《國(guó)際防止船舶造成污染公約73/78》附則Ⅵ強(qiáng)制生效的經(jīng)修訂的《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則(2008)》,僅適用于船舶建造時(shí)安裝的及2000年1月1日后經(jīng)重大改裝的輸出功率超過130 kW的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。安裝于救生艇上僅在應(yīng)急情況下使用，或其他應(yīng)急情況下使用的船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不受本條規(guī)定限制。其中，對(duì)新裝船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物排放限值又進(jìn)一步做出規(guī)定，于2016年1月1日或以后建造的船上安裝的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或在此期間替換或加裝的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)船舶在氮氧化物排放控制區(qū)域內(nèi)航行時(shí)，須符合如下第Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n大于等于130 r/min且小于2 000 r/min的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，廢氣中氮氧化物(NOx)的排放限值為9·n(-0.2)g/kW·h。所以船舶發(fā)電用中速柴油機(jī)(以下簡(jiǎn)稱輔機(jī))可以使用LP-SCR對(duì)廢氣中的NOx進(jìn)行低壓選擇性催化還原反應(yīng)，即低壓脫硝處理。本文主要介紹一種典型的LP-SCR。1 輔機(jī)廢氣低壓脫硝系統(tǒng)反應(yīng)過程輔機(jī)排出的廢氣中NOx,包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),是主要大氣污染物，LP-SCR系統(tǒng)作為一種可降低廢氣中NOx濃度的新型處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)的工作過程見圖1,作為還原劑的尿素溶液經(jīng)噴射后，與廢氣混合，尿素在高溫下發(fā)生熱分解反應(yīng)形成氨氣(NH3)和二氧化碳(CO2),其產(chǎn)生的NH3和廢氣混合，并通過反應(yīng)器中的催化劑模塊發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，NOx最終被轉(zhuǎn)化為對(duì)大氣環(huán)境無害的氮?dú)夂退魵馀懦觥?/section>上述選擇性催化還原反應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)的選擇性催化還原反應(yīng)與快速的選擇性催化還原反應(yīng)，反應(yīng)式如下：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O標(biāo)準(zhǔn)的選擇性催化還原反應(yīng)，NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O快速的選擇性催化還原反應(yīng)。顯然，上述催化還原反應(yīng)中催化劑的活性是決定最終減排效果的關(guān)鍵之一。然而，在165～185 ℃時(shí)，NH3可以與廢氣中的三氧化硫和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨(NH4HSO4)(Ammonium bisulfate, ABS),具有黏性和腐蝕性的ABS,不但會(huì)降低催化劑的活性，且ABS會(huì)對(duì)機(jī)器部件造成臟污和腐蝕。因此，必須通過有效的手段避免此不良化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，其中包括兩種主要方法：將燃油中的硫含量控制在0.1%以下；將脫硝反應(yīng)發(fā)生的最低溫度控制在250 ℃以上。
2 輔機(jī)廢氣低壓脫硝系統(tǒng)組成和工作原理LP-SCR安裝在輔機(jī)增壓器的低壓排氣端，這就是“低壓(Low pressure, LP)”這個(gè)詞的由來。經(jīng)過增壓器的廢氣首先流入選擇性催化還原(Selective catalytic reduction, SCR)混合管路中，在這里廢氣與被蒸發(fā)分解的還原劑相混合。充分混合后的氣體流入反應(yīng)器，進(jìn)行低壓選擇性催化還原反應(yīng)除去NOx,即脫硝處理。LP-SCR系統(tǒng)一般包括反應(yīng)器、泵單元、計(jì)量單元、混合管路、旁通閥、控制單元、尿素日用柜等。LP-SCR系統(tǒng)見圖2。
