船舶SCR系統還原劑制備、存儲系統的設計

計雯鈺，李虎生，陳紀賽，支曉歡，徐海濤

（1. 南京工業大學 環境科學與工程學院，南京 211816；2. 南京中船綠洲機器有限公司，南京 210000）

0 引言

船舶柴油機廢氣中的氮氧化物對大氣環境造成嚴重污染，國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱：IMO）海上環境保護委員會第66屆會議確定了Tier III排放標準的實施時間，規定 2021年以后在指定的氮氧化物排放控制區（NOEmission Control Areas，簡稱：NECA）內航行的低速柴油機氮氧化物的排放須降到3.4 g/(kWh)以下，沒有達到相應海域排放法規要求的船舶將不允許在該區域內航行。船舶柴油機氮氧化物排放法規日趨嚴格，僅依靠柴油機自身結構參數改進優化或增加附屬裝置來改善燃燒性能已經不能滿足新的排放要求。鑒于此，大量船舶開始加裝選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，簡稱：SCR）系統，以提高氮氧化物的去除效率，以滿足Tier III的排放要求。

1 還原劑的選擇

SCR系統常使用液氨、氨水和尿素溶液作為還原劑。液氨與空氣混合后遇明火會發生爆炸，船舶不宜攜帶；氨水的儲存條件較為嚴格，船舶搖晃會導致氨水分解，存在安全隱患；而尿素溶液無毒無害，在一定條件下可以釋放NH，反應安全且副產品無害，是船舶SCR系統的理想氨源。

船舶SCR系統普遍使用質量分數為40%的尿素溶液（AUS 40），最佳存儲溫度為 5 ℃～35 ℃，低于2 ℃時尿素析出，高于35 ℃時易變質。因此，為滿足尿素溶液的存儲需求，本文設計一種船用還原劑存儲系統，以確保尿素溶液能穩定、可靠存儲，并且質量分數始終保持在39 %～41 %范圍內。

2 還原劑存儲系統

尿素溶液的制備、存儲系統是船用低速柴油機排煙管道上SCR系統的配套設備，主要用于尿素溶液的溶解、存儲以及日常應用。還原劑存儲系統主要由3個模塊組成，分別是純水制備模塊、尿素溶解模塊以及尿素溶液存儲模塊。

2.1 純水制備模塊

純水制備模塊（圖1）主要包括高壓泵、一級反滲透系統、二級反滲透系統、純水箱、純水輸送管道以及電氣自動控制系統等。純水制備模塊通過二級反滲透膜（Reverse Osmosis，簡稱：RO）制取工業純水，經過預處理后的原水在滿足反滲透膜進水水質的條件下進入反滲透裝置進行脫鹽處理，水中的礦物質、微生物和有機物等都被過濾掉，出水水質符合GB/T 6682規定的3級純水。

圖1 純水制備模塊（單位：mm）

2.2 尿素溶解模塊

尿素溶解模塊為撬裝式結構，主要由純水存儲罐、溶解罐、純水輸送管路和尿素溶液輸送管路等組成，模塊上裝有 45°斜梯，頂部裝有格柵操作平臺，如圖2所示。

圖2 尿素溶解模塊

純水存儲罐由圓柱形的筒體組成，下部焊有橢圓形封頭，頂部為平頂結構，設備上裝有純水輸送泵，高、低液位浮球開關以及磁性翻板式液位計等，用于存儲純水制備單元所制備的純水。

溶解罐為尿素溶解模塊的核心設備，專門用于制備AUS40尿素溶液。溶解罐與存儲罐外形相似，設備本體及所有管路的材質均為S30408。設備上裝有電加熱器、攪拌器以及尿素溶液循環攪拌管路，用于加速AUS40專用尿素在水中的溶解過程。溶解罐上裝有熱電阻，高、中、低3個液位浮球開關，液位傳感器以及磁性翻板式液位計等。此外，尿素溶液輸送管路上裝有Y型過濾器。

2.3 尿素溶液存儲模塊

尿素溶液存儲模塊用于快速冷卻剛制備的尿素溶液，使其在低溫環境下能長期保質存儲，并在SCR系統運行期間向尿素噴射系統輸送合格的AUS40船用尿素溶液。如圖3所示。

圖3 尿素存儲模塊

尿素溶液存儲模塊也為撬裝式結構，主要由 2個尿素溶液存儲罐A/B、冷水機組、尿素溶液輸送管路及冷水機組相關連接管路等組成。尿素溶液存儲模塊上裝有直梯，頂部裝有格柵操作平臺、過道以及護欄等。

