船用低速柴油机高压SCR系统台架试验研究

柴油机
Diesel Engine
第43卷(2021)第1期Vol.43(2021)Nr.1
CH?*：3-0-*：3-0-*：3-0-*：3-0-*：3-0-*：
［性能与排放1
LXK；»<K；»<K；»<K；»<K；»<K；»S-«^
船用低速柴油机高压SCR系统台架试验研究
王志刚!，赵勇#,李晓波1，沈腾!，姚宇翔1
(1.七一一研究所，上海201108；2.中国船舶重工集团柴油机有限公司，山东青岛266000)
摘要：通过在高压SCR系统上增加控制逻辑，调整部分设备的运行过程，设计了可稳定SCR运行的吹灰、换气稳压子系统,从而解决了柴油机从Tier皿切换至Tier"模式运行时，高压排气进入SCR 系统，对设备造成腐蚀的问题。

台架试验表明：E3循环下加权NO"排放降至2.49g/(kW-h)，低于IMOTier皿限值3.4g/(kW-h);氨泄漏量小于1mg/m3。

吹灰、换气稳压系统达到预期设计目标。

关键词：船用低速柴油机；高压SCR系统;吹灰系统；换气稳压系统；台架试验
中图分类号:TK421+5文献标识码:A文章编号：1001-4357(2021)01-0005-04
ResearcC on the Benet Tesh of a High Presserr SCR System of a Marine
Low Speed Diesel Engine
Wang Zhigang1，Zhao Yong2，Li Xiaobo1，Shen Teeg1，Yao Yuxiang1
(1.Shanghai Marne Diesd Engine Research Institute，Shanghai201108;
2.China Shipbuilding Induste Corporation Diesd Engine Co.，Ltd.，Shandong Qingdao266000)
Abstract:To deaf witO the problem tOat as the dasS engine switch into Tier"mode，high pressure exhauss gas flows into the SCR system，and leads to equipment cofosion，the blowing and venting system was developed by adding controO logic to tOe high pressure SCR system and adjusting the operational process ot some equipments.Bench test showed tOat with tOe E3cycle，the weighted NO"emission was decressed to2.49g/(kW-h)，lower tOan the IMO Tiee!tandard3.4g/(kW-h)，the leakage rate of ammonia was less tOan1mg/m3.The blowing and venting system has achieved tOe design goaf.
Key words:maane low speed diesd engine;high pressure SCR system；blowing system；venting sys-tm；b(nch tst
0引言
船舶柴油机的排放严重影响港口的空气质量,进而危及人们的健康［1］'目前，已有法规出台规定了NO"和SO"的排放限值，其中，IMO Tier皿规定：低速机NO"排放限值为3.4g(kW-h)o 大量的试验已证实：加装SCR系统可降低船舶柴油机NO"排放80%以上)2-*。

鉴于此，国内主要的柴油机厂商和尾气治理设备供应商都加快了SCR系统的研发和技术优化。

目前较为成熟的SCR解决方案有：低压SCR 系统和高压SCR系统。

其中，高压SCR系统布置在增压器前，利用较高的排气温度，结合成熟的催化剂技术可达到较好的脱硝效果，其原理如图1所示。

高压SCR系统在船舶柴油机上的应用存在一个技术难点：当柴油机切换至Tiee"模式运行时，高压排气会通过SCR系统进出口的高温阀泄漏进入SCR系统内部，特别是流入SCR反应器内。

而一般在Tier"模式下柴油机用的燃油含硫量较高，因此，流入SCR反应器内的废气冷却降温后会凝结成硫酸水溶液，对设备造成腐蚀，甚至影响催化
收稿日期：2019-10-14；修回日期：2020-12-08
作者简介：王志刚(1989—),高级工程师，主要研究方向为船舶柴油机排气治理，188****************
+ 6 +柴油机第43卷第1期
活性。

如解决此问题同时避免对系统的安装和
性能造成较大影响，成为开 的 SCR 系 统的一点〔4*。

本在 SCR 系统
的基础上，通过增加控制逻辑，调 部 的运过程， 了可
的子系统（换气 :系统），在架上验证 的可行性，及增加该
子系统后 SCR 系统的性能。

图0高压SCR 系统原理示意图
0高压SCR 系统设计
本高压SCR 系统基于W6X62-型柴油机设 计。

该柴油机部分性及排放参
1。

表0试验柴油机部分性能及排放参数
参数工况1
工2工况3
工况4
负荷/%100
75
5025功率/ kW
9 9707 4784 9852 493
排气质量流量/ （ kg • h-1 ）67 320
61 92041 400
21 600
排气温度（涡前）/°c 429355
310290涡轮增压前压力/kPv
391.4
305.9209.0
136.8NO ,排放/ (/ - kW-1 - h-1)
12.515.5
18.5
22.5
SCR 系统主要设备包括：泵站单元、计
量单兀、吹灰系统、换气 系统、伴热系统、混 合管。

