◎ 李俊鵬 黃念劬 嚴(yán)歡

1.中船動(dòng)力鎮(zhèn)江有限公司；2.中船動(dòng)力研究院有限公司

1.背景簡(jiǎn)介

本文針對(duì)某型船用柴油機(jī)與SCR的匹配進(jìn)行試驗(yàn)研究。該型柴油機(jī)是船用中速機(jī)的經(jīng)典機(jī)型，廣泛應(yīng)用于油輪、散貨船、雜貨船的主發(fā)電機(jī)組，強(qiáng)化指標(biāo)不高，但是可靠性強(qiáng)。隨著國(guó)際海事組織對(duì)船用柴油機(jī)的NOx排放限制愈發(fā)嚴(yán)苛，2016年以后鋪龍骨的遠(yuǎn)洋船舶在排放控制區(qū)航行，其安裝的柴油機(jī)需要滿足TierIII的排放限值，TierIII與TierII相比，其限值降低了約75%，通過(guò)機(jī)內(nèi)控制手段如減小噴油提前角（延遲噴油）、EGR（廢氣再循環(huán)）、噴水（或乳化油）等已經(jīng)很難滿足法規(guī)要求。而選擇催化還原（SCR）排放后處理措施，對(duì)柴油機(jī)改動(dòng)小，可靠性強(qiáng)，日常使用的還原劑（多為尿素水溶液）的成本也較低。因此SCR成為了船用柴油機(jī)排放控制的主流選擇，在新造船中帶有SCR的柴油機(jī)所占的比例逐年上升，國(guó)內(nèi)外SCR制造企業(yè)的產(chǎn)量節(jié)節(jié)攀高。

目前市場(chǎng)上主流的SCR系統(tǒng)，均采用尿素水溶液作為還原劑，霧化的尿素水溶液在柴油機(jī)排氣加熱下分解為氨氣，氨氣在催化劑作用下將柴油機(jī)排氣中的NOx還原為氮?dú)夂退?，從而達(dá)到除NOx的目的。

2.柴油機(jī)與SCR的設(shè)計(jì)匹配目標(biāo)

本文的試驗(yàn)機(jī)型及SCR主要的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)及SCR主要參數(shù)

該型柴油機(jī)排放滿足TierII要求，根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算，其TierII加權(quán)比排放限值為9.69g/kWh，TierIII加權(quán)比排放限值為2.41g/kWh，因此從排放限值上計(jì)算可得，SCR的轉(zhuǎn)化率達(dá)到75%以上時(shí)，基本可以保證SCR后的排放滿足TierIII的要求，為留有一定的裕度，設(shè)定SCR轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

按照SCR轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%的設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)柴油機(jī)的功率和廢氣流量經(jīng)驗(yàn)值完成了SCR的設(shè)計(jì)，選用目前較為常見(jiàn)的釩鈦型催化劑，并以質(zhì)量濃度為40%的尿素水溶液作為還原劑。

3.柴油機(jī)與SCR匹配試驗(yàn)研究

3.1 柴油機(jī)與SCR首次匹配試驗(yàn)

為驗(yàn)證S C R 與柴油機(jī)的適配性，搭建試驗(yàn)臺(tái)位，臺(tái)位布置滿足N TC20 08關(guān)于氮氧化物測(cè)試的相關(guān)要求。分別測(cè)量柴油機(jī)和SCR后的NOx濃度，并測(cè)量100%、75%、50%、25%、10%負(fù)荷柴油機(jī)尾氣中的HC、CO、CO2濃度，依據(jù)碳平衡法計(jì)算柴油機(jī)的排氣流量，進(jìn)而計(jì)算各負(fù)荷點(diǎn)的NOx比排放值，并按照NTC2008中規(guī)定的發(fā)電機(jī)組適用的D2循環(huán)各負(fù)荷點(diǎn)的權(quán)重，計(jì)算柴油機(jī)的加權(quán)比排放值，并與TierII和TierIII的限值進(jìn)行比較。試驗(yàn)臺(tái)架布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置圖

通過(guò)調(diào)試，各負(fù)荷點(diǎn)（除10%，10%負(fù)荷不噴射）均將尿素噴射率增加至SCR后的NOx濃度不再降低，進(jìn)而完成各負(fù)荷點(diǎn)的NOx濃度測(cè)試，并通過(guò)碳平衡法計(jì)算廢氣流量，進(jìn)而可得各負(fù)荷點(diǎn)的NOx比排放值。NOx轉(zhuǎn)化率η的計(jì)算公式為η=(C1-C2)/C1×100%，式中，C1為柴油機(jī)排氣出口NOx濃度（ppm），C2為SCR排氣出口NOx濃度（ppm）。柴油機(jī)和SCR的首次匹配試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 柴油機(jī)和SCR首次匹配試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，各負(fù)荷點(diǎn)的NOx轉(zhuǎn)化率均未達(dá)到80%，且25%負(fù)荷NOx轉(zhuǎn)化率僅為50%左右。經(jīng)計(jì)算，柴油機(jī)的NOx加權(quán)比排放值為7.96g/kWh，滿足TierII要求；而SCR后的NOx加權(quán)比排放值為3.82g/kWh，不滿足TierIII要求，柴油機(jī)與SCR首次匹配試驗(yàn)效果不良。

