某插桩式抢险打捞工程船的SCR系统

赖柯宇 姜本俭 卓宁宁 王银行 刘知鹏

摘 要：当前海洋环境污染日趋严重，人类生存空间日渐紧张。为保护海洋环境，国际海事组织（ IMO）制定了船舶废气中有害物质排放控制标准，其中包含了船舶柴油机废气中氮氧化物（ NOx）的排放标准（IMOTier III）。船舶为了合法合规在海上航行，必须通过实施多种方案来满足NOx的排放标准。本文基于某插桩式抢险打捞工程船，着重对船舶选择性催化还原（ SCR）系统进行研究，并介绍了SCR系统的主要组成。

关键词：Tier III;尿素溶液;SCR废气;NOx浓度;反应

中图分类号：U664.121

文献标识码：A

1 前言

船舶航行时排放的废气，包含了氮氧化物NOx、硫氧化物SOx和颗粒物等，已成为不可忽视的污染源。国际海事组织[IMO]为控制船舶废气造成环境污染，制订了多级排放标准，其中从2011年开始实施Tier II，从2016年开始在排放控制区域推行Tier III。这意味着当船舶进入氮氧化物排放控制区时，柴油机所产生的废气必须满足Tier IⅡ排放标准。为此，船舶行业必须采用减排效果更佳且更经济的措施来降低船舶废气中的氮氧化物NOx浓度，

2 减少NOx排放的措施

目前减少NOx排放的有效措施，主要包括：

（1）发动机改用双燃料发动机

发动机通过燃烧液化天然气（ ING）等清洁能源来减少NOx的排放，从而满足Tier IⅡ排放标准。使用双燃料发动机的船舶，一般都有船型限制的要求，现多用于LNG船;

（2）采用尾气后处理的办法

尾气后处理包含了两种方案：选择性催化还原（ SCR）和废气再循环（EGR）。这两种技术各有利弊：①ECR技术需要对柴油机本体进行改造，通过将柴油机排气过程中的部分废气导流回到进气过程中，减少柴油机燃烧过程中氧含量，进而减少柴油机燃烧过程混合气中NOx的生成，达到减少氮氧化物浓度的效果;②SCR技术属于外置技术，采用尿素雾化与排烟管中高温废气混合，在催化剂的促进下发生化学反应，将柴油机产生的废气中的NOx还原为无污染的氮气和水，不需要对柴油机本体进行结构改造;

（3） SCR技术需消耗尿素，而ECR技术不消耗尿素，不用在船舶上设置尿素舱柜，但ECR技术存在改变柴油机构造后柴油机性能减弱的弊端;采用SCR技术，虽然船舶建造成本相较于EGR较高，但船舶航行运营成本较低。为满足法令法规的NOx减排要求，SCR技术的经济性使它成为了目前在建船舶的主流选择。本文基于某插桩式抢险打捞丁程船，对SCR系统进行研究分析。

3 SCR的化学反应

科学研究发现，尿素在高温环境下会分解产生氨气，同时在高温环境中氨气与柴油机废气中的氮氧化物会发生化学反应，即脱硝（ DeNOx）。如果对该化学反应加入催化剂，将会大大提升脱硝率。

选择性催化还原（ SCR）的基本原理，是以氨气（ NH3）作为还原剂在催化剂的作用下对废气中的氮氧化物进行脱销处理（夺取废气中的N元素），并保证一定的脱硝率，以达到IMO TierⅢ排放标准。柴油机废气中的氮氧化物（ NOx），主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（ NO2）组成。

选择性催化还原（ SCR）的化学反应是十分复杂的，大致可表现为以下几个反应：

（1）高温分解反应

CO（ NH2）2→NH2+HNCO（异氰酸）

（2）异氰酸分解反应

HNCO+H2O→NH2+CO2

（3）选择性催化标准反应

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

（4）選择性催化快速反应

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

（5）选择性催化缓慢反应

4NH3+6NO←SN2+6H2O

（6）氨的氧化反应

4NH3+3O2→2N2+6H2O

上述化学反应方程式显示： （1）尿素在高温环境下分解成了氨（ NH3）和异氰酸（HNCO），异氰酸（HNCO）进一步分解成氨（ NH3）和无污染的二氧化碳（CO-）;（2）高温时，氨（NH3）作为还原剂和一氧化氮（NO）、氧气（O2）发生选择性催化标准反应，将一氧化氮还原成氮气（M）和水（H2O），即脱硝标准反应;低温时，氨（NH3）作为还原剂和一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）发生选择性催化快速反应，将一氧化氮（ NO）和二氧化氮（NO2）还原成氮气（N2）和水（H2O），即脱硝快速反应;（3）在柴油机高负荷运行时，整个选择性催化反应过程将以脱硝标准反应为主导，结合脱硝快速反应，将柴油机废气中的一氧化氮（ NO）和二氧化氮（NO2）还原成无污染的氮气（N2）和水（H2O），完成对柴油机废气净化处理。

