船舶柴油机SCR系统简介和实船应用研讨

2022-10-31吴清飞中远海运船员管理有限公司

珠江水运 2022年19期

吴清飞中远海运船员管理有限公司

1.引言

随着全球防止大气污染控制措施的不断升级，在硫分控制的基础上，对氮氧化物（NOx）的控制也越来越趋于严格，目前全球已有北美、加勒比海、波罗的海和北海四个氮氧化物（NOx）控制区。对船舶管理方面提出了更高的要求，在现有的柴油机技术下，仅依靠机前和机内的措施很难大幅度降低NOx的排放，于是尾气后处理装置SCR（Selective Catalytic Reduction）——选择性催化还原技术开始进入工业领域并逐步延伸应用到了船舶柴油机上。在不改变柴油机内部结构，不增加燃油消耗，适应极低NOx排放要求的前提下，为柴油机配置合适的尾气后处理装置SCR是当前最好的选择。国内在SCR系统研究开发和应用上还处于初始阶段，部分技术的应用还需要在实船使用中去不断验证，这些新设备和新技术的应用为船舶管理带来了新的挑战。如何更有效地处理这些挑战成为了新的课题。

2.SCR系统工作原理和结构组成

2.1 工作原理

SCR的工作原理是在催化剂的作用下，以还原剂有选择性地与船舶柴油机排放中的NOx反应并生成无毒、无污染的氮气和水。使用的还原剂是浓度为40%的尿素水溶液（NH）。SCR系统中主要的化学反应机理如下方程式所示：

柴油机废气中NO含量通常占氮氧化物总量的85%-95%，经过化反应，绝大多数的NOx能够被转化为没有污染的氮气和水，达到脱硝减排的目的。

2.2 结构组成

主机SCR 系统由气动蝶阀、混合管路、喷枪组件、反应器、供给喷射单元、人机界面控制单元、尿素溶液日用罐和传感器，温度管理单元，受控于主机MOP的SCRCU等组成。其中喷枪组件由尿素喷嘴及管路，空气清洗管路，雾化空气管路组合在一起搭配三个相应的电磁阀控制。供给喷射单元包含两台互为备用的离心喷射泵，用于控制流量的比例阀以及流量计组成。为了更直观的介绍主机SCR装置的构成，笔者把它按系统划分为：空气系统，尿素系统，废气加热系统以及控制系统（见图1）。

图1 主机SCR流程示意图

1）空气系统：由SCR空压机和SCR气瓶提供0.7Mpa压缩空气，分别供给反应器前后的吹灰器，气动蝶阀开关转换，减压至0.40Mpa后送至喷射组件，一路气用来喷射尿素前和喷射后的清洗，一路气用来在尿素喷射过程中持续的雾化。

2）尿素系统：由尿素驳运泵从尿素储存舱驳运尿素溶液至尿素日用罐，离心喷射泵建立约0.45Mpa的压力后经出口比例阀调节合适的流量后送至喷枪，经空气雾化在混合管路和柴油机废气充分混合热解水解后进入反应器，催化剂安装在反应器内部，在催化剂的作用下，混合后的尿素和废气中的 NOx在反应器中快速分解为氮气和水，排放大气。

3）废气辅助加热系统：在柴油机负荷较高时，仅依靠柴油机本身的废气热量基本可以维持反应器前后温度均在反应温度范围之内，但在主机负荷降低以及SCR系统开启使用初始阶段，需要从两方面来补充废气热量达到反应温度。其一，通过安装在排气总管上的烟气旁通阀EGB来旁通部分烟气，即减少进入主机透平增压器的废气量来达到提高透平后的废气温度。EGB烟气旁通阀由主机MOP根据负荷和透平后温度来自动调节。其二，通过温度管理单元点火燃烧产生废气热量混入废气总管来提升废气温度。温度管理单元的启停由SCRCU根据反应器后温度T-scr out 控制，210℃启，245℃停。

4）控制系统：SCR 控制单元以独立的双CAN 总线组成现场总线网络，通过各种传感器对SCR 系统中的参数（压差、温度、NOx 浓度等）进行测量，并把信号传输反馈到控制单元，将控制、监测、报警等各功能模块联系起来，具有给料监控、人机交互、报警和应答功能等功能。但主机 SCR控制系统在自动运行时还受主机MOP以及集控室EMISSION REDUCTION CONTROL SYSTEM控制.主机MOP向SCRCU输出主机的工况信号，主机SCR-CU根据Nox浓度向SCR装置发出喷射量给定值，SCR装置根据给定值调节比例阀开度。使反应器后及排入大气NOx浓度达到排放要求。运行中的主机SCR装置处于连续监控状态，SCR系统控制单元人机界面可以实时显示每个设备的工作状态和参数值，每5分钟将自动记录一次装置运行参数。系统任何的报警将在SCR装置控制单元和机舱集中监控电脑上同时出现。主机SCRCU 也会将NOx的浓度值输出到始终对主机监控的PMI电脑处理，在line-recorder-27中记录并以连续曲线直观显示。这两个地方的记录应妥善保存并能随时调取以备检查。

