某插樁式搶險打撈工程船的SCR系統

賴柯宇 姜本儉 卓寧寧 王銀行 劉知鵬

摘 要：當前海洋環境污染日趨嚴重，人類生存空間日漸緊張。為保護海洋環境，國際海事組織（ IMO）制定了船舶廢氣中有害物質排放控制標準，其中包含了船舶柴油機廢氣中氮氧化物（ NOx）的排放標準（IMOTier III）。船舶為了合法合規在海上航行，必須通過實施多種方案來滿足NOx的排放標準。本文基于某插樁式搶險打撈工程船，著重對船舶選擇性催化還原（ SCR）系統進行研究，并介紹了SCR系統的主要組成。

關鍵詞：Tier III;尿素溶液;SCR廢氣;NOx濃度;反應

中圖分類號：U664.121

文獻標識碼：A

1 前言

船舶航行時排放的廢氣，包含了氮氧化物NOx、硫氧化物SOx和顆粒物等，已成為不可忽視的污染源。國際海事組織[IMO]為控制船舶廢氣造成環境污染，制訂了多級排放標準，其中從2011年開始實施Tier II，從2016年開始在排放控制區域推行Tier III。這意味著當船舶進入氮氧化物排放控制區時，柴油機所產生的廢氣必須滿足Tier IⅡ排放標準。為此，船舶行業必須采用減排效果更佳且更經濟的措施來降低船舶廢氣中的氮氧化物NOx濃度，

2 減少NOx排放的措施

目前減少NOx排放的有效措施，主要包括：

（1）發動機改用雙燃料發動機

發動機通過燃燒液化天然氣（ ING）等清潔能源來減少NOx的排放，從而滿足Tier IⅡ排放標準。使用雙燃料發動機的船舶，一般都有船型限制的要求，現多用于LNG船;

（2）采用尾氣后處理的辦法

尾氣后處理包含了兩種方案：選擇性催化還原（ SCR）和廢氣再循環（EGR）。這兩種技術各有利弊：①ECR技術需要對柴油機本體進行改造，通過將柴油機排氣過程中的部分廢氣導流回到進氣過程中，減少柴油機燃燒過程中氧含量，進而減少柴油機燃燒過程混合氣中NOx的生成，達到減少氮氧化物濃度的效果;②SCR技術屬于外置技術，采用尿素霧化與排煙管中高溫廢氣混合，在催化劑的促進下發生化學反應，將柴油機產生的廢氣中的NOx還原為無污染的氮氣和水，不需要對柴油機本體進行結構改造;

（3） SCR技術需消耗尿素，而ECR技術不消耗尿素，不用在船舶上設置尿素艙柜，但ECR技術存在改變柴油機構造后柴油機性能減弱的弊端;采用SCR技術，雖然船舶建造成本相較于EGR較高，但船舶航行運營成本較低。為滿足法令法規的NOx減排要求，SCR技術的經濟性使它成為了目前在建船舶的主流選擇。本文基于某插樁式搶險打撈丁程船，對SCR系統進行研究分析。

3 SCR的化學反應

科學研究發現，尿素在高溫環境下會分解產生氨氣，同時在高溫環境中氨氣與柴油機廢氣中的氮氧化物會發生化學反應，即脫硝（ DeNOx）。如果對該化學反應加入催化劑，將會大大提升脫硝率。

選擇性催化還原（ SCR）的基本原理，是以氨氣（ NH3）作為還原劑在催化劑的作用下對廢氣中的氮氧化物進行脫銷處理（奪取廢氣中的N元素），并保證一定的脫硝率，以達到IMO TierⅢ排放標準。柴油機廢氣中的氮氧化物（ NOx），主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（ NO2）組成。

