船舶SCR系统还原剂制备、存储系统的设计

计雯钰，李虎生，陈纪赛，支晓欢，徐海涛

（1. 南京工业大学 环境科学与工程学院，南京 211816；2. 南京中船绿洲机器有限公司，南京 210000）

0 引言

船舶柴油机废气中的氮氧化物对大气环境造成严重污染，国际海事组织（International Maritime Organization，简称：IMO）海上环境保护委员会第66届会议确定了Tier III排放标准的实施时间，规定 2021年以后在指定的氮氧化物排放控制区（NOEmission Control Areas，简称：NECA）内航行的低速柴油机氮氧化物的排放须降到3.4 g/(kWh)以下，没有达到相应海域排放法规要求的船舶将不允许在该区域内航行。船舶柴油机氮氧化物排放法规日趋严格，仅依靠柴油机自身结构参数改进优化或增加附属装置来改善燃烧性能已经不能满足新的排放要求。鉴于此，大量船舶开始加装选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，简称：SCR）系统，以提高氮氧化物的去除效率，以满足Tier III的排放要求。

1 还原剂的选择

SCR系统常使用液氨、氨水和尿素溶液作为还原剂。液氨与空气混合后遇明火会发生爆炸，船舶不宜携带；氨水的储存条件较为严格，船舶摇晃会导致氨水分解，存在安全隐患；而尿素溶液无毒无害，在一定条件下可以释放NH，反应安全且副产品无害，是船舶SCR系统的理想氨源。

船舶SCR系统普遍使用质量分数为40%的尿素溶液（AUS 40），最佳存储温度为 5 ℃～35 ℃，低于2 ℃时尿素析出，高于35 ℃时易变质。因此，为满足尿素溶液的存储需求，本文设计一种船用还原剂存储系统，以确保尿素溶液能稳定、可靠存储，并且质量分数始终保持在39 %～41 %范围内。

2 还原剂存储系统

尿素溶液的制备、存储系统是船用低速柴油机排烟管道上SCR系统的配套设备，主要用于尿素溶液的溶解、存储以及日常应用。还原剂存储系统主要由3个模块组成，分别是纯水制备模块、尿素溶解模块以及尿素溶液存储模块。

2.1 纯水制备模块

纯水制备模块（图1）主要包括高压泵、一级反渗透系统、二级反渗透系统、纯水箱、纯水输送管道以及电气自动控制系统等。纯水制备模块通过二级反渗透膜（Reverse Osmosis，简称：RO）制取工业纯水，经过预处理后的原水在满足反渗透膜进水水质的条件下进入反渗透装置进行脱盐处理，水中的矿物质、微生物和有机物等都被过滤掉，出水水质符合GB/T 6682规定的3级纯水。

图1 纯水制备模块（单位：mm）

2.2 尿素溶解模块

尿素溶解模块为撬装式结构，主要由纯水存储罐、溶解罐、纯水输送管路和尿素溶液输送管路等组成，模块上装有 45°斜梯，顶部装有格栅操作平台，如图2所示。

图2 尿素溶解模块

纯水存储罐由圆柱形的筒体组成，下部焊有椭圆形封头，顶部为平顶结构，设备上装有纯水输送泵，高、低液位浮球开关以及磁性翻板式液位计等，用于存储纯水制备单元所制备的纯水。

溶解罐为尿素溶解模块的核心设备，专门用于制备AUS40尿素溶液。溶解罐与存储罐外形相似，设备本体及所有管路的材质均为S30408。设备上装有电加热器、搅拌器以及尿素溶液循环搅拌管路，用于加速AUS40专用尿素在水中的溶解过程。溶解罐上装有热电阻，高、中、低3个液位浮球开关，液位传感器以及磁性翻板式液位计等。此外，尿素溶液输送管路上装有Y型过滤器。

2.3 尿素溶液存储模块

尿素溶液存储模块用于快速冷却刚制备的尿素溶液，使其在低温环境下能长期保质存储，并在SCR系统运行期间向尿素喷射系统输送合格的AUS40船用尿素溶液。如图3所示。

图3 尿素存储模块

尿素溶液存储模块也为撬装式结构，主要由 2个尿素溶液存储罐A/B、冷水机组、尿素溶液输送管路及冷水机组相关连接管路等组成。尿素溶液存储模块上装有直梯，顶部装有格栅操作平台、过道以及护栏等。

