船舶柴油機低壓SCR 系統設計布置難點分析

曹健波，李鵬，陳睿

（海匯海洋工程技術舟山有限公司，浙江 舟山 316000）

MARPOL 公約附則Ⅵ關于柴油機NOX 排放標準要求，在2016 年1 月1 日及以后鋪龍骨的船舶，在NECAS 航行時，柴油機排放需符合Tire Ⅲ標準，在NECAS 外航行時，排放需符合Tire Ⅱ標準。

為滿足NOX的排放要求，針對不達標的柴油機有三種操作方式。廢氣再循環技術（可通過更換增壓器實現），選擇性催化還原（SCR），選擇性非催化還原技術（SNCR）。

本文針對柴油機低壓SCR 系統，如何實現在船舶上面的安裝，正常運行維護等，進行了相關難點分析，并列舉相關對措。

1 SCR 法主要原理

SCR 法是指在催化劑的作用下，還原劑NH3與煙氣中的NOx 反應并生成無污染的N2和H2O。其主要反應為：

在SCR 脫硝工藝中，催化劑分層模塊化的布置在反應器中。

在設計脫硝系統時，NH3與煙氣的混合裝置及反應裝置，主要由相關廠家開發，船舶改裝方面主要解決還原劑的儲存、SCR 設備的安裝能否滿足穩規范對通道及重量重心的要求。

2 NH3 來源選擇

目前NH3來源主要有三種：液氨，氨水，尿素水溶液，常溫常壓下，液氨屬于危險化學品，由于法規等安全要求，限制措施多，氨水也極易揮發，運行設施要求高，成本大，而尿素水溶液常溫常壓下，不易分解，毒性小。已成為現在船舶脫硝系統的主流選擇。

在SCR 系統中，主要通過尿素的熱解反應產生氨氣，反應如下：

3 濃度選擇及溫度設置

不同濃度的尿素溶液結晶溫度不同，經查，50%尿素結晶溫度是18℃，40%尿素結晶溫度是2℃，20%尿素結晶溫度是0℃，10%尿素結晶溫度是0℃。

為方便儲存，同時保證分解后充足的NH3產生，選擇40%尿素水溶液較為合理。

由于營運的需求，對應溶液的保存時間提出了相應的要求。尿素溶液的相關試驗數據如下：

表1 40%尿素溶液 溫度-時間對照表

在尿素使用時，低溫報警設置為高于尿素結晶溫度即可，如5℃，高溫報警設置為35℃，以保證貯存時間能夠滿足作業需求。高高溫停機設置為50℃，保證NH3 主要用于脫硝反應。

4 尿素柜材料選擇分析

尿素柜制作有兩種方式，一種為船用普鋼焊接柜，另一種為不銹鋼柜。前一種用防腐涂料即可實現防腐，如用酚醛環氧油漆或過氯乙烯漆，具體不同的油漆廠家有不同的配方。目前應用比較廣泛，節省資金，無較大爭議。

但對不銹鋼材料的選用存在較大爭議。

4.1 經查，常溫常壓下，尿素溶液對不銹鋼的腐蝕并不強，尿素溶液會對不銹鋼產生腐蝕的情況主要有以下兩類：

4.1.1 尿素生成過程中產生腐蝕

尿素生產過程中，在尿素生產中（14-25MPA，180-210℃）產生的尿素甲銨溶液中的氨基酸氨對不銹鋼具有劇烈腐蝕作用，因此在尿素工業中，專門生產了尿素級不銹鋼。

4.1.2 尿素高溫環境中產生腐蝕

高溫環境中400℃，尿素生成NH3，使得不銹鋼表面發生滲透而降低鋼的耐腐蝕性能[1]。

4.2 尿素溶液中的氨腐蝕分析

尿素儲存中不可避免形成的氨逃逸或分解出的NH3形成的氨水溶液，是否也會對不銹鋼產生腐蝕。經查，各類不銹鋼在氨的分解溫度和金屬氮化物溫度以下，對于干氨氣和液氨都擁有優良的耐腐蝕性能，同時對于在100℃以下的氨水溶液，304 不銹鋼的腐蝕率在0.05mm/年，是比較優良的儲存氨水的材料[2]。

但是在實際使用中發現，常溫下304 不銹鋼仍然有較大腐蝕，經相關試驗分析，主要由于溶液中混入了氯離子和其它離子，破壞了不銹鋼的鈍化膜所致，產生了點腐蝕現象。普通奧氏體不銹鋼（如304）在幾十個ppm的中性含氧CL-溶液中即可發生點腐蝕穿孔現象[3]。