3.2 柴油機(jī)與SCR匹配不良的原因分析

由3.1可知，測(cè)得柴油機(jī)NOx比排放值與限值尚有一定差異，而柴油機(jī)的計(jì)算排氣流量還沒(méi)達(dá)到SCR設(shè)計(jì)排氣流量的上限。因此判斷導(dǎo)致匹配不佳的原因在于SCR內(nèi)的反應(yīng)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。又考慮到尿素噴射率已經(jīng)調(diào)整至NOx轉(zhuǎn)化率不再上升，說(shuō)明還原劑的量已經(jīng)充足，故判斷原因應(yīng)與催化劑的狀態(tài)有關(guān)。如前所述，本文所述SCR選用釩鈦型催化劑，這種催化劑的活性與溫度關(guān)聯(lián)十分緊密[1]，其催化劑活性（以NOx轉(zhuǎn)化率體現(xiàn)）與排氣溫度的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 催化劑活性與溫度關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，催化劑活性最高的溫度區(qū)間在320-420℃，而柴油機(jī)各負(fù)荷點(diǎn)的排氣溫度均在300℃以下，催化劑在小于300℃的條件下轉(zhuǎn)化率低于80%。

如通過(guò)調(diào)整催化劑成分，增加催化劑中的鈦等金屬成分占比，可以提高催化劑在低排溫工況下的活性，但是這種方案成本較高且重新制作催化劑周期較長(zhǎng)，不能滿足試驗(yàn)要求。

另一方面，考慮提升柴油機(jī)排氣溫度，以適應(yīng)催化劑特性，提高催化劑的活性。通常柴油機(jī)性能調(diào)整過(guò)程中，提高柴油機(jī)溫度的途徑主要有以下幾種：①利用電加熱器或柴油燃燒器對(duì)排氣進(jìn)行加熱；②延遲噴油提前角，惡化缸內(nèi)燃燒，提升排氣溫度；③降低柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)，犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性，將燃油中的能量轉(zhuǎn)化為排氣熱量，提升排氣溫度。在以上方案中，方案1最直接，但是電加熱器或柴油燃燒器的建造和使用成本較高；方案2對(duì)于排溫的提升是間接作用，微小調(diào)整對(duì)排氣溫度的提升不明顯；方案3可通過(guò)增壓空氣泄放方式完成，柴油機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，排氣溫度提升明顯。綜合比較上述方案，決定選用方案3作為改造方案，對(duì)柴油機(jī)改動(dòng)較小，且預(yù)期的排溫提升效果較為明顯。

3.3 柴油提升機(jī)排氣溫度改造方案

增壓空氣泄放方案的原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 增壓空氣泄放原理圖

改造的具體實(shí)施方案為，在柴油機(jī)增壓空氣通道上增加由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的雙作用泄放蝶閥，通過(guò)控制器控制泄放閥上分別驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)和關(guān)的兩路壓縮空氣的開(kāi)閉，進(jìn)而調(diào)整的泄放閥的開(kāi)度。驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)的壓縮空氣打開(kāi)而驅(qū)動(dòng)閥門(mén)關(guān)的壓縮空氣關(guān)閉，則泄放閥開(kāi)度增大，單位時(shí)間內(nèi)的增壓空氣泄放量增大，增壓空氣壓力降低，使過(guò)量空氣系數(shù)降低，排氣溫度升高；驅(qū)動(dòng)閥門(mén)關(guān)的壓縮空氣打開(kāi)而驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)的壓縮空氣關(guān)閉，則泄放閥開(kāi)度減小，單位時(shí)間內(nèi)的增壓空氣泄放量減小，增壓空氣壓力升高，使過(guò)量空氣系數(shù)升高，排氣溫度降低。

在柴油機(jī)渦輪增壓器排氣出口處安裝溫度傳感器，泄放閥控制器以該溫度傳感器的讀數(shù)作為反饋，傳感器讀數(shù)低于設(shè)定值時(shí)增大泄放閥開(kāi)度，增壓空氣壓力降低，排溫升高；傳感器讀數(shù)高于設(shè)定值時(shí)減小泄放閥開(kāi)度，增壓空氣壓力升高，排溫降低。通過(guò)反復(fù)調(diào)整泄放閥開(kāi)度，確保柴油機(jī)排氣溫度與設(shè)定值相符。由圖2可知，柴油機(jī)排氣溫度達(dá)到320℃以后，催化劑活性隨溫度上升的趨勢(shì)趨于平緩，故而繼續(xù)升高柴油機(jī)排氣溫度的意義不大；且考慮到通過(guò)增壓空氣泄放的方式，如使柴油機(jī)排氣溫度升得越高，則柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越差，因此將排氣溫度控制的設(shè)定值設(shè)定為320℃。