反應(yīng)器包括反應(yīng)器本體、催化劑、混合和導(dǎo)向裝置、吹灰裝置等，氮氧化物與氨氣的還原反應(yīng)就是在催化劑的作用下在反應(yīng)器中發(fā)生的。吹灰裝置是用具有一定壓力的壓縮空氣來吹掉催化劑模塊上的煙灰以防止廢氣中的顆粒在催化劑模塊上堆積造成廢氣背壓的升高和催化劑效率的降低。排煙管和LP-SCR原理見圖3。
泵單元和計(jì)量單元是用來供給、測(cè)量、霧化和噴射還原劑用的，主要包括離心泵、減壓閥、壓力傳感器、電磁閥、比例閥、單向閥、流量計(jì)等。泵單元把儲(chǔ)存在尿素儲(chǔ)存柜中的尿素溶液以一定的壓力泵送到計(jì)量單元，計(jì)量單元通過控制比例閥的開度可以調(diào)節(jié)尿素溶液的供給速率，供給速率由流量計(jì)檢測(cè)和顯示。混合管路是尿素溶液進(jìn)行水解反應(yīng)，以及NH3與廢氣相混合的地方，它布置在SCR反應(yīng)器前面的管路上，主要包括混合器、一段直管路和噴槍?；旌掀骱蛧姌尣贾迷诨旌瞎苈返钠鹗级?，輔機(jī)產(chǎn)生的廢氣首先經(jīng)過混合器，然后與被噴槍噴射進(jìn)來的尿素溶液在直管路中進(jìn)行混合。噴槍是實(shí)現(xiàn)尿素溶液噴射和霧化的重要設(shè)備，它由內(nèi)管和外管組成，內(nèi)管用來流通尿素溶液，外管用來流通壓縮空氣，分別與計(jì)量單元的尿素溶液管路和壓縮空氣管路相連接。尿素溶液的噴射是利用3～5 bar的壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)的，還原劑和壓縮空氣在噴槍末端的噴嘴處相混合，還原劑成細(xì)霧狀被噴射到廢氣中。噴槍安裝在混合管路中混合器的后面，并且噴嘴應(yīng)該位于混合管路的中線上，噴嘴采用三級(jí)霧化和圓形噴射形狀來實(shí)現(xiàn)良好的霧化效果，還原劑是順著廢氣流動(dòng)方向被噴射進(jìn)去的。SCR系統(tǒng)混合管路見圖4,噴嘴構(gòu)造和霧化原理見圖5。
旁通閥的開閉狀態(tài)決定輔機(jī)排出的廢氣是否經(jīng)過SCR。當(dāng)船舶在氮氧化物排放控制區(qū)域外航行時(shí)，旁通閥開啟，輔機(jī)廢氣經(jīng)過旁通閥進(jìn)入旁通管路排入大氣。控制單元包括信號(hào)采集和處理裝置、主控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)中所有傳感器收集到的信號(hào)經(jīng)過處理后送到主控制裝置，主控制裝置根據(jù)設(shè)定好的程序和收集到的信號(hào)再給指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高效率的脫硝處理和低程度的NH3逃逸，確保整個(gè)SCR系統(tǒng)安全持續(xù)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。尿素日用柜包括儲(chǔ)存柜和傳感器，主要是用來儲(chǔ)存和監(jiān)控尿素溶液，提供脫硝處理所必需的還原劑。3 SCR啟動(dòng)運(yùn)行和停止方法SCR自動(dòng)啟動(dòng)和停止分別有兩種方式。輔機(jī)SCR可以遠(yuǎn)程自動(dòng)啟動(dòng)和停止(集控室輔機(jī)SCR遙控板)或者機(jī)旁自動(dòng)啟動(dòng)和停止(程序邏輯控制器(Program Logic Controller, PLC)控制箱),都是一鍵式啟動(dòng)和停止。當(dāng)滿足各項(xiàng)啟動(dòng)條件啟動(dòng)后，有負(fù)荷的輔機(jī)會(huì)很快自動(dòng)進(jìn)行脫硝處理。當(dāng)進(jìn)行停止步驟后，所有輔機(jī)會(huì)自動(dòng)停止脫硝處理。當(dāng)SCR已經(jīng)運(yùn)行后，又有輔機(jī)欲投入運(yùn)行，只需要再次執(zhí)行SCR的自動(dòng)啟動(dòng)步驟，后并電的輔機(jī)就會(huì)運(yùn)行SCR。當(dāng)解列一臺(tái)輔機(jī)時(shí)，此輔機(jī)會(huì)自動(dòng)停止SCR。遠(yuǎn)程自動(dòng)啟動(dòng)步驟：① 在PLC控制箱上，把旋鈕轉(zhuǎn)到遙控位置。② 在集控室內(nèi)發(fā)電機(jī)SCR遙控板上，按下“遙控啟動(dòng)”按鈕。機(jī)旁自動(dòng)啟動(dòng)步驟：① 在PLC控制箱上，把旋鈕轉(zhuǎn)到機(jī)旁位置。② 在PLC控制箱上，按下“系統(tǒng)啟動(dòng)”按鈕。① 在PLC控制箱上，把旋鈕轉(zhuǎn)到遙控位置。