這2個尿素溶液存儲罐內均裝有冷卻盤管，與冷水機組聯合用于冷卻罐內的尿素溶液，設備本體以及所有管路的材質均為S30408。設備上裝有熱電阻、液位傳感器、磁性翻板式液位計、尿素溶液輸送管路等。

冷水機組主要由壓縮機、蒸發器、干燥過濾器、儲液器以及冷凝器等組成，該裝置將循環回流的熱水與蒸發器內的液態工質（制冷劑）換熱，工質蒸發為氣態吸收熱量，釋放出熱量的低溫水將再次被循環輸送至存儲罐內冷卻尿素溶液，將罐內的尿素溶液冷卻至35 ℃以下。

2.4 電控系統

電控系統主要包括主電控箱以及純水制備模塊、純水存儲罐、溶解罐、2個尿素溶液存儲罐以及冷水機組上的子電控系統組成，系統通過PLC進行集中控制。

純水制備單元自帶獨立的電控系統，向主電控系統提供外接報警和運行指示2個信號，主電控箱向純水制備模塊提供制備純水運行信號。純水存儲罐的高液位浮球開關啟停純水制備單元，而低液位浮球開關啟停純水輸送泵。

尿素溶解罐上的子電控箱主要控制質量流量計、攪拌器、電加熱器、尿素溶液循環/輸送泵、高/低液位浮球開關和尿素溶液質量分數在線檢測儀等，用于制備、輸送AUS40尿素溶液。

這2個尿素溶液存儲罐上均裝有電動球閥、尿素溶液輸送泵和液位傳感器的控制子系統，用于AUS40尿素溶液的注入、低溫存儲和尿素溶液的輸送控制（輸送至尿素噴射系統）。

冷水機組自帶獨立的電控系統，其啟停主要受存儲罐內尿素溶液的溫度控制，冷水機組電控系統會向主電控箱提供外接報警、運行指示2個信號。

3 尿素溶液制備及存儲

3.1 AUS40尿素溶液制備

當純水存儲罐內的水位低于高液位時，純水制備模塊自動啟動，持續向純水存儲罐內輸送純水。當純水存儲罐內的水位在低液位以上時，即可啟動尿素溶液制備程序。一旦啟動尿素溶液制備程序，電控系統將啟動純水輸送泵向尿素溶解罐內注入純水，當溶解罐內的水位上升到中間液位以上時，水泵將自動停止運行。注水期間，操作人員可在頂部操作平臺上提前準備好一定質量的尿素顆粒，當溶解罐內水溫上升到40 ℃以上時，攪拌器開始運行，操作者可通過頂部投料口向溶解罐內投入尿素，完成投料后，純水輸送泵再次向溶解罐內輸送純水，同時電加熱器、攪拌器將繼續持續運行。電加熱器受水溫自動控制，確保溶解尿素的水溫一直在60 ℃以上。攪拌器運行1.5 h后，溶解罐上的循環泵開始運行，以加速尿素在水中的溶解過程。

完成尿素溶解后，如尿素溶液質量分數高于41 %，控制系統將自動計算稀釋尿素溶液所需的補水量，并啟動稀釋微調程序。電加熱器、攪拌器和循環泵啟動，同時純水輸送泵向溶解罐內輸送定量的水。如尿素溶液質量分數低于39 %，啟動尿素微調程序后，系統將告知操作者所需的尿素量，操作者可通過頂部的投料口投入定量尿素。

為了確保制備的尿素溶液滿足《船舶與海上技術-海洋氮氧化物還原劑AUS40第1部分：質量要求》的要求，從以下幾個方面控制尿素溶液的制備過程：

1）利用工業自來水，通過純水制備模塊制取符合GB/T 6682規定的3級純水，為制備AUS40尿素溶液提供水源；采用Q/SH 3031 0002—2018指定的AUS 40專用尿素；所有罐體、純水輸送管道、尿素溶液輸送管道內均要求通過3級純水清洗干凈，再通過壓縮空氣吹干。

2）安裝質量流量計控制3級純水的供給量；精確投放一定質量的尿素顆粒（若干袋）；通過加熱、攪拌和循環攪拌的方式確保尿素在水中完全溶解。

3）通過尿素溶液質量分數在線檢測儀實時檢測尿素溶液的質量分數，必要時可啟動尿素溶液質量分數微調功能。

3.2 尿素溶液存儲

制備完成的尿素溶液輸送到尿素溶液存儲模塊后，當存儲罐內AUS40尿素溶液溫度在35 ℃以上，且存儲罐內液位在低液位以上時，冷水機組將自動啟動，通過冷水輸送管路持續不斷地向存儲罐內的冷卻盤管內輸送6 ℃～7 ℃的冷水，用于冷卻存儲罐內的尿素溶液，直到罐內的尿素溶液冷卻到30 ℃以下為止，循環熱水將返回冷水機組的水箱內。冷水機組將優先選擇液位較高的尿素溶液存儲罐作為制冷對象，如2個存儲罐內的尿素溶液液位相同，控制系統將優先選擇尿素存儲罐A作為制冷對象。

