某85000DWT散貨船SCR供氣系統設計優化方案

陸淦金 石保國 何新式

摘 ? ?要：基于還原催化法（SCR）脫硝系統的基本原理，討論壓縮空氣供應對SCR系統正常工作的作用。本文以某85000DWT散貨船主輔機SCR系統為例，研究供氣壓力不穩定對SCR系統的影響，分析其出現的原因，結合實船應用的工程經驗和系統設計的兼容性、經濟性，提出改善其壓縮空氣供應系統優化設計方案建議。

關鍵詞：SCR脫硝；
船舶主機；
壓縮空氣；
吹灰

中圖分類號：U662.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

根據國際海事組織（IMO）的統計數據，船舶尾氣的氮氧化物（NOx）年排放是占全球排放總量的15%，為控制船舶主機的NOx排放量，IMO制訂了嚴格的排放法規。當前對船舶NOx排放控制的主流方法之一，是采用選擇性催化還原法（SCR）對柴油機尾氣進行后處理，使排放滿足法規要求。

經過大量的研究和實踐，SCR系統在船舶上的應用日趨成熟，但對為SCR系統服務的壓縮空氣供應系統的重要性卻很少受到關注。本文結合某85 000DWT散貨船的實船應用情況，討論SCR系統的壓縮空氣供應問題，并提出相應的設計優化建議。

2 ? ?SCR系統工作原理

2.1 ? SCR系統組成

通常，船舶SCR系統主要包含以下幾個部分：還原劑計量泵站、還原劑噴射裝置、還原劑廢氣混合管段、反應器單元等。典型的低速柴油機SCR系統原理圖，如圖2所示。

2.2 ? ?SCR系統工作過程

船舶SCR系統有TierⅢ和TierⅡ兩種工作模式：

（1）TierⅢ模式

計量泵單元向廢氣管中噴射適量還原劑，還原劑被噴入后迅速蒸發分解為氨，在混合管段中與廢氣混合后進入反應器單元，在催化劑作用下廢氣中的NOx被轉化為氮氣和水，隨廢氣一同排出外界。

（2）TierⅡ模式

SCR系統待機，廢氣經由主排氣管路直接排出外界。此時SCR系統管路被持續注入壓縮空氣，以維持相對主排氣管側的正壓，避免廢氣污染催化劑。

2.3 ? 影響SCR系統的主要因素

（1）反應溫度

反應溫度對SCR系統反應速率和催化劑活性具有決定性影響。通常情況下，反應溫度越高、反應速率越快，催化劑活性也越高。

（2）空間速度

空間速度反應了廢氣在催化劑載體內停留的時間，直接影響著催化反應的充分性和廢氣流動的阻力。

（3）氨氮比

氨（NH3）直接影響SCR系統脫硝能力，氨量不足會導致反應效率降低，而氨量過多則會造成氨逃逸量增加。有研究表明，1：1的氨氮比是比較理想的狀態。

（4）還原劑混合情況

還原劑溶液的噴霧質量以及與廢氣的混合均勻程度很重要。霧化效果越好，溶液與廢氣混合越均勻充分，脫硝效率越高，氨逃逸量越少。

（5）催化劑模塊的性能

催化劑是SCR系統的核心部件，催化劑模塊的構造型式、催化活性以及表面潔凈狀態，決定了SCR系統的脫硝效率。

2.4 ? 壓縮空氣的作用

壓縮空氣雖然不參與SCR系統的化學反應，也不直接決定脫硝效率，但對SCR系統性能具有重大影響。

在SCR系統工作中，壓縮空氣輔助還原劑溶液的噴射，對反應器吹灰以及在Tier Ⅱ常規模式下維持SCR系統的相對正壓。如果壓縮空氣的流量和壓力不穩定，會影響計量泵單元的給藥量和霧化效果，從而影響系統的氨氮比、還原劑與廢氣的混合情況；
供氣問題對反應器的吹灰效果也有顯著的影響，使催化劑模塊的性能降低，影響SCR系統的正常工作和脫硝效果，并且還會導致催化劑載體更換頻率上升，使系統經濟效益降低。據研究，吹灰效果均勻可以使脫硝效果提升20%；
如果吹灰不均勻，需要的吹灰頻率更大、持續時間更長、消耗的壓縮空氣更多，還會導致柴油機排氣背壓增加，不利于柴油機的正常運行。[6]

3 ? ?SCR供氣系統設計優化

3.1 ? SCR供氣系統設計

（1）用氣需求

該船主柴油機SCR系統在日常運行中，需消耗壓縮空氣主要有三處：TierⅢ脫硝模式下的尿素噴射；
反應器定時吹灰；
TierⅡ常規模式下對SCR系統的保壓動作。SCR系統對壓縮空氣的要求，見表1、表2：

主機SCR反應器，共設12套吹灰脈沖閥及噴嘴：在一輪吹灰中，每次吹灰作業只開啟1個脈沖閥，依次開啟12套脈沖閥后即完成一輪吹灰；

2次吹灰作業的間隔時間約為10 s；
一輪吹灰作業完成后，間斷約30 min再自動開啟下一輪作業，吹灰的理論頻率約為24次/h。

輔機SCR反應器，設有2套吹灰裝置：每次吹灰只吹其中1套，持續4～5 s，結束后即完成一輪吹灰；
等待約30 min后，開啟下一輪吹灰。

（2）供氣系統設計

該船主機SCR系統消耗的壓縮空氣，由船上配備的低壓雜用空氣系統供應。雜用空氣系統中，配置1臺工作空壓機和工作空氣瓶，系統工作壓力為10.0 bar，壓縮空氣從空氣瓶出來后經過必要的減壓、過濾、干燥后輸送至SCR系統使用。