这2个尿素溶液存储罐内均装有冷却盘管，与冷水机组联合用于冷却罐内的尿素溶液，设备本体以及所有管路的材质均为S30408。设备上装有热电阻、液位传感器、磁性翻板式液位计、尿素溶液输送管路等。

冷水机组主要由压缩机、蒸发器、干燥过滤器、储液器以及冷凝器等组成，该装置将循环回流的热水与蒸发器内的液态工质（制冷剂）换热，工质蒸发为气态吸收热量，释放出热量的低温水将再次被循环输送至存储罐内冷却尿素溶液，将罐内的尿素溶液冷却至35 ℃以下。

2.4 电控系统

电控系统主要包括主电控箱以及纯水制备模块、纯水存储罐、溶解罐、2个尿素溶液存储罐以及冷水机组上的子电控系统组成，系统通过PLC进行集中控制。

纯水制备单元自带独立的电控系统，向主电控系统提供外接报警和运行指示2个信号，主电控箱向纯水制备模块提供制备纯水运行信号。纯水存储罐的高液位浮球开关启停纯水制备单元，而低液位浮球开关启停纯水输送泵。

尿素溶解罐上的子电控箱主要控制质量流量计、搅拌器、电加热器、尿素溶液循环/输送泵、高/低液位浮球开关和尿素溶液质量分数在线检测仪等，用于制备、输送AUS40尿素溶液。

这2个尿素溶液存储罐上均装有电动球阀、尿素溶液输送泵和液位传感器的控制子系统，用于AUS40尿素溶液的注入、低温存储和尿素溶液的输送控制（输送至尿素喷射系统）。

冷水机组自带独立的电控系统，其启停主要受存储罐内尿素溶液的温度控制，冷水机组电控系统会向主电控箱提供外接报警、运行指示2个信号。

3 尿素溶液制备及存储

3.1 AUS40尿素溶液制备

当纯水存储罐内的水位低于高液位时，纯水制备模块自动启动，持续向纯水存储罐内输送纯水。当纯水存储罐内的水位在低液位以上时，即可启动尿素溶液制备程序。一旦启动尿素溶液制备程序，电控系统将启动纯水输送泵向尿素溶解罐内注入纯水，当溶解罐内的水位上升到中间液位以上时，水泵将自动停止运行。注水期间，操作人员可在顶部操作平台上提前准备好一定质量的尿素颗粒，当溶解罐内水温上升到40 ℃以上时，搅拌器开始运行，操作者可通过顶部投料口向溶解罐内投入尿素，完成投料后，纯水输送泵再次向溶解罐内输送纯水，同时电加热器、搅拌器将继续持续运行。电加热器受水温自动控制，确保溶解尿素的水温一直在60 ℃以上。搅拌器运行1.5 h后，溶解罐上的循环泵开始运行，以加速尿素在水中的溶解过程。

完成尿素溶解后，如尿素溶液质量分数高于41 %，控制系统将自动计算稀释尿素溶液所需的补水量，并启动稀释微调程序。电加热器、搅拌器和循环泵启动，同时纯水输送泵向溶解罐内输送定量的水。如尿素溶液质量分数低于39 %，启动尿素微调程序后，系统将告知操作者所需的尿素量，操作者可通过顶部的投料口投入定量尿素。

为了确保制备的尿素溶液满足《船舶与海上技术-海洋氮氧化物还原剂AUS40第1部分：质量要求》的要求，从以下几个方面控制尿素溶液的制备过程：

1）利用工业自来水，通过纯水制备模块制取符合GB/T 6682规定的3级纯水，为制备AUS40尿素溶液提供水源；采用Q/SH 3031 0002—2018指定的AUS 40专用尿素；所有罐体、纯水输送管道、尿素溶液输送管道内均要求通过3级纯水清洗干净，再通过压缩空气吹干。

2）安装质量流量计控制3级纯水的供给量；精确投放一定质量的尿素颗粒（若干袋）；通过加热、搅拌和循环搅拌的方式确保尿素在水中完全溶解。

3）通过尿素溶液质量分数在线检测仪实时检测尿素溶液的质量分数，必要时可启动尿素溶液质量分数微调功能。

3.2 尿素溶液存储

制备完成的尿素溶液输送到尿素溶液存储模块后，当存储罐内AUS40尿素溶液温度在35 ℃以上，且存储罐内液位在低液位以上时，冷水机组将自动启动，通过冷水输送管路持续不断地向存储罐内的冷却盘管内输送6 ℃～7 ℃的冷水，用于冷却存储罐内的尿素溶液，直到罐内的尿素溶液冷却到30 ℃以下为止，循环热水将返回冷水机组的水箱内。冷水机组将优先选择液位较高的尿素溶液存储罐作为制冷对象，如2个存储罐内的尿素溶液液位相同，控制系统将优先选择尿素存储罐A作为制冷对象。

