Réacteurs à réduction catalytique sélective (RCS) pour les navires

Qu'est-ce que les NOx et d'où vient-il ??

La pollution par les NOx se produit lorsque des oxydes d'azote sont libérés sous forme de gaz dans l'atmosphère lors de la combustion à haute température de combustibles fossiles.

Ces oxydes d'azote se composent principalement de deux molécules, l'oxyde nitrique (NO) et le dioxyde d'azote (NO2) ainsi que de quelques autres qui se produisent à des concentrations beaucoup plus faibles. Ces molécules – Les oxydes nitreux sont un important gaz à effet de serre qui joue un rôle important dans le changement climatique mondial.

Les oxydes d'azote se forment lorsque l'oxygène et l'azote de l'air interagissent lors d'un événement de combustion à haute température. Ces conditions se produisent dans les moteurs à combustion interne et les centrales électriques à combustibles fossiles.

Préoccupations environnementales et sanitaires

Les gaz NOx jouent un rôle important dans la formation du smog. Lorsqu'elles sont exposées aux rayons UV du soleil, les molécules de NOx se séparent et forment de l'ozone (O3). Le problème est aggravé par la présence de composés organiques volatils (COV) dans l'atmosphère, qui interagit également avec les NOx pour former des molécules dangereuses. L'ozone au niveau du sol est un grave polluant, contrairement à la couche d'ozone protectrice beaucoup plus élevée dans la stratosphère.

En présence de pluie, les oxydes d'azote forment de l'acide nitrique, contribuant au problème des pluies acides.

Les oxydes d'azote, l'acide nitrique et l'ozone peuvent tous pénétrer facilement dans les poumons, où ils endommagent gravement les tissus pulmonaires délicats. Même une exposition de courte durée peut irriter les poumons de personnes en bonne santé.

Pour ceux qui souffrent de problèmes médicaux comme l'asthme, le peu de temps passé à respirer ces polluants s'est révélé fatal. Cette pollution de l'air peut entraîner des maladies respiratoires telles que l'emphysème et la bronchite. La pollution par les NOx peut également aggraver l'asthme et les maladies cardiaques et est associée à des risques élevés de décès prématuré.

L'industrie du transport maritime international est confrontée à un environnement réglementaire de plus en plus strict, notamment en termes de limites imposées aux émissions dans l'air. Et avec l’entrée en vigueur des limites de NOx Tier III de l’Organisation maritime internationale (OMI) le 1er janvier 2016, une partie de l’annexe VI de MARPOL, les réglementations régissant les émissions marines sont devenues beaucoup plus strictes et strictes à suivre.

Conformément à l'Annexe VI de MARPOL, Règlement 13 – Oxydes d'azote (NOx), les oxydes d'azote des moteurs diesel à bord doivent être contrôlés comme suit

Les limites d'émission de NOx sont définies pour les moteurs diesel en fonction de la vitesse de fonctionnement maximale du moteur (tr / min), comme indiqué dans le tableau ci-dessus, les limites de niveau I et de niveau II sont globales, tandis que les normes de niveau III s'appliquent uniquement dans les zones de contrôle des émissions de NOx.

Il existe deux exceptions: les moteurs utilisés uniquement pour les urgences et les moteurs des navires opérant uniquement dans les eaux de l'État dans lequel ils sont battus. Cette dernière exception ne s'applique que si ces moteurs sont soumis à une autre mesure de contrôle des NOx.

Zones de contrôle des émissions doivent respecter les limites d'émission de NOx «Tier III», ce qui signifie qu'ils doivent émettre 80% moins d'oxydes nitreux qu'un moteur de plainte «Tier I». En vertu de ces règlements, les navires qui ont été posés après la date du 1er janvier 2016 et qui opèrent aux États-Unis / dans les zones de contrôle des émissions (ZCE) du Canada doivent se conformer aux nouvelles limites d'émission.
Ces limites d'émission sont applicables aux moteurs d'une puissance de sortie de plus de 130 kW installés sur des navires de plus de 5 000 GT.

Les normes de niveau III devraient exiger des technologies dédiées de contrôle des émissions de NOx. Celles-ci consistent principalement en deux options.