② 在集控室內(nèi)輔機(jī)SCR遙控板上，按下“遙控停止”按鈕。① 在PLC控制箱上，把旋鈕轉(zhuǎn)到機(jī)旁位置。② 在PLC控制箱上，按下“系統(tǒng)停止”按鈕。4 HMI介紹人機(jī)交互界面(Human Machine Interaction, HMI)與SCR系統(tǒng)所有的部件相通信，通過安裝在控制箱里的PLC監(jiān)控和控制所有輸入和輸出信號(hào)。通過使用HMI的觸摸屏可以集中查看各個(gè)部件的工作狀態(tài)，檢查所有的運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行一些功能操作。對(duì)于可能出現(xiàn)的故障，HMI中具有詳細(xì)的匯總，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并分析可能的原因給出適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，以方便操作者解決故障。HMI包括主頁(yè)、趨勢(shì)、警報(bào)、啟動(dòng)條件、設(shè)備列表、手動(dòng)操作、設(shè)置等功能。5 日常管理要點(diǎn)1) 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行SCR前，需要檢查和疏通SCR的噴嘴，尤其是當(dāng)SCR長(zhǎng)時(shí)間不用，但是發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)，SCR的噴嘴容易被廢氣堵塞。當(dāng)SCR運(yùn)行后，可以根據(jù)尿素溶液流量變化判斷臟堵情況。在SCR的噴嘴臟堵后，尿素溶液流動(dòng)性變差，換熱效果變差，尿素溶液升溫晶體析出，容易造成最靠近噴嘴的電磁閥(尿素溶液調(diào)節(jié)閥)堵塞，需要拆下清潔或更換，更換下來的電磁閥可以清潔后備用。② 關(guān)閉計(jì)量單元箱內(nèi)的空氣和尿素溶液閥門。2) 當(dāng)發(fā)電機(jī)SCR的吹灰電磁閥在開啟位置卡死時(shí)，會(huì)造成吹灰空氣持續(xù)噴入，導(dǎo)致甲板空壓機(jī)和主空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)發(fā)生吹灰電磁閥在開啟位置卡死時(shí)，應(yīng)臨時(shí)手動(dòng)關(guān)閉位于吹灰電磁閥前方同管路上的吹灰截止閥，定時(shí)打開吹灰旁通閥進(jìn)行手動(dòng)吹灰。待吹灰電磁閥修復(fù)后，再恢復(fù)正常使用。3) 當(dāng)發(fā)電機(jī)SCR的廢氣壓差傳感器管路臟堵時(shí)，會(huì)造成壓差顯示錯(cuò)誤，因此，應(yīng)注意清潔疏通管路。4) 由于低溫環(huán)境對(duì)尿素溶液的保質(zhì)期有利，尿素艙海水冷卻管路應(yīng)保持常開。具體見表1所示：表1 尿素溶液保存溫度與最低保質(zhì)期 導(dǎo)出到EXCEL保存溫度/℃ | 最低保質(zhì)期/月 | 0—25 | 18 | <30 | 12 | <35 | 6 | >35 | 容易失效 |
5) 當(dāng)LP-SCR運(yùn)行時(shí)間達(dá)到12 000小時(shí)，應(yīng)打開反應(yīng)器，手動(dòng)清潔催化劑清除上面的積灰，檢查催化劑的狀態(tài)，結(jié)合LP-SCR的使用情況和各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，在必要時(shí)更換催化劑。6 常用中英文名稱和英文縮略語(yǔ)表2 常用中英文名稱和英文縮略語(yǔ) 導(dǎo)出到EXCEL | 英文 | 中文 | | ammonium bisulfate | 硫酸氫銨 |
HMI
| human machine interface | 人機(jī)交互界面 | | low pressure | 低壓 | | low pressure selective catalyticreduction | | | nitrogen | 氮?dú)?/p> | | ammonia | 氨氣 | | nitrogen oxide | 氮氧化物 | | nitrogen monoxide | 一氧化氮 | | nitrogen dioxide | 二氧化氮 | | program logic controller | 程序邏輯控制器 |
參考文獻(xiàn)： [1]李靈祎.船舶輔機(jī)廢氣低壓脫硝系統(tǒng)(LP-SCR)介紹[J].航海技術(shù),2022,No.254(02):55-57. 作者簡(jiǎn)介：
李靈祎，大管輪，北京鑫裕盛船舶管理有限公司
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