当SCR系统运行时，如A罐为SCR系统的服务罐，启动尿素溶液输送程序，控制系统则将尿素溶液输送到B罐内。完成B罐尿素溶液的输送后，控制系统不会将尿素溶液输送到服务罐A中，直到SCR系统停止运行或SCR系统的服务罐自动切换到另一个存储罐为止。

当SCR系统停止运行时，启动尿素溶液输送程序，控制系统将自动进行逻辑选择输送尿素溶液存储罐，具体的逻辑选择原理如下：

1）选择尿素溶液温度不符合SCR系统应用要求（40 ℃以上）的存储罐作为尿素溶液注入对象；

2）选择罐内液位较低的存储罐作为尿素溶液的注入对象；

3）同等条件下优先选择存储罐A作为尿素溶液的输送对象；

4）完成一个存储罐内尿素溶液的输送后，控制系统将自动切换到另一个存储罐进行尿素溶液的注入。

4 安全性设计

为确保还原剂存储系统工作时的安全性能，在技术设计时采用以下技术措施：

1）尿素溶解模块、尿素溶液存储模块上安装的纯水存储罐、尿素溶解罐、2个尿素溶液存储罐均为常压容器，满足NB/T 47003.1—2009《钢质焊接常压容器》，在设计时均分别对纯水存储罐、溶解罐、尿素溶液存储罐进行强度计算，罐体壁厚满足强度要求，同时保留一定的余量。

2）电控系统的安全性设计。

（1）电机过载保护。所有纯水输送泵和尿素溶液输送泵在运行时如发生电机过电流现象，过载报警启动，电机将自动停止运行。

（2）溶解罐高温报警。溶解罐内电加热器在运行期间，如罐内尿素溶液的温度超过100 ℃，则溶解罐高温报警，尿素溶液制备程序将自动暂停运行，加热程序也将自动停止运行。

（3）高/低液位报警。溶解罐、尿素溶液存储罐上均将设置高/低液位报警，防止系统故障时发生溢流现象或液位过低时泵的干运转。

（4）电气元件的安装板与箱体之间、设备外壳与船体之间、设备内部引入的电缆均设置单独的接地措施。

（5）短路保护。控制回路通过断路器作短路保护。

通过采取以上一系列的技术措施，确保了还原剂存储系统使用时的安全性和可靠性，还原剂存储系统的安全性和可靠性得到了保障。

5 实船应用研究

为了确保研制的尿素溶液制备、存储系统满足实船应用要求，具体采取以下匹配性措施：

1）设备上所有配套件均要求满足 IMO规范、《钢质海船入级规范》和船级社的其他规范要求，重要配套件要求提供船级社的型式认可证书；

2）实船水源可从净水存储舱泵入，再通过纯水制备模块进行处理，以获得符合GB/T 6682规定的3级纯水；

3）纯水制备装置所产生的浓盐水可直接排入海；

4）实船空间如不能满足尿素溶解模块、尿素溶液存储模块的安装要求，可根据实船实际情况分别独立地布置纯水存储罐、尿素溶解罐、尿素溶液存储罐，并利用上层甲板作为操作平台来进行投料、维护操作，设备之间的管路在各个设备定位后再进行连接；

5）冷水机组的散热可通过海水冷却系统实现。

6 结论

本设备优化了常规船舶尿素的存储和液化系统。取消螺旋输送机，改为通过人工投料，避免尿素因受潮结块而堵塞投料通道；使用质量流量计准确控制尿素溶解所需要的补水量；尿素溶解电控系统增加质量分数微调功能，并增装尿素溶液质量分数在线检测仪，实时监控尿素溶液的质量分数；尿素溶液存储系统增加低温存储功能，确保尿素溶液能实现快速冷却、低温长期存储功能。

整个系统采用模块化设计，实现了船用SCR系统中尿素溶液的制备及长时间安全稳定地保存，对船舶尿素存储系统的设计提供一定的参考。