图2为自主开发的 SCR 系
统主要 示意图。

气
系统是保证高压SCR 系统稳定运行
的关键。

换气 系统的主要功能是：当 柴油
机由Tice !模
Tice "模
时，以一
力（0.6〜0.8MPv ）的压缩空气吹扫SCR 反
管路 气和密封，以保证SCR 管路和
洁，防止管路腐蚀
化物生成。

气 系统
模式包含换气
两种形。

当柴油机由Tice !模
Tice "模
时，V3阀打开，V1阀 V2阀 闭，换气模式
开始 。

此时打开尿素雾化空气管路 阀
V4,利 缩空气扫除SCR
管路中的废
气。

该模 阀全开， 差传感 差信
号影响。

气模
束后， 模开始。

该模式
所需的压缩空气由尿素雾化空气管路提供,
SCR.
管路中压缩空气
阀 。

尿素雾化空气开启时
阀开启
V2阀两侧
的压差信号改变，以保持SCR 管路系统和Tice "
管路的系统压差在5〜25 kPv 。

当 差 5 kPa 时，数据监测系统控制尿素雾化空气管路开启；当 差 25 kPv 时，数据监测系统控制
阀开启，以保证压差维持在
范围内。

换气
系统
置示 图3。

图2 SCR 设备示意图
2试验装置和方法
SCR 反应器
〈烟气进口一
2.1试验测试设备
主要试验测
2。

20211王志刚等：船用低速柴油机高压SCR系统台架试验研究•7•
表2测试设表
名称型号生产厂家备注
柴油机W6X62-C中国船柴
测功器
SCR系统HS025SMDERI
排气检测仪HC(W)600HFID
CAF
沪江NO"(D)600HCLD CAF沪江CO2(D)602P NDIR CAF沪江CO(D)602P NDIR
CAF
沪江。

2(D)602P PMD CAF沪江
N］检测仪LAS-RB110加拿大优胜激光法系统中的柴油机废气排出，SCR系统与外部系统建立一定的压差。

通过观察NO’传感器差传感判断SCR系统的废气是否完全排除，是否完成保持一定的压差。

3试验结果及分析
3.〔SCR系统性能试验
3.1.1E3循环四种工况试验
别在E3循环四种工验，试验结果如表3和图6所示。

2.2试验台架
本试验在中国船舶重工集团柴油机有限公司进行，验架及SCR系统布置如图4所示。

图4试验台架及SCR系统布置
2.2试验方法
SCR系统性能试验按照中国船级社CCS型式认可试验标准，包括：E3循环率性验、偏移特性点试验和最大转化效率试验。

功性验如o
(1)吹灰系统试验
吹灰系统时，吹灰阀依次开启，相邻两
隔一定的时间，按如此流程循环，直
收到停止信号。

试验成后，对内部：拆检，通过观察催化层是否有灰分或颗粒聚集来判断吹灰系统的。

部管路的布置如图5所示。

表3E3循环工况点试验结果
E3
循环
工况点
转速100%91%80%63%
功率100%75%50%25%
加权因数0.200.500.150.15排放
尿素溶液喷射量/
(i+h-1)
119.3136.1118.982.2
NO"排放/
(-・kW"・h-1)
1.84
2.15 2.91 4.06
NO"转化率/%82838380
加权NO#排放/
(-・kW"・h-1)
2.49
T
q
.
T
M
a
M
P
O
N
25%负荷50%负荷75%负荷100%负荷
■SCR入口I SCR出口
图6E3循环点排放
由表3可：E3循环四种工况：25%、50%、75%和100%下的脱硝效率分别为80%、83%、83%和82%；加权NO’排放为2.49-/(kW・h),低于IMO Tier川限值3.4-/(kW・h)o具体如图7所示。

图5置图
(
一q
.
-
A
F
^
X
O
N
18
16
14
12
10
°05001000150020002500
转速/(r-min J)
图7E3循环加权NOx值与IMO限值比较
(2)气系统验
收信号后，喷枪注入压缩空气，将SCR 3.1.2SCR系统最大转化效率
SCR系统最大转化效率试验在100%
负荷下进
•8+柴油机第43卷第1期
行。