選擇性催化還原（ SCR）的化學反應是十分復雜的，大致可表現為以下幾個反應：

（1）高溫分解反應

CO（ NH2）2→NH2+HNCO（異氰酸）

（2）異氰酸分解反應

HNCO+H2O→NH2+CO2

（3）選擇性催化標準反應

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

（4）選擇性催化快速反應

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

（5）選擇性催化緩慢反應

4NH3+6NO←SN2+6H2O

（6）氨的氧化反應

4NH3+3O2→2N2+6H2O

上述化學反應方程式顯示： （1）尿素在高溫環境下分解成了氨（ NH3）和異氰酸（HNCO），異氰酸（HNCO）進一步分解成氨（ NH3）和無污染的二氧化碳（CO-）;（2）高溫時，氨（NH3）作為還原劑和一氧化氮（NO）、氧氣（O2）發生選擇性催化標準反應，將一氧化氮還原成氮氣（M）和水（H2O），即脫硝標準反應;低溫時，氨（NH3）作為還原劑和一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）發生選擇性催化快速反應，將一氧化氮（ NO）和二氧化氮（NO2）還原成氮氣（N2）和水（H2O），即脫硝快速反應;（3）在柴油機高負荷運行時，整個選擇性催化反應過程將以脫硝標準反應為主導，結合脫硝快速反應，將柴油機廢氣中的一氧化氮（ NO）和二氧化氮（NO2）還原成無污染的氮氣（N2）和水（H2O），完成對柴油機廢氣凈化處理。

4 SCR系統原理

基于某插樁式搶險打撈工程船，對SCR系統進行簡述：

某插樁式搶險打撈工程船，由708所設計院設計，中船黃埔文沖船廠建造。該船為四樁腿液壓插銷式白升白航搶險打撈丁程船，入籍ccs船級社符號，具有DP-2級動力定位能力，主要用于廣州打撈局轄區海域及近海淺水水域應急清障和搶險打撈作業。

本船共配備五臺大柴油機（單臺功率3 500 kW，額定轉速750 r/min）、兩臺小柴油機（單臺功率1 700kW，額定轉速1 000 r/min）作為主動力輸出;柴油機排放滿足IMO TIERⅡ要求，具有相應EIAPP證書。安裝SCR系統后，柴油機排放滿足IMO TIERⅢ要求，并具有相應EIAPP證書;當本船在氮氧化物排放控制區（ NECA）以外海域航行時，柴油機排放滿足NOx排放標準;如本船駛入控制區NECA時，需同時啟用SCR系統進行NOx減排措施，以滿足Tier Ⅲ下的NOx排放量要求。

下面結合SCR系統簡圖（見圖1），對SCR原理進行闡述：

（1）氨氣（NH3）作為選擇性催化還原反應中的還原劑，屬于消耗品，所以船上應設置艙柜進行儲備。但氨氣具有危險性及危害性，不便于運輸及儲存，而尿素溶液容易高溫時發生分解反應轉化為氨，相對于氨氣較為容易儲存和輸送，所以本船選擇尿素溶液作為還原劑，設置了儲存40%尿素溶液的尿素艙;

（2）當柴油機啟動時，柴油機排氣過程中排出含氮氧化物的廢氣，SCR系統同時作用。SCR系統中尿素溶液流經泵站后和壓縮空氣一同進入加藥單元，并由加藥單元定量供給至噴射段，成比例的壓縮空氣和尿素溶液從噴射段的噴嘴噴射進入混合單元中;

（3）尿素溶液從噴嘴噴射出來時呈霧化狀態，便于在高溫狀態下發生分解反應產生氨氣;廢氣經排煙管進入SCR系統內的混合單元，在混合單元內與霧化后尿素溶液產生的氨充分混合，形成混合氣;充分混合后的氨一廢氣再經排煙管進入催化裝置，在多級的催化劑催化下發生選擇性催化還原反應（ SCR），柴油機廢氣中NO2、NO被催化還原后形成N2和H2O，經過DeNOx后符合IMO Tierlll標準的廢氣排至大氣。