4 SCR系统原理

基于某插桩式抢险打捞工程船，对SCR系统进行简述：

某插桩式抢险打捞工程船，由708所设计院设计，中船黄埔文冲船厂建造。该船为四桩腿液压插销式白升白航抢险打捞丁程船，入籍ccs船级社符号，具有DP-2级动力定位能力，主要用于广州打捞局辖区海域及近海浅水水域应急清障和抢险打捞作业。

本船共配备五台大柴油机（单台功率3 500 kW，额定转速750 r/min）、两台小柴油机（单台功率1 700kW，额定转速1 000 r/min）作为主动力输出;柴油机排放满足IMO TIERⅡ要求，具有相应EIAPP证书。安装SCR系统后，柴油机排放满足IMO TIERⅢ要求，并具有相应EIAPP证书;当本船在氮氧化物排放控制区（ NECA）以外海域航行时，柴油机排放满足NOx排放标准;如本船驶入控制区NECA时，需同时启用SCR系统进行NOx减排措施，以满足Tier Ⅲ下的NOx排放量要求。

下面结合SCR系统简图（见图1），对SCR原理进行阐述：

（1）氨气（NH3）作为选择性催化还原反应中的还原剂，属于消耗品，所以船上应设置舱柜进行储备。但氨气具有危险性及危害性，不便于运输及储存，而尿素溶液容易高温时发生分解反应转化为氨，相对于氨气较为容易储存和输送，所以本船选择尿素溶液作为还原剂，设置了储存40%尿素溶液的尿素舱;

（2）当柴油机启动时，柴油机排气过程中排出含氮氧化物的废气，SCR系统同时作用。SCR系统中尿素溶液流经泵站后和压缩空气一同进入加药单元，并由加药单元定量供给至喷射段，成比例的压缩空气和尿素溶液从喷射段的喷嘴喷射进入混合单元中;

（3）尿素溶液从喷嘴喷射出来时呈雾化状态，便于在高温状态下发生分解反应产生氨气;废气经排烟管进入SCR系统内的混合单元，在混合单元内与雾化后尿素溶液产生的氨充分混合，形成混合气;充分混合后的氨一废气再经排烟管进入催化装置，在多级的催化剂催化下发生选择性催化还原反应（ SCR），柴油机废气中NO2、NO被催化还原后形成N2和H2O，经过DeNOx后符合IMO Tierlll标准的废气排至大气。

5 SCR系统组成

SCR系统主要由尿素舱、尿素泵站、压力控制及分配单元、加药单元、喷射段、混合单元、催化装置、SCR系统控制箱、氮氧化物分析柜组成：

5.1尿素舱

尿素储存舱柜的舱容，应不小于船舶长期在NECA海域航行时尿素的消耗量。氨会对普通碳钢产生腐蚀，所以尿素储存舱的舱壁结构宜采用316L不锈钢或者经过特涂后的碳钢。

5.2尿素泵站

尿素泵站的作用是将尿素溶液从尿素储存舱内抽出，并将尿素溶液加压输送至PCL，通过压力传感器监测出口处尿素溶液的压力。

尿素泵站同时受到本地控制箱及远程的SCR控制箱控制。一般尿素泵站尿素的供给量可供多台柴油机废气进行选择性催化还原反应。本船属于DP-2级动力定位船，主动力以及电力都需做冗余设计，共设计了三组动力系统配套三套电力系统;对应电力分组，共设置三台尿素泵站，每台尿素泵站由不同组的电力系统供电。

5.3 压力控制及分配单元

压力控制及分配单元，对尿素溶液进行压力控制及分配。尿素溶液由尿素泵站输送至压力控制及分配单元的入口处UI，尿素溶液通过出口处U2、U3溢流阀流至加药单元;在加药单元根据柴油机负荷高低对混合单元定量注入尿素溶液时，多余尿素溶液通过回流口U-R回流至尿素储存舱内。

本船配置的压力控制及分配单元，最多可对8台加药单元输送尿素溶液，而压力控制及分配单元与尿素泵站是一一对应关系，本船共配置了3个压力控制及分配单元，见图2所示。

5.4 加药单元

加药单元是SCR系统关键执行部件。SCR控制箱通过内部模块上已设定好的程序，控制加药单元上的电磁阀开启状态，实现尿素溶液和压缩空气分别定量注入混合单元上的喷射段;在加药单元中，尿素溶液来自PCL，压缩空气来白船上的SCR空气瓶，压力一般为7 har左右;加药单元内部还设置了流量计，尿素溶液注入量记录在SCR系统控制箱中，具有校正及历史记录的作用;加药单元注入喷射段内的压缩空气起两个作用：一是压缩空气可以和尿素溶液同时进入喷射段，促进尿素溶液在混合单元的雾化效果;二是压缩空气可以单独进入喷射段和尿素管道，对两者进行冲洗，防止长期使用后管道出现堵塞的情况;一台加药单元只能精确控制一台柴油机所需的尿素量，本船共设置了7台加药单元。