1) Utilisation du gaz naturel liquéfié (GNL) comme carburant dans les moteurs, en utilisant la technologie de combustion pauvre.
par exemple – Win GD Engines-Winterthur Gas & Diesel Ltd. qui brûle du GNL dans ses chambres de combustion en utilisant un système d'injection de gaz de GNL à basse pression pour la réduction des émissions de NOx.

2) Utilisation de technologies de réduction telles que diverses formes d'induction d'eau dans le processus de combustion (avec du carburant, de l'air de balayage (humidification de l'air aspiré) ou dans le cylindre), la recirculation des gaz d'échappement ou la réduction catalytique sélective.

Cet article met en lumière Réacteurs de réduction catalytique sélective sur les navires, ce sont les types, leur principe de fonctionnement de base, les composants, ses avantages, avantages et inconvénients.

Principe de fonctionnement de base

Réduction catalytique sélective est un moyen de convertir les oxydes nitreux dans les gaz d'échappement à l'aide d'un catalyseur en azote diatomique et en eau.

Une solution réductrice d'ammoniac anhydre (NH3), d'ammoniac aqueux (hydroxyde d'ammonium) ou d'urée (carbamide) est ajoutée à un courant de gaz d'échappement et est adsorbée sur un catalyseur. Le dioxyde de carbone (CO2) est un produit de réaction lorsque l'urée est utilisée comme réducteur.

L'équation chimique de la réaction utilisant soit de l'ammoniac aqueux anhydre pour le processus est

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O
NO + NO2 + 2NH3 = 2N2 + 3H2O

La réaction de l'urée au lieu de l'ammoniac anhydre ou aqueux est
4NO + 2 (NH2) 2CO + O2 = 4N2 + 4H2O + 2CO2 (en présence de catalyseur)

Réduction catalytique sélective

Cette technologie de post-traitement des gaz d'échappement a une capacité de réduction des NOx de plus de 80%. Le concept SCR consiste à injecter une solution d'urée-eau dans le flux de gaz d'échappement en combinaison avec une unité de catalyseur spéciale.

Le SCR est considéré comme un système de traitement d'échappement supplémentaire et indépendant et, en tant que tel, n'interfère pas avec la conception de base du moteur ou le processus de combustion.

Le diagramme de processus ci-dessous donne une meilleure compréhension du système SCR dans lequel l'urée interagit avec les oxydes nitreux présents dans les gaz d'échappement entrants, en présence d'un catalyseur, le convertissant en azote libre et en vapeur d'eau.

Le Comité de protection de l'environnement maritime (MEPC) de l'OMI a publié des directives pour la certification des systèmes de réduction catalytique sélective (SCR), référées à la «Directive SCR», à savoir la résolution MEPC.198 (62) de l'OMI.

Selon leurs configurations, les RCS peuvent être classés en 2 types – Ils peuvent être installés entre le collecteur de gaz d'échappement et le turbocompresseur ou entre le turbocompresseur et la chaudière à gaz d'échappement.

1) SCR haute pression

Dans le SCR haute pression, le réacteur est placé avant le turbocompresseur. Un échappement suffisant

la température du gaz doit être maintenue entre 300 et 400 degrés Celsius, ce qui peut être difficile lorsque le moteur tourne à faible charge et manœuvre.

Par conséquent, pour les moteurs à deux temps, l'emplacement le plus probable de l'unité SCR est avant le turbocompresseur afin d'élargir la plage active de fonctionnement SCR. Cela a peu ou pas d'effet sur le processus de combustion du moteur.

Il est possible d'exécuter des SCR haute pression sur du fioul lourd.

2) SCR basse pression

Dans les RCS à basse pression, le réacteur est placé après la turbine. Un préchauffage du flux de gaz d'échappement peut être nécessaire pour atteindre une température suffisante à l'entrée du réacteur pour la réaction catalytique. Une certaine production d'énergie peut être nécessaire pour le préchauffage.

Composants d'un SCR

Unité de dosage

L'unité de dosage se compose d'un système de dosage externe compact ayant un réservoir de solution d'urée-eau. La taille du réservoir dépend de la fréquence à laquelle le navire pénètre dans les zones de NOx de niveau III et de la fréquence d'utilisation du SCR. Les capacités du réservoir d'urée varient de 4 à 10 mètres cubes / MW pour les moteurs plus gros.

