试。海试结果达到TierⅢ排放标准。该项目是首台WinGD主机的SCＲ系统项目。2、6S60ME-C高压SCＲ项目广州文冲船厂6S60MEC-116#(14280kW@105r/min主机的高压SCＲ项目是我国MDT系列大型船用柴油机的首个SCＲ项目。该项目也选用沪东重机与中船三井开发的高压SCＲ系统。项目于2017年7月通过了MDT认可试验，2017年8月进行八大船级社的型式认可试验。此项目是我国在SCＲ领域的第一个商业订单。六、SCＲ系统发展趋势全球首台集成SCR工程样机在大连船用柴油机有限公司顺利完成大合拢1、船用柴油机SCＲ系统一体化SCＲ系统是主机满足TierⅢ排放法规最直接有效的方法之一，但该系统存在初次安装成本高、装置体积大和运行成本高等问题。从性能、成本、空间等方面进行船用柴油机SCＲ系统一体化研发将是未来的一个发展方向。目前沪东重机与中船三井已经联合开展脱硫脱硝一体化研发工作。2、高、低压SCＲ系统的趋势从产品特性而言，高、低压SCＲ系统均适用于排气温度低、排气流量大的大型船用低速柴油机，两者各具特色。低压SCＲ系统具有低压、低温，安全