柴油機(jī)完成泄放閥安裝、溫度傳感器安裝、泄放閥控制器安裝等改造后，開(kāi)啟增壓空氣泄放系統(tǒng)，重新運(yùn)行柴油機(jī)，柴油機(jī)各負(fù)荷排氣溫度及增壓空氣壓力見(jiàn)表3。

表3 增壓空氣泄放系統(tǒng)運(yùn)行后的柴油機(jī)排氣溫度

由表3可知，增壓空氣泄放系統(tǒng)運(yùn)行后，柴油機(jī)排氣溫度在100%、75%和50%、25%等負(fù)荷基本保持在設(shè)定值320±5℃的范圍內(nèi)，而10%負(fù)荷由于初始的廢氣溫度比較低，即使增壓空氣泄放閥全開(kāi)，柴油機(jī)的排氣溫度在該負(fù)荷只能上升到150℃。另一方面，考慮到10%負(fù)荷時(shí)，SCR并不噴射尿素水溶液，且這個(gè)負(fù)荷在做NOx比排放值加權(quán)計(jì)算時(shí)的權(quán)重也較小，因此對(duì)該負(fù)荷不再考慮繼續(xù)升高廢氣溫度。

3.4 改造后的柴油機(jī)匹配SCR試驗(yàn)

完成改造后，重新運(yùn)行柴油機(jī)和SCR 進(jìn)行排放測(cè)試，由于排氣溫度的升高，催化劑工作在高效區(qū)間，催化劑活性有所提高，SCR的NOx轉(zhuǎn)化率明顯上升，SCR后的NOx濃度明顯下降，同時(shí)由于催化劑活性的提高，各負(fù)荷點(diǎn)的SCR尿素噴射率有所降低。改造后的SCR匹配試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 改造后SCR匹配試驗(yàn)結(jié)果

利用碳平衡法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可得改造后柴油機(jī)NOx加權(quán)比排放值為7.79g/kWh，滿足TierII要求；且SCR后的NOx加權(quán)比排放值為1.54g/kWh，滿足TierIII要求，試驗(yàn)結(jié)果表明，柴油機(jī)與SCR匹配成功。

改造前后柴油機(jī)排氣的NOx濃度、各負(fù)荷的NOx比排放值對(duì)比見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 改造前后柴油機(jī)NOx濃度對(duì)比

圖5 改造前后柴油機(jī)NOx比排放值對(duì)比

由圖4和圖5可見(jiàn)，改造后的柴油機(jī)排放NOx濃度有所上升，比排放值稍有降低，這是由于增壓空氣進(jìn)行泄放后柴油機(jī)排氣流量減小，因此NOx絕對(duì)濃度上升，而增壓空氣壓力的降低可以降低缸內(nèi)燃燒的初始溫度，抑制NOx生成，因此計(jì)算得的比排放值稍有降低。由圖4和圖5可見(jiàn)，增加增壓空氣泄放裝置對(duì)柴油機(jī)的NOx排放影響不大。

改造前后SCR后各負(fù)荷點(diǎn)NOx濃度、NOx比排放值、NOx轉(zhuǎn)化率、尿素噴射率對(duì)比見(jiàn)圖6至圖9。

圖6 改造前后SCR后NOx濃度對(duì)比

圖7 改造前后SCR后比排放值對(duì)比

由圖6至圖8可見(jiàn)，改造后排氣溫度上升，NOx的轉(zhuǎn)化率顯著提升，因此各負(fù)荷點(diǎn)的NOx濃度和比排放值均降低。由圖9可見(jiàn)，改造后的尿素噴射率降低，說(shuō)明實(shí)際參與反應(yīng)的氨增多，進(jìn)而說(shuō)明氨逃逸減少。

圖9 改造前后尿素噴射率對(duì)比

改造前后柴油機(jī)增壓空氣壓力、有效燃油消耗率對(duì)比見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 改造前后增壓壓力對(duì)比

圖11 改造前后油耗對(duì)比

由圖10和圖11可知，改造后柴油機(jī)增壓壓力有所降低，因此過(guò)量空氣系數(shù)降低，導(dǎo)致柴油機(jī)油耗有所增加，通過(guò)計(jì)算，改造后各負(fù)荷油耗的增加量為改造前的1%—12%，尚在可接受的范圍之內(nèi)，總體而言改造對(duì)柴油機(jī)的性能影響不大。

4.結(jié)論

（1）SCR催化劑的活性與溫度關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，需針對(duì)不同柴油機(jī)排氣溫度選擇匹配的催化劑；

（2）采用增壓空氣泄放的方式能夠有效提升柴油機(jī)的排氣溫度；

（3）柴油機(jī)排氣溫度提升至催化劑活性較高溫度區(qū)間，可提升催化劑對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化率；

（4）采用增壓空氣泄放，對(duì)柴油機(jī)的NOx排放影響不大，會(huì)犧牲一定柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，但該方案對(duì)柴油機(jī)影響尚可接受；