當SCR系統運行時，如A罐為SCR系統的服務罐，啟動尿素溶液輸送程序，控制系統則將尿素溶液輸送到B罐內。完成B罐尿素溶液的輸送后，控制系統不會將尿素溶液輸送到服務罐A中，直到SCR系統停止運行或SCR系統的服務罐自動切換到另一個存儲罐為止。

當SCR系統停止運行時，啟動尿素溶液輸送程序，控制系統將自動進行邏輯選擇輸送尿素溶液存儲罐，具體的邏輯選擇原理如下：

1）選擇尿素溶液溫度不符合SCR系統應用要求（40 ℃以上）的存儲罐作為尿素溶液注入對象；

2）選擇罐內液位較低的存儲罐作為尿素溶液的注入對象；

3）同等條件下優先選擇存儲罐A作為尿素溶液的輸送對象；

4）完成一個存儲罐內尿素溶液的輸送后，控制系統將自動切換到另一個存儲罐進行尿素溶液的注入。

4 安全性設計

為確保還原劑存儲系統工作時的安全性能，在技術設計時采用以下技術措施：

1）尿素溶解模塊、尿素溶液存儲模塊上安裝的純水存儲罐、尿素溶解罐、2個尿素溶液存儲罐均為常壓容器，滿足NB/T 47003.1—2009《鋼質焊接常壓容器》，在設計時均分別對純水存儲罐、溶解罐、尿素溶液存儲罐進行強度計算，罐體壁厚滿足強度要求，同時保留一定的余量。

2）電控系統的安全性設計。

（1）電機過載保護。所有純水輸送泵和尿素溶液輸送泵在運行時如發生電機過電流現象，過載報警啟動，電機將自動停止運行。

（2）溶解罐高溫報警。溶解罐內電加熱器在運行期間，如罐內尿素溶液的溫度超過100 ℃，則溶解罐高溫報警，尿素溶液制備程序將自動暫停運行，加熱程序也將自動停止運行。

（3）高/低液位報警。溶解罐、尿素溶液存儲罐上均將設置高/低液位報警，防止系統故障時發生溢流現象或液位過低時泵的干運轉。

（4）電氣元件的安裝板與箱體之間、設備外殼與船體之間、設備內部引入的電纜均設置單獨的接地措施。

（5）短路保護。控制回路通過斷路器作短路保護。

通過采取以上一系列的技術措施，確保了還原劑存儲系統使用時的安全性和可靠性，還原劑存儲系統的安全性和可靠性得到了保障。

5 實船應用研究

為了確保研制的尿素溶液制備、存儲系統滿足實船應用要求，具體采取以下匹配性措施：

1）設備上所有配套件均要求滿足 IMO規范、《鋼質海船入級規范》和船級社的其他規范要求，重要配套件要求提供船級社的型式認可證書；

2）實船水源可從凈水存儲艙泵入，再通過純水制備模塊進行處理，以獲得符合GB/T 6682規定的3級純水；

3）純水制備裝置所產生的濃鹽水可直接排入海；

4）實船空間如不能滿足尿素溶解模塊、尿素溶液存儲模塊的安裝要求，可根據實船實際情況分別獨立地布置純水存儲罐、尿素溶解罐、尿素溶液存儲罐，并利用上層甲板作為操作平臺來進行投料、維護操作，設備之間的管路在各個設備定位后再進行連接；

5）冷水機組的散熱可通過海水冷卻系統實現。

6 結論

本設備優化了常規船舶尿素的存儲和液化系統。取消螺旋輸送機，改為通過人工投料，避免尿素因受潮結塊而堵塞投料通道；使用質量流量計準確控制尿素溶解所需要的補水量；尿素溶解電控系統增加質量分數微調功能，并增裝尿素溶液質量分數在線檢測儀，實時監控尿素溶液的質量分數；尿素溶液存儲系統增加低溫存儲功能，確保尿素溶液能實現快速冷卻、低溫長期存儲功能。

整個系統采用模塊化設計，實現了船用SCR系統中尿素溶液的制備及長時間安全穩定地保存，對船舶尿素存儲系統的設計提供一定的參考。