随着我国社会的发展,大气污染对环境造成的危害日益严重。在众多大气污染物中,氮氧化物(NOx)能够产生酸雨、引起臭氧层破坏并产生光化学烟雾和雾霾等恶劣天气,其来源主要集中在重工业、焦化行业以及机动车、船舶和飞机等各方面。远洋船舶的动力装置主要是柴油机,其尾气中的NOx处理方法目前以高压选择性催化还原(High Pressure - Selective Catalytic Reduction,HP-SCR)系统处理方法最具代表性。例如韩国现代重工于2015年12月在DNV GL船级社的见证下完成对HP-SCR系统的首套认证测试,并在2016年2月5日安装至现代尾浦船厂建造的20 600 m3LPG运输船上,符合2016年1月生效的IMO Tier Ⅲ排放要求。2019年6月,船舶所有人、船厂及中国船级社共同合作验收中国船舶重工集团公司七一一研究所研制并投入使用的首套HP-SCR系统,其获得型式认可及IMO Tier Ⅲ排放认可,说明中国船舶防污染NOx减排处理技术走在世界前列[1]。目前,污染物NOx在不同领域中的处理方法各不相同,但是围绕其分别以NH3、CO及尿素等为还原剂的催化还原方法基本相同。本文以远洋商船新型W-X系列W-X62-B智能柴油机的HP-SCR系统为原型,对其结构原理、性能特点和管理要点展开分析和研究,供同人参考。1 HP-SCR系统结构布置和组件原理
HP-SCR系统是新型W-X系列智能柴油机中降低尾气中NOx含量的可选系统,这套系统的设计能确保NOx的排放符合IMO的最新要求——船舶尾气排放Tier Ⅲ规定。HP-SCR系统其结构布置见图1。HP-SCR系统整体结构除柴油机和涡轮增压器之外,主要包括如下部件:(1)混合输送管。混合输送管内有双层套管的喷枪,尿素溶液在喷枪内管内流动,高压压缩空气在喷枪内管外部套管内流动,二者在喷枪末端的喷嘴附近高速喷射、混合并通过多排气孔注入柴油机排气气流中。尿素溶液中的水分遭遇高温变成水蒸气,高温还会使尿素变成氨和二氧化碳,同时混合输送管使气体均匀混合,然后流入后面的反应装置。1—混合输送管;2—反应装置;3—涡轮增压器;4—柴油机;5—通气/密封单元;6—尿素溶液供应单元;7—吹灰单元;V1、V2、V3、V4、V7—控制阀件(2)反应装置。反应装置内部有1堵钢墙、1个混合气体入口和1个锥形出口,组成子催化剂反应层,整体钢结构的支架支撑着催化剂反应层。在催化剂层的催化表面有NOx与氨反应生成分子态的氮气和水。反应装置外部有人孔盖,需要时可以打开,方便管理人员进行检查、清洗保养或更换催化元件。(3)通气/密封单元。在停止使用HP-SCR系统后,通气/密封单元为排气管道提供压缩空气,将混合输送管道和反应装置中的废气吹出,并在HP-SCR系统被旁通控制时,密封反应装置。(4)尿素溶液供应单元。此单元主要包括尿素溶液输送泵、储存柜和滴定单元及相关管系、阀门和监测传感装置。输送泵装置将尿素溶液从储存柜输送到加药滴定装置,并保持相关管道中合适的压力。加药滴定装置控制着尿素溶液向混合输送管道的供应量和供应速率,保证与柴油机排出的NOx处理量相匹配。(5)吹灰单元。吹灰装置可以定期清除反应装置中催化剂元件上的积灰。(6)控制阀门用于使HP-SCR系统处于不同的操作控制模式。HP-SCR系统在正常运行时,柴油机的排气废气经过控制阀V1和管系进入混合输送管内,此时供应单元的尿素溶液经输送泵定量滴定喷射到混合总管内化为雾状,与柴油机的排气废气充分混合,在催化反应装置内发生催化还原反应,使排气的NOx转变为无害的氮气和水,再经控制阀V2送至柴油机增压器废气侧排放。2 HP-SCR系统逻辑控制原理
W-X系列智能柴油机的HP-SCR系统主要包括3个控制箱:E48、E49和E50。其主要逻辑控制原理见图2。控制箱E48和E50互相用控制总线连接并安装在船舶机舱,安装在机舱集控室的E49控制箱与E50之间控制总线连接,E48与柴油机控制系统(ECS)连接,在控制箱外部还有1个主控制面板。ECS起控制核心功能,不仅采集和接收各种控制信号,还与安装在集控室的柴油机推进控制系统(PCS)和警报监测系统(AMS)通过控制总线进行信息互动。管理人员可以通过HP-SCR系统的外部主控制面板进行管理和控制。3 HP-SCR系统控制模式