5.5 喷射段

喷射段由尿素进口软管、压缩空气进口软管、单向止回阀、喷嘴构成，图3所示：尿素溶液软管和压缩空气软管末端，都设置了单向止回阀防止回流。加药单元工作时，尿素溶液和压缩空气同时进入长喷嘴段，压缩空气驱动尿素溶液由喷嘴喷出，高压尿素溶液于喷嘴口呈发散状注入混合单元内;喷射段的长喷嘴安装于混合单元内，且喷嘴口位于混合单元的轴向中心处，如图4所示。

5.6 混合单元

混合单元可垂直或水平布置于柴油机排烟管中，混合单元两端分别与排烟管法兰连接，为氨一废气混合气形成的场所;喷嘴安装于混合单元中心处，且喷嘴朝向与柴油机废气排出一致;混合单元的网形扰流板安装于喷嘴之前，其作用是对废气进行扰流，废气经过扰流板后由层流变为湍流，使尿素分解后的氨气与废气混合更充分。为保证氨气与废气完全混合，要求喷嘴出口处至催化装置之间存在2.5 m与1.8 m的最小直段要求。

5.7 催化装置

催化装置为发生选择性催化还原反应的场所，其内部沿排气方向布置了多级催化剂。本船共设置了三级催化剂，防止反应后有NH2逃逸而污染环境;为方便后期维修，催化剂为抽屉式，呈蜂窝状，便于船员更换失效的催化剂;催化装置的外壁上还布置了吹灰器，吹灰器内通压缩空气，目的是对催化装置内的催化剂通压缩空气进行除灰;催化装置内的温度和压力发生变化时，选择性催化还原（ SCR）过程也会发生改变。在催化装置进出口设置了温度传感器和压差传感器，催化装置内的温度和进出口的压差都可通过SCR控制箱獲得，以控制整个选择性催化还原反应（ SCR）来提高脱硝率。

5.8 SCR系统控制箱

船舶航行及作业过程中，柴油机的输出功率将会随着船舶工况变化而变化。柴油机负荷不同时，柴油机废气参数也不同（见表1），柴油机不同负荷下废气中NOx浓度理论值可在柴油机台架试验中可获得。

由上述SCR中化学反应可知，尿素溶液的喷射量主要与废气质量流量、温度、废气中NOx浓度、尿素溶液中尿素浓度有关，本船所用的尿素浓度为40%。柴油机运行时，SCR系统控制箱必须与柴油机保持通讯，获得柴油机实时负荷，然后根据控制箱内部已设定的程序控制加药装置将尿素溶液通过喷射段定量喷射至混合单元内，使废气中的NOx和NH3充分发生反应，大大提高DeNOx率，并防止NH3大量逃逸至大气中，达到对柴油机尾气净化的效果。

SCR系统控制箱由数据收集模块和控制单元组成：数据收集模块收集柴油机负荷状态、尿素泵站工作状态、尿素溶液流量、尿素溶液压力、催化装置进出口温度、催化装置进出口压差、经过处理后废气中的NOx浓度;控制单元主要是根据数据收集模块收集数据后的分析，进行发出动作指令而控制尿素溶液的定量喷射进入混合单元与废气混合。SCR系统控制简图，如图5所示。

5.9 NOx分析柜

对于已取得船检认证的SCR系统，NOx分析柜可不配置。如配置NOx分析柜，配备一台即可，NOx分析柜依靠取样探头可检测各柴油机经过SCR系统后的废气内的NOx浓度;将NOx分析柜与SCR系统控制箱连接通讯，共享废气中NOx浓度，船员可根据检测数据对SCR系统控制箱内尿素定量喷射程序进行修正。

6 结束语

随着经济高速发展，海上航行的船舶日益增多，船舶航行排放的废气正在不断的破坏生态环境，各国对海洋环境的保护越来越重视，对船舶废气中污染物的排放标准越来越严格。针对NOx排放标准，船舶SCR系统的使用已很普遍，多数船东偏向于在新建船舶上安装SCR系统。长远来看，船舶行业对环保柴油机的需求将会加大，柴油机厂家需要解决如何使环保和经济性之间平衡的难题。

参考文献

[1]张东明，平涛等.船用柴油机应对IMO Tier III排放法规的技术措施[J].柴油机，2011，33（4）：29-33.

[2]汪涛，李超，高子朋.IMO Tier III标准下船舶推进系统的选择[J].中国水运，2015，l5（3）.

[3]朱元清，周松，刘淼，王金玉.船舶柴油机Urea-SCR系统催化反应动力学分析[J].江苏大学，2012，33（1）：34-38.

[4]罗啸，刘赞.船舶柴油机SCR控制系统研究[J].柴油机，2013，35（1）：22-25.

[5]于富强，崔爱新，张春景，徐振锋白升式平台采用SCR系统满足lMO Tierlll排放标准的设计要点分析[J].船海工程，2016，38 （SI）：60-69.

[6]许锋.内燃机原理[M].大连：大连理工大学出版社，2011.