5 SCR系統組成

SCR系統主要由尿素艙、尿素泵站、壓力控制及分配單元、加藥單元、噴射段、混合單元、催化裝置、SCR系統控制箱、氮氧化物分析柜組成：

5.1尿素艙

尿素儲存艙柜的艙容，應不小于船舶長期在NECA海域航行時尿素的消耗量。氨會對普通碳鋼產生腐蝕，所以尿素儲存艙的艙壁結構宜采用316L不銹鋼或者經過特涂后的碳鋼。

5.2尿素泵站

尿素泵站的作用是將尿素溶液從尿素儲存艙內抽出，并將尿素溶液加壓輸送至PCL，通過壓力傳感器監測出口處尿素溶液的壓力。

尿素泵站同時受到本地控制箱及遠程的SCR控制箱控制。一般尿素泵站尿素的供給量可供多臺柴油機廢氣進行選擇性催化還原反應。本船屬于DP-2級動力定位船，主動力以及電力都需做冗余設計，共設計了三組動力系統配套三套電力系統;對應電力分組，共設置三臺尿素泵站，每臺尿素泵站由不同組的電力系統供電。

5.3 壓力控制及分配單元

壓力控制及分配單元，對尿素溶液進行壓力控制及分配。尿素溶液由尿素泵站輸送至壓力控制及分配單元的入口處UI，尿素溶液通過出口處U2、U3溢流閥流至加藥單元;在加藥單元根據柴油機負荷高低對混合單元定量注入尿素溶液時，多余尿素溶液通過回流口U-R回流至尿素儲存艙內。

本船配置的壓力控制及分配單元，最多可對8臺加藥單元輸送尿素溶液，而壓力控制及分配單元與尿素泵站是一一對應關系，本船共配置了3個壓力控制及分配單元，見圖2所示。

5.4 加藥單元

加藥單元是SCR系統關鍵執行部件。SCR控制箱通過內部模塊上已設定好的程序，控制加藥單元上的電磁閥開啟狀態，實現尿素溶液和壓縮空氣分別定量注入混合單元上的噴射段;在加藥單元中，尿素溶液來自PCL，壓縮空氣來白船上的SCR空氣瓶，壓力一般為7 har左右;加藥單元內部還設置了流量計，尿素溶液注入量記錄在SCR系統控制箱中，具有校正及歷史記錄的作用;加藥單元注入噴射段內的壓縮空氣起兩個作用：一是壓縮空氣可以和尿素溶液同時進入噴射段，促進尿素溶液在混合單元的霧化效果;二是壓縮空氣可以單獨進入噴射段和尿素管道，對兩者進行沖洗，防止長期使用后管道出現堵塞的情況;一臺加藥單元只能精確控制一臺柴油機所需的尿素量，本船共設置了7臺加藥單元。

5.5 噴射段

噴射段由尿素進口軟管、壓縮空氣進口軟管、單向止回閥、噴嘴構成，圖3所示：尿素溶液軟管和壓縮空氣軟管末端，都設置了單向止回閥防止回流。加藥單元工作時，尿素溶液和壓縮空氣同時進入長噴嘴段，壓縮空氣驅動尿素溶液由噴嘴噴出，高壓尿素溶液于噴嘴口呈發散狀注入混合單元內;噴射段的長噴嘴安裝于混合單元內，且噴嘴口位于混合單元的軸向中心處，如圖4所示。

5.6 混合單元

混合單元可垂直或水平布置于柴油機排煙管中，混合單元兩端分別與排煙管法蘭連接，為氨一廢氣混合氣形成的場所;噴嘴安裝于混合單元中心處，且噴嘴朝向與柴油機廢氣排出一致;混合單元的網形擾流板安裝于噴嘴之前，其作用是對廢氣進行擾流，廢氣經過擾流板后由層流變為湍流，使尿素分解后的氨氣與廢氣混合更充分。為保證氨氣與廢氣完全混合，要求噴嘴出口處至催化裝置之間存在2.5 m與1.8 m的最小直段要求。