HP-SCR系统工作运行模式有正常运行和旁通运行2种运行模式。在正常运行模式下,柴油机的NOx能达到IMO Tier Ⅲ排放要求。在旁通运行模式时,柴油机无法实现NOx的减排处理,但能达到IMO Tier Ⅱ排放要求[2]。HP-SCR系统的运行需要一定的技术条件,以不同硫分的燃油品质和柴油机排气总管后的排气温度运行限值作为划分标准。如果排气总管后的排气温度在表1所示的允许范围内,那么可以正常运行HP-SCR系统。反之则必须关停或旁通HP-SCR系统。在柴油机排气总管后的排气温度若低于给定极限温度的情况下运行HP-SCR系统,会导致催化元素凝结、堵塞;柴油机排气总管后的排气温度若超过给定的极限,会导致催化剂元素加速老化。HP-SCR系统的运行操控主要在船舶机舱的控制箱E48主控面板上进行,控制面板上主要有“SCR-On”“SCR-Off”和“SCR-Bypass”控制转换开关及状态、故障指示,在操作管理时能自由转换。控制阀件组可由HP-SCR系统实现自动控制。(1)HP-SCR系统运行前的准备。
当HP-SCR系统处于启动准备状态时,控制阀V1处于“开启”状态,控制阀V2从“关闭”变为“开启”状态,控制阀V3从“开启”变为“关闭”状态,控制阀V4由ECS控制处于“关闭”状态,控制阀V7处于“关闭”状态。柴油机排气废气在输入过程中使HP-SCR系统中反应装置的温度处于缓慢升高过程,此时柴油机尚未开启HP-SCR系统,催化剂尿素溶液未注入。(2)HP-SCR系统正常运行模式。
在此操作模式下,HP-SCR系统设置为“On”。此时,阀门组中控制阀V1和V2处于“开启”状态,控制阀V3处于“关闭”状态,控制阀V4由ECS控制处于自动控制调节状态,控制阀V7处于“关闭”状态。当需要调节反应装置内部的压力时,HP-SCR系统可以对其阀门开度大小进行控制。此时,柴油机正常运行HP-SCR系统,在满足IMO Tier Ⅲ排放要求的模式下工作。当管理人员需要停止正常运行的HP-SCR系统时,HP-SCR系统在满足相应的控制调节之后可以转换为旁通运行模式。或当其没有满足HP-SCR系统模式运行的条件时,HP-SCR系统将自动切换到旁通模式。(3)HP-SCR系统旁通运行模式。
在此操作模式下,HP-SCR系统能自动控制改变阀门状态,使HP-SCR系统被旁通,此时柴油机无法实现NOx的减排处理,但能达到IMO Tier Ⅱ排放要求。在HP-SCR系统正常运行转为旁通运行过程中,控制阀V1和V2缓慢地从“开启”状态变为“关闭”状态,控制阀V3转变为“开启”状态,控制阀V4和V7仍然由ECS控制。此时,控制系统中的清洗和通风控制程序能控制通风/密封装置启动,控制阀V7开启几分钟使压缩空气通过,将系统内残余的尿素催化溶液从喷射混合装置、管道和反应容器中吹除,并驱除系统内的残余废气到废气系统中。此时若通风/密封装置无法启动,则可以降低反应器内的压力并排放冷凝物使之恢复功能。在这个过程后,通气/密封装置持续供应压缩空气保持催化反应装置和管道中的压力,确保催化反应装置内的压力大于废气压力,防止排出废气倒灌损坏催化反应装置。5 实船应用
在某船W-X62-B智能柴油机的HP-SCR系统实船应用中,此系统能在柴油机各个负载工况下良好运行,其NOx的排放控制经LR船级社实地现场监测评估,充分满足IMO最新公约的要求[3]。6 结束语
随着“IMO在2016年1月1日以后在排放控制区域内执行严格的NOx排放控制Tier Ⅲ标准”的国际要求履行越来越严格,HP-SCR系统在近年船舶智能柴油机的氮氧化物排放控制中的应用也越来越广泛,其中以WinGD智能电喷共轨柴油机的HP-SCR系统为代表,其以尿素作为还原剂对NOx进行催化还原,产生无害于生态环境的氮气和水,控制处理和管理过程符合船舶排放实际情况,处理效果充分满足IMO Tier Ⅲ排放规定。参考文献：
[1]刘建安.W-X系列智能柴油机HP-SCR系统简介[J].航海技术,2020(04):63-65.
作者简介
刘建安，高级轮机长，副教授，福建船政交通职业学院
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