3.管理与维护

3.1 SCR装置运行中的管理维护

主机SCR系统有三种启动方式：机旁自动启动、遥控启动、机旁手动启动。在船舶实际应用中可根据实际情况选择相应的控制模式，运行中需要经常检查尿素舱及日用罐液位，驳运泵可自动或手动驳运尿素，尿素喷射泵运转及正常切换情况。尽可能维持尿素舱的海水冷却，保证尿素舱温度在35℃以下，避免出现尿素结晶情况。在控制屏上检查各阀及喷射情况，观察尿素喷射量和主机负荷的变化情况。检查各压宿空气管和尿素管是否有泄露，特别是主副机SCR同时使用时消耗空气比较多，多关注SCR空压机运行工况。一般在设计上甲板日用空压机可与SCR空压机互用，必要时可以切换使用。检查吹灰系统吹灰情况（自动模式下自动运行4h或者压差≥1200pa时开启吹扫）和12个吹灰电磁阀的开关状况，以保证催化剂的清洁度和活性。监控主机SCR系统中三个温度（任意一个不要大于460℃，否则会停机报警），可以通过调整主机负荷来调节。当210℃＜T-scr out＜225℃时，系统既不加热，也不喷射尿素，会处于非正常工作状态；因此，运行中可以根据实际情况手动启动温度管理单元以尽快越过这一区域。

3.2 SCR装置停用时的管理维护

在确认船舶离开氮氧化物控制区后，可以在集控室SCR 控制屏菜单SCR SYSTEM SATUS里将SCR mode selection状态转换从AUTO切换至STOP，DOSING SYSTEN将停止喷射，进入后清洗模式，随后旁通阀开启，反应器前后阀门关闭，在主机MOP电脑运转模式从TIII 转换到TⅡ模式。可在集控室中控屏处将停止按钮按下或者直接在机旁按下系统自动停止运行按钮。系统自动开启空气清洗阀清洗管路和喷嘴。由于系统没有设置在系统停止运行后自动对催化剂的吹灰程序，操作人员可在系统停用时转换到机旁手动模式，手动打开SCR装置前后阀门，保持旁通阀同时开启，手动逐个点开吹灰电磁阀对反应器中的催化剂进行吹灰。手动吹灰时应注意空气压力变化并控制吹灰时间。过短的吹灰时间可能导致清洁不到位，过长的吹灰时间会造成空气消耗过多。吹灰完成后恢复到正常停止状态即可进行主机换油操作。SCR装置长时间停用时，为防止尿素溶液沉淀结晶堵塞管路和喷枪；操作人员需通过泄放管路手动泄放排空日用罐及供给喷射单元管道内的尿素溶液，建议在日用罐中加入清水，手动启动系统供给喷射单元及喷枪组件，清洗系统后泄放排空，关闭入口管路手动阀门。定期手动对泵浦盘车转动活络，各气动碟阀短时间开关功能试验，检查压差传感器和NOx浓度传感器读数以确认相关烟气阀门是否关闭到位。

温度管理单元需要定期点火试验，以保证风机及风门转换运转正常，确保点火功能正常。

4.常见故障与处理

常见故障与处理措施见表1。

表1 常见故障与处理

5.对主机SCR系统的综合评估

本类型低压SCR装置在实船使用中总体运行情况良好，在主机稳定工况时SCR装置运行相对平稳。但缺点也比较明显，在船舶实际应用中存在以下一些不足：

（1）在主机机动航行状态下适应性较差，转化率较低（参见表2），特别是主机低负荷时装置基本处于停止状态。每一次主机变速，系统至少需要约三分钟的时间来适应和调节到相应的喷射量。

表2 SCR系统在不同主机负荷状态下的数据统计表

（2）在设备布置方面，体积大，附件多，占空间比较大一直是SCR装置最大的困局。如何在不影响使用性的前提下合理优化布局，有很大的提升空间。

（3）硬件配件方面，浓度传感器，温度传感器等关键部件由于工作环境恶劣，导致故障率极高，备件价格昂贵但使用寿命和可靠性却不是很理想。

（4）主机SCR 运行期间，废气不再进入锅炉烟面，锅炉处于无加热状态，这时如需使用蒸汽或暖炉，需要在航行中启用燃油锅炉辅助提供热源。

6.SCR装置对主机本身的影响

配备了SCR 尾气处理系统的船舶，相比较于传统船舶的管理，不但要考虑管理难度的增加，同时也要充分评估SCR系统的使用对主机及其辅助设备的影响。在SCR系统运行期间，由于EGB烟气旁通的原因，当EGB 100%开度时，主机增压器转速明显下降，直接导致扫气压力的大幅度降低，扫气效果和燃烧工况变差，排烟温度升高。实践表明，同等负荷下，使用SCR后主机扫气压力会下降约30%，各缸排烟温度平均上升约20度左右。同时扫气压力的下降，可能会导致辅助鼓风机长时间持续运行，进而影响鼓风机的使用寿命。当主机尾气排烟进入SCR反应器，一旦催化剂堵塞或者部分堵塞而没有得到及时吹通，将会导致主机排气背压的增高，从而影响主机工况。另外，如果出现尿素溶液喷射不正常，或者雾化不完全的情况，将会导致主机排烟管路的内部氨腐蚀。这些因素有可能会对主机造成不可逆的损害，应该引起船舶管理人员的高度重视。