5.7 催化裝置

催化裝置為發生選擇性催化還原反應的場所，其內部沿排氣方向布置了多級催化劑。本船共設置了三級催化劑，防止反應后有NH2逃逸而污染環境;為方便后期維修，催化劑為抽屜式，呈蜂窩狀，便于船員更換失效的催化劑;催化裝置的外壁上還布置了吹灰器，吹灰器內通壓縮空氣，目的是對催化裝置內的催化劑通壓縮空氣進行除灰;催化裝置內的溫度和壓力發生變化時，選擇性催化還原（ SCR）過程也會發生改變。在催化裝置進出口設置了溫度傳感器和壓差傳感器，催化裝置內的溫度和進出口的壓差都可通過SCR控制箱獲得，以控制整個選擇性催化還原反應（ SCR）來提高脫硝率。

5.8 SCR系統控制箱

船舶航行及作業過程中，柴油機的輸出功率將會隨著船舶工況變化而變化。柴油機負荷不同時，柴油機廢氣參數也不同（見表1），柴油機不同負荷下廢氣中NOx濃度理論值可在柴油機臺架試驗中可獲得。

由上述SCR中化學反應可知，尿素溶液的噴射量主要與廢氣質量流量、溫度、廢氣中NOx濃度、尿素溶液中尿素濃度有關，本船所用的尿素濃度為40%。柴油機運行時，SCR系統控制箱必須與柴油機保持通訊，獲得柴油機實時負荷，然后根據控制箱內部已設定的程序控制加藥裝置將尿素溶液通過噴射段定量噴射至混合單元內，使廢氣中的NOx和NH3充分發生反應，大大提高DeNOx率，并防止NH3大量逃逸至大氣中，達到對柴油機尾氣凈化的效果。

SCR系統控制箱由數據收集模塊和控制單元組成：數據收集模塊收集柴油機負荷狀態、尿素泵站工作狀態、尿素溶液流量、尿素溶液壓力、催化裝置進出口溫度、催化裝置進出口壓差、經過處理后廢氣中的NOx濃度;控制單元主要是根據數據收集模塊收集數據后的分析，進行發出動作指令而控制尿素溶液的定量噴射進入混合單元與廢氣混合。SCR系統控制簡圖，如圖5所示。

5.9 NOx分析柜

對于已取得船檢認證的SCR系統，NOx分析柜可不配置。如配置NOx分析柜，配備一臺即可，NOx分析柜依靠取樣探頭可檢測各柴油機經過SCR系統后的廢氣內的NOx濃度;將NOx分析柜與SCR系統控制箱連接通訊，共享廢氣中NOx濃度，船員可根據檢測數據對SCR系統控制箱內尿素定量噴射程序進行修正。

6 結束語

隨著經濟高速發展，海上航行的船舶日益增多，船舶航行排放的廢氣正在不斷的破壞生態環境，各國對海洋環境的保護越來越重視，對船舶廢氣中污染物的排放標準越來越嚴格。針對NOx排放標準，船舶SCR系統的使用已很普遍，多數船東偏向于在新建船舶上安裝SCR系統。長遠來看，船舶行業對環保柴油機的需求將會加大，柴油機廠家需要解決如何使環保和經濟性之間平衡的難題。

參考文獻

[1]張東明，平濤等.船用柴油機應對IMO Tier III排放法規的技術措施[J].柴油機，2011，33（4）：29-33.

[2]汪濤，李超，高子朋.IMO Tier III標準下船舶推進系統的選擇[J].中國水運，2015，l5（3）.

[3]朱元清，周松，劉淼，王金玉.船舶柴油機Urea-SCR系統催化反應動力學分析[J].江蘇大學，2012，33（1）：34-38.

[4]羅嘯，劉贊.船舶柴油機SCR控制系統研究[J].柴油機，2013，35（1）：22-25.

[5]于富強，崔愛新，張春景，徐振鋒白升式平臺采用SCR系統滿足lMO Tierlll排放標準的設計要點分析[J].船海工程，2016，38 （SI）：60-69.

[6]許鋒.內燃機原理[M].大連：大連理工大學出版社，2011.