La zone à usage marin est généralement dissoute dans de l'eau ayant une concentration de 32% à 40%. L'urée est une solution inodore non toxique considérée comme sûre à transporter et à stocker à température et pression ambiantes. Cependant, une prudence particulière est requise dans les températures hivernales afin d'éviter la cristallisation.

Le système de manipulation de dosage fournit l'agent réducteur (solution d'urée) en fonction du signal de demande de dosage fourni par le SCR et le système de contrôle et de surveillance du moteur.

Vaporisateur / unité de mélange

L'urée du système de dosage est dosée et injectée dans le vaporisateur ou l'unité de mélange. L'agent réducteur injecté (urée) se vaporise et se mélange avec les gaz d'échappement entrants.

L'unité de mélange est en ligne avec le collecteur d'échappement du moteur et ses tuyaux sont conçus et construits après des calculs de débit complexes et des tests intensifs, pour assurer un bon mélange de la solution d'urée et des gaz d'échappement chauds. L'unité de mélange est généralement de 2 à 6 mètres de long et 500 mm de diamètre, cependant, la taille peut varier selon la taille du moteur.

Les tubes d'injection de l'unité de dosage pénètrent dans le vaporisateur par le bas, le haut du vaporisateur est équipé d'un boîtier électronique ayant un capteur de mesure de NOx pour surveiller les oxydes nitreux dans les gaz d'échappement et un capteur de contre-pression.

Chambre du réacteur SCR

C'est là que la conversion des NOx dans les gaz d'échappement en azote et en eau a lieu en présence de matériau catalyseur. Le réacteur SCR contient des cassettes du matériau de substrat de catalyseur. Les éléments du substrat fonctionnent à des températures limitées, si la température des gaz d'échappement est trop élevée, les éléments sont détruits.

Si la température est trop basse, l'efficacité du SCR est réduite. L'élément catalyseur contient du pentoxyde de vanadium (V2O5) qui aide le processus de réaction de conversion de l'urée et des gaz d'échappement en azote et en vapeur d'eau. Le volume du réacteur SCR est généralement de 1,5 à 3 mètres cubes / MW de puissance installée.

Qualité du fioul et technologie SCR

La teneur en soufre du mazout et la concentration de SO2 qui en résulte dans les gaz d'échappement est un paramètre critique qui doit être observé lors de l'utilisation des systèmes SCR. La température de l'urée doit être contrôlée en fonction de la teneur en soufre du carburant.

Une teneur élevée en soufre en présence d'une basse température des gaz d'échappement (en cas de manœuvre) nécessitera une température plus élevée de la solution d'urée à injecter car une condensation des gaz d'échappement pourrait entraîner la corrosion et endommager le substrat du catalyseur. Une teneur moindre en soufre dans le carburant permettra d'injecter une température inférieure de la solution d'urée.

La condensation de vapeur d'eau en présence de soufre dans les gaz d'échappement lors d'opérations à faible charge peut provoquer la formation de bisulfate d'ammonium solide. Ainsi, la température d'entrée d'échappement doit être maintenue suffisamment élevée pour éviter la condensation du bisulfate d'ammonium sur les éléments de substrat de catalyseur.

La condensation affecterait gravement les performances de réduction des NOx et provoquerait un colmatage, augmentant la contre-pression due à la formation de suie dans le réacteur.

Unité de soufflage de suie

Pour éviter la contamination des éléments du réacteur, un système de soufflage de suie est installé. Le soufflage de suie se fait à l'aide d'air comprimé de 7 bars.

SCR Control Sensor Unit

Les capteurs de NOx mesurent la concentration de NOx avant le réacteur SCR et le turbocompresseur.
La chambre du réacteur contient également des capteurs de NOx de sortie et des capteurs de température de sortie.

Système de ventilation

Le système de ventilation évacue le réacteur SCR lorsque le SCR est contourné (c'est-à-dire lorsque le moteur tourne en mode Tier-II) pour éviter l'accumulation de gaz d'échappement et la formation de suie dans le réacteur. Le réacteur est purgé avec de l'air frais pendant le fonctionnement de niveau II.

le Vanne d'étanchéité du réacteur est utilisé pour sceller le réacteur pendant la ventilation lorsque le SCR n'est pas utilisé.

Vanne d'étranglement du réacteur est situé à la sortie du réacteur.