供氣系統配置情況見表3，系統原理見圖3。

（3）供氣系統應用情況

① 存在問題

該船主輔機SCR系統進行試驗時發現，在TierⅢ脫硝模式運行過程中，一旦主機反應器進行吹灰動作，尿素供給單元和反應器即發出空氣壓力低報警。主機SCR反應器吹灰空氣設計壓力為7.0 bar，當壓力低于5 bar且在規定時間內無法恢復到5 bar以上時即發出報警信號；
在吹灰試驗中，從第3次開始吹灰空氣壓力再也沒能恢復到5 bar以上，因此持續觸發報警。

② 計算分析

根據試驗數據結合吹灰動作參數，可推算出主輔機SCR系統在試驗時的最大耗氣量，根據此耗氣量可校核該船SCR供氣系統能力。

計算結果表明：試驗時在工作空氣瓶充滿的情況下，僅能夠支持主輔機SCR系統正常工作約40 s，期間主機SCR反應器可進行約3次吹灰動作，氣瓶的壓力降到約7.5 bar，工作空壓機自動起動補氣。但是由于這時SCR系統最大耗氣量約為447.4 Nm3/h，大于工作空壓機的能力348 Nm3/h，因此氣瓶壓力繼續下降，最壞情況下氣瓶壓力降至約6.3 bar；
在一輪吹灰結束后，空氣瓶從6.3 bar充滿至10 bar所需時間約3.5 min，而試驗時每兩輪吹灰之間的等待時間僅3 min，因此在下一輪吹灰開始時，氣瓶內的壓力將低于10 bar（約為9.5 bar），如果繼續吹灰進程，后續每一輪的供氣壓力會進一步降低。

根據上述計算分析可得出初步結論：該船SCR系統試驗時出現供氣壓力低的根源，在于主機SCR反應器吹灰的實際耗氣量大于設計值，使得整個SCR系統在吹灰時的總耗氣流量超出了空壓機的供氣能力，從而導致系統供氣壓力不足，即SCR控制系統中的吹灰動作參數設計與空壓機能力不匹配。

SCR控制系統通過設定吹灰脈沖閥開啟時間、吹灰間隔時間和吹灰待機時間這3個參數，對吹灰動作進行精確控制，而在該船進行SCR系統試驗時這3項參數均未合理設置，設置要求見表4。

表4 ?主機SCR反應器吹灰動作設定值

其中：對吹灰耗氣量影響最大的是吹灰脈沖閥開啟時間，試驗時該值被設定為0.8 s，因此導致了試驗時的耗氣量（約679 NL/次）比廠商給出的理論耗氣量（175～220 NL/次）大了3～4倍。

三項參數設置的不合理，使得吹灰動作嚴重偏離SCR系統的設計目標，導致試驗時系統的耗氣量異常偏大；
另外，由于供氣管路上減壓閥組存在故障，管路局部阻力偏大，影響補氣速度。上述幾點因素疊加在一起，最終導致了SCR系統試驗時反應器吹灰壓力低報警問題。

③ 解決措施

根據以上分析，主要采取以下措施來改善該船SCR供氣系統：

一是結合SCR系統設計要求和實際應用需要，重新設定主機SCR反應器的吹灰動作參數，改善系統吹灰耗氣量和補氣能力；

二是更換質量更優的減壓閥組，并且加大閥組的通徑，減小局部阻力，進一步加強補氣能力；

三是加大工作空氣瓶的容積，增加系統的緩存能力，降低供氣的壓力波動和空壓機的起停次數。

在實施上述整改措施后，重新對SCR系統進行效用試驗，整改后的供氣效果滿足SCR系統的要求，該船交付運營后，SCR系統運行狀態良好。

3.2 ?SCR供氣系統設計優化

SCR系統在脫硝模式下工作時，對壓縮空氣的消耗量遠超船上其他設備和系統。結合前面分析SCR系統實際使用過程中遇到的問題和整改措施，建議從以下幾個方面優化壓縮空氣系統的設計方案，以提高系統工作穩定性、可靠性：

（1）配置SCR系統供氣專用的空壓機和專用空氣瓶，使SCR系統的供氣獨立于其他設備系統，并且盡可能加大空氣瓶的容積；

（2）SCR空壓機采用螺桿式空壓機，充分利用螺桿空壓機排量大、可長時間連續運行、可自動加載卸載等特性，構建滿足SCR系統需求的供氣系統；

（3）將船上其它低壓壓縮空氣系統與SCR空氣并聯連接，必要時可同時供氣，以提高系統的供氣能力，確保其工作穩定性；

（4）與服務于主機起動空氣系統連通，使起動空氣系統具備向SCR供氣系統輸送壓縮空氣的能力，以便在必要時為SCR系統補充空氣；

（5）適當加大SCR供氣系統管路的通徑，控制管路流速，減小壓縮空氣的流動阻力，改善管系的供氣能力和緩沖能力。

SCR供氣系統設計優化示意圖，如圖4所示。

圖4 ?SCR供氣系統設計優化示意圖

4 ? ? 結語

SCR系統的壓縮空氣供應系統對其正常工作有著重要作用，對其脫硝效果亦有重大影響。本文以某85000DWT散貨船為案例，分析SCR供氣在設計和應用過程中遇到的問題原因，建設性地提出了供氣系統設計的優化方案。

參考文獻

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