4.3 柜子的不銹鋼材料選擇

目前自然水域中氯離子濃度一般上限，為淡水200ppm，海水為19000ppm。

如果在使用尿素水溶液時，不慎混入自然水域的水，肯定會引起304 不銹鋼的腐蝕。

尤其是海水會混入溶液中，使得氯離子升高，很容易超過100ppm，因此根據下表，用316L 作為常溫下尿素溶液的存儲裝置材料比較科學。

尿素艙一般用海水冷卻，因此選擇316Ti 作為冷卻水管的材料比較合適。

表2 氯離子濃度不銹鋼選型表

5 設備安裝空間不足

目前主要的SCR 設備商，已經形成模塊化的設備設計生產模式，在陸用SCR 安裝維護方面非常成熟。但在船舶方面還屬于幼年期。目前我司通過CAD 三維建模的方式進行通道和安裝維護空間方面的驗證，發現仍然存在很多不足之處，例如混合管長度過長，反應器體積過大。同時根據船舶實際情況向設備商提出了相關方面的改進要求。具體實例如下：

5.1 縮短混合管

我司在設計的150T OSV 船的SCR 系統時，反應器只能布置在離主機出口約3100mm 的距離，混合管只有這些空間可以利用，廠家原尺寸為4860mm，通過與廠家溝通，縮短混合管并經CFD 流體計算后，也完全能夠滿足脫硝反應的要求。

5.2 混合管分節，彎曲安裝

圖1 混合管外形圖

圖2 混合管現場安裝圖

5.3 反應器體積比較龐大，必須有700mm 的維護空間，必須合理地選用基座形式

比較常用的支座安裝形式如圖三、但是外緣會伸出反應室基座邊沿，占用一定橫向空間。

圖3 基座形式-伸出型

圖4 基座形式-伸長形

如采用伸長型方式，如圖四所示，如果兩臺并排，中間只有600mm 的通道，按照伸出型，將占用約158mm 空間。按照伸長型，可順利通行。

目前我司已經在為上海中船等單位設計了約十幾艘OSV 的SCR 系統，設備商做出了相關改進，設計方案獲得了船東和廠家的一致認可。

6 何時設置閥門

如柴油機排氣管出口直接排大氣，可直接取消消音器后，串聯混合管和反應器，并不需要安裝閥門。

如果某船排氣管還配有廢氣鍋爐，串聯入scr 設備后，背壓增加，柴油機無法正常運行。此時需要考慮安裝旁通，在需要高速機動時，用原管路，在平常運行時，走SCR 系統管路。

圖5 SCR 系統并聯運行圖

平常運行時，在scr 運行過程不可避免地將產生硫酸氫氨，硫酸氫氨會堵塞催化劑塊，需在反應器本體安裝吹除裝置，即便如此仍然有少部分硫酸氫氨會殘留在催化劑上。如燃用低硫油時，對催化劑的影響不大。

如果切換為原管路使用重油，由于SO3會大大增加，顆粒物含量大增，在此冷凝階段，硫酸氫氨的產量會增加，同時和顆粒物吸附在催化劑上面。即便恢復到硫酸氫氨熔點溫度以上，催化劑的活性并不能完全恢復[4]。為保證催化劑的使用時間，反應器出口建議增加一個止回閥，可增加使用壽命。

7 船舶穩性方面的考量

根據IMO 發布的MSC.429(98)決議，如果改裝后的重量偏差＜2%，重心縱向偏差＜1%，重心垂向高度偏差＜1%，改裝后無需進行傾斜試驗；重量偏差＜1%，重心縱向偏差＜0.5%，重心垂向高度偏差＜0.5%，原船穩性等文件無需進行修正。

目前經過我司設計的約25 艘各類改裝船舶，經過合理布置后，均未超出規范的要求，如表三。

圖6 130T 拋錨拖帶近海供應船模型

8 結論

通過合理的還原劑選擇、詳細的材料分析，精細的三維建模布置方案評估，精準的穩性計算分析，以及和船東及設備商的良好溝通。

在經濟性方面，為船東節省了大量的資金；在運行維護方面，獲得了船東及設備商的一致好評；在SCR 設備的船舶應用方面，取得了匹配性方面的進步，增加了可選項。