Vanne de dérivation du réacteur est utilisé pour contourner le réacteur pour un fonctionnement NOx Tier II ou une panne du SCR.

le Soupape de dérivation de cylindre peut être utilisé pendant que le moteur tourne à des charges partielles pour contourner l'air de récupération vers le turbocompresseur pour augmenter la température des gaz d'échappement.

Les paramètres de coupure de coupure des soufflantes auxiliaires sont définis légèrement différemment dans le cas des moteurs équipés de SCR. Lors de l'enclenchement des soufflantes auxiliaires au moment de la réduction de la charge, un léger retard est introduit afin d'éviter une baisse brutale de la température d'échappement.

De même, lors de la coupure des soufflantes auxiliaires, lorsque la charge du moteur augmente, la température d'échappement a tendance à augmenter soudainement, pour éviter cela – la soupape de dérivation du cylindre (CBV) s'ouvre d'abord pour augmenter progressivement la température, puis les soufflantes s'arrêtent et le CBV plus tard ferme selon la charge du moteur.

Avantages et inconvénients du SCR

Pour assurer une élimination continue des NOx et éviter le colmatage, des considérations spéciales doivent être respectées en ce qui concerne les températures d'échappement.

Avantages

● La conformité aux niveaux de NOx de niveau III est réalisable.
● Élimination très efficace des NOx pour la plupart des charges du moteur (60-90%)
● Les SCR ont une base de référence en pleine expansion avec plus de 300 installations

Les inconvénients

● Plutôt intensif en investissement
● Élimination limitée des NOx à faible charge du moteur
● Par rapport à d'autres solutions pour les émissions de NOx Tier III, l'utilisation de l'urée nécessite l'installation de réservoirs d'urée qui devront peut-être être réapprovisionnés souvent (une affaire coûteuse)
● Peut entraîner une consommation excessive de carburant (environ 1%)
● Coût supplémentaire de l'urée dans les zones ECA.

Entretien

● Remplacement des capteurs de NOx – la durée de vie du capteur est d'env. 2000 heures
● Remplacement des éléments catalyseurs du substrat dans le réacteur SCR (durée de vie – environ 1000 heures)
La durée de vie des éléments catalyseurs dépend fortement de la teneur en soufre du carburant. Pour la conformité NOx Tier III, l'efficacité des NOx doit être vérifiée une fois par an.
Si la réduction de l'efficacité des NOx <70%, tous les éléments de catalyseur doivent être renouvelés conformément aux instructions du fabricant.
● Le souffleur de suie se compose d'une bouteille d'air comprimé, de soupapes à diaphragme de souffleur de suie et de pressostats. Tous les flexibles de pression doivent être vérifiés et les vannes à membrane doivent être maintenues.
● L'unité de dosage comprend un réservoir de solution d'urée, des filtres à liquide, des pompes doseuses, des ensembles de buses, des débitmètres, des vannes et des pressostats.
L'entretien hebdomadaire comprend le nettoyage des filtres, mensuellement comprend l'inspection des injecteurs. Une inspection et un fonctionnement corrects de tous les composants individuels doivent être vérifiés tous les 6 mois.

Avantages pour l'armateur / exploitant du navire

L'installation de technologies conformes aux normes NOx Tier III a été bénéfique au-delà de la simple conformité aux réglementations sur les émissions. Démontrer l’engagement d’une entreprise à assurer des opérations durables est devenu de plus en plus important.
Certains avantages supplémentaires incluent des avantages financiers directs, car les principaux ports offrent des remises substantielles sur les redevances portuaires. L'indicateur environnemental de la navigation (ESI) est un indicateur de performance fréquemment utilisé pour l'impact environnemental du transport maritime, qui est utilisé par les principaux ports pour calculer les redevances portuaires.
L'installation d'une technologie conforme au niveau III, au lieu de la technologie conforme au niveau II, ajoute environ cinq points sur l'échelle ESI.

Par exemple, les réductions suivantes des redevances portuaires pour l'exploitation au niveau III sont accordées par ces ports:

Los Angeles: 2500 $ par appel (ESI supérieur à 50)
Hambourg: 1500 € par appel (ESI supérieur à 50)
Rotterdam: 20% de réduction pour le Tier III
Anvers: 10% ESI supérieur à 31

Crédit d'image: Cat Marine

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