100%工况尿素溶液喷射量设定值为119.3 1/h；逐步增加尿素供应，最喷射量达到141.6 1/h。

经SCR系统处理后的NO*排放实测值如图8所示。

在持续10min的测量时间内NO’排放浓度较为平稳，N］泄漏量小于1m//m3o
由图8可知，在保证N］泄漏量满足要求的时，最大率达到94.5%,与
相符。

SCRA口SCR出口
图8100%负荷最大转化效率下的NOx排放
3.1.3偏移特性曲线点转化效率试验
现场挑选的偏移特性点为40%负荷，尿素溶液喷射量为102.6fho SCR系统处理后NO"实测值如图9所示。

在持续10min的测量时内，NO"较为，率达89%，N］泄漏量低于1mg/m3。

18
16
14
12
10
17.09
89%
L88
SCR入口SCR出口
图940%负荷Tier III排放
由图9可，通过对尿素溶液喷射量的调节，系统在特性曲线偏移点也可达到较高的率,满足中社认可要求。

3.3功能性试验
3.3.1验
验中，吹灰系统可依据主机控制系统的指示正常。

验条制，吹灰系统吹扫的动态实时无法监测；但 的压降一直保持在低水平，可以说明吹扫系统的效果。

在完成50h试验后对拆检，催化现场照片如图10所示。

图00化
由图10可以看出：第一层催化剂的洁白，无色或颗粒附着。

说明吹灰系统较好的吹扫o
3.3.3换气稳压系统试验
气主要受现场台架管系布置影响，管系长长，管接处密封越差，的时长。

在气系统第一次测试时，由气管路上有若干点，力无立；现场处理后，第二次换气稳压测试，结果如。

(1)换气
测试SCR系统换气功能的方法为：通过喷嘴向系统内喷入一力的压缩空气，并打开器阀(V7)，将的废气吹扫。

判断标准是经出口传感器测量，系统内的NO’值保持在较水。

测如图11所示。

由图11可知：当换气功时，系统入口的NO"浓度迅速下降，经1000s左右，入口的NO,浓接近0,且一直保持在此水平。

由此可见，通过喷枪向系统内通700kPv压力的空气，将SCR系统内废气完全置换掉需要20min左右。

(2)
成换气后，将V7阀关闭，系统进入稳压程序，此时，柴油机由50%增至100%，SCR系统外部压力增至380kPv；同时制系统监测SCR 系统阀V2两端的压差。

如图12所示，中：#1为V7阀开启的时间，#2为V7阀关闭后直立最大差的时。

(第31
)
20211闫家宽等：柴油机余热冷却系统对缸套热应力的影响研究•31•
类型：等效应力
单位：MPa
时间：102s
.10.527最犬
■9.3632
-8.1991
-7.0351
-5.871
-4.7069
-3.5428
-2.3787
J 1.2147
■0.050591最小
图16海水流量12o3/h,温度10C,
"=102s时缸套等效应力云图
3结论
为了研究增热冷却系统后对缸套造成的影响，建立了柴油机缸套的热仿真模型，并通过验验证了模型的准确性。

该模型的仿真研究如下。

(1)柴油机在100%工况运行时，缸套的最大热应力为54MP/，小于缸套的强度极限。

(2)海水流量为8、12、16m3/h，为11f工况下的仿真明：柴油机余热冷却系统的海水流量对缸套的温度、热应力的影响较小。

(3)海水为11、26f,流量为12 m3/h工况下的仿真结果表明：柴油机余热冷却系统的海水较低时，缸套的最稍低,热应力稍高。

(4)柴油机余热冷却系统开始后，缸套的
热应力 降低；最的热应力最大，约为26MPv,远小于柴油机100%工况时的热应力，可以认为该系统对柴油机缸套是安全的。

考文献
)1*俞小莉，郑飞，严兆大.内燃机气缸体内表面稳态传热边界条件的研究［J］•内燃机学报，1987，5(4":
324-330.
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:4*崔崇亮，露，田野，等•高硅铝合金缸套热负荷的有限元［J*•特种铸造及有色，2015，35
(6):593-C96.
(上接第8页)
图11Tier||切换到Tier|||模式入口g浓度
由图12可知：D1设定值为1500s，大于换气所需的1000s，而D2大为3800s，系统达到设的压差值上限20kPv o此时，停止喷缩空气，一段时间后，压差慢慢降低，当10kPv时再次喷入压缩空气。

.系统压差保持在10〜20kPv°由此可见，换气系统要求。

4论
本文针对高压SCR系统SCR反应器内废气冷却降温后凝结成硫酸水溶液，对造成腐蚀甚至影响催化剂活性的问题，在SCR系统的上，通过增加控制逻辑，调部的运行过程，了可的换气系统。

台架试验验证表明：改后的SCR系统E3循环工况点下的加权NO’排放为2.49y/(kW・h)，符合IMO Tier川排放法规要求，脱硝率达到94.5%；氨泄漏量小于1my/m3；吹灰系统和换气稳压系统工作，达要求。

考文献
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