船舶SCR系統(tǒng)還原劑制備、存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

計(jì)雯鈺，李虎生，陳紀(jì)賽，支曉歡，徐海濤

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211816；2. 南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 210000）

0 引言

船舶柴油機(jī)廢氣中的氮氧化物對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，簡(jiǎn)稱：IMO）海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第66屆會(huì)議確定了Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間，規(guī)定 2021年以后在指定的氮氧化物排放控制區(qū)（NOEmission Control Areas，簡(jiǎn)稱：NECA）內(nèi)航行的低速柴油機(jī)氮氧化物的排放須降到3.4 g/(kWh)以下，沒有達(dá)到相應(yīng)海域排放法規(guī)要求的船舶將不允許在該區(qū)域內(nèi)航行。船舶柴油機(jī)氮氧化物排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，僅依靠柴油機(jī)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化或增加附屬裝置來改善燃燒性能已經(jīng)不能滿足新的排放要求。鑒于此，大量船舶開始加裝選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，簡(jiǎn)稱：SCR）系統(tǒng)，以提高氮氧化物的去除效率，以滿足Tier III的排放要求。

1 還原劑的選擇

SCR系統(tǒng)常使用液氨、氨水和尿素溶液作為還原劑。液氨與空氣混合后遇明火會(huì)發(fā)生爆炸，船舶不宜攜帶；氨水的儲(chǔ)存條件較為嚴(yán)格，船舶搖晃會(huì)導(dǎo)致氨水分解，存在安全隱患；而尿素溶液無毒無害，在一定條件下可以釋放NH，反應(yīng)安全且副產(chǎn)品無害，是船舶SCR系統(tǒng)的理想氨源。

船舶SCR系統(tǒng)普遍使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的尿素溶液（AUS 40），最佳存儲(chǔ)溫度為 5 ℃～35 ℃，低于2 ℃時(shí)尿素析出，高于35 ℃時(shí)易變質(zhì)。因此，為滿足尿素溶液的存儲(chǔ)需求，本文設(shè)計(jì)一種船用還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)，以確保尿素溶液能穩(wěn)定、可靠存儲(chǔ)，并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終保持在39 %～41 %范圍內(nèi)。

2 還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)

尿素溶液的制備、存儲(chǔ)系統(tǒng)是船用低速柴油機(jī)排煙管道上SCR系統(tǒng)的配套設(shè)備，主要用于尿素溶液的溶解、存儲(chǔ)以及日常應(yīng)用。還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成，分別是純水制備模塊、尿素溶解模塊以及尿素溶液存儲(chǔ)模塊。

2.1 純水制備模塊

純水制備模塊（圖1）主要包括高壓泵、一級(jí)反滲透系統(tǒng)、二級(jí)反滲透系統(tǒng)、純水箱、純水輸送管道以及電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)等。純水制備模塊通過二級(jí)反滲透膜（Reverse Osmosis，簡(jiǎn)稱：RO）制取工業(yè)純水，經(jīng)過預(yù)處理后的原水在滿足反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)的條件下進(jìn)入反滲透裝置進(jìn)行脫鹽處理，水中的礦物質(zhì)、微生物和有機(jī)物等都被過濾掉，出水水質(zhì)符合GB/T 6682規(guī)定的3級(jí)純水。

圖1 純水制備模塊（單位：mm）

2.2 尿素溶解模塊

尿素溶解模塊為撬裝式結(jié)構(gòu)，主要由純水存儲(chǔ)罐、溶解罐、純水輸送管路和尿素溶液輸送管路等組成，模塊上裝有 45°斜梯，頂部裝有格柵操作平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 尿素溶解模塊

純水存儲(chǔ)罐由圓柱形的筒體組成，下部焊有橢圓形封頭，頂部為平頂結(jié)構(gòu)，設(shè)備上裝有純水輸送泵，高、低液位浮球開關(guān)以及磁性翻板式液位計(jì)等，用于存儲(chǔ)純水制備單元所制備的純水。

溶解罐為尿素溶解模塊的核心設(shè)備，專門用于制備AUS40尿素溶液。溶解罐與存儲(chǔ)罐外形相似，設(shè)備本體及所有管路的材質(zhì)均為S30408。設(shè)備上裝有電加熱器、攪拌器以及尿素溶液循環(huán)攪拌管路，用于加速AUS40專用尿素在水中的溶解過程。溶解罐上裝有熱電阻，高、中、低3個(gè)液位浮球開關(guān)，液位傳感器以及磁性翻板式液位計(jì)等。此外，尿素溶液輸送管路上裝有Y型過濾器。

2.3 尿素溶液存儲(chǔ)模塊

尿素溶液存儲(chǔ)模塊用于快速冷卻剛制備的尿素溶液，使其在低溫環(huán)境下能長(zhǎng)期保質(zhì)存儲(chǔ)，并在SCR系統(tǒng)運(yùn)行期間向尿素噴射系統(tǒng)輸送合格的AUS40船用尿素溶液。如圖3所示。

圖3 尿素存儲(chǔ)模塊

尿素溶液存儲(chǔ)模塊也為撬裝式結(jié)構(gòu)，主要由 2個(gè)尿素溶液存儲(chǔ)罐A/B、冷水機(jī)組、尿素溶液輸送管路及冷水機(jī)組相關(guān)連接管路等組成。尿素溶液存儲(chǔ)模塊上裝有直梯，頂部裝有格柵操作平臺(tái)、過道以及護(hù)欄等。

這2個(gè)尿素溶液存儲(chǔ)罐內(nèi)均裝有冷卻盤管，與冷水機(jī)組聯(lián)合用于冷卻罐內(nèi)的尿素溶液，設(shè)備本體以及所有管路的材質(zhì)均為S30408。設(shè)備上裝有熱電阻、液位傳感器、磁性翻板式液位計(jì)、尿素溶液輸送管路等。

冷水機(jī)組主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、干燥過濾器、儲(chǔ)液器以及冷凝器等組成，該裝置將循環(huán)回流的熱水與蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)（制冷劑）換熱，工質(zhì)蒸發(fā)為氣態(tài)吸收熱量，釋放出熱量的低溫水將再次被循環(huán)輸送至存儲(chǔ)罐內(nèi)冷卻尿素溶液，將罐內(nèi)的尿素溶液冷卻至35 ℃以下。

2.4 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要包括主電控箱以及純水制備模塊、純水存儲(chǔ)罐、溶解罐、2個(gè)尿素溶液存儲(chǔ)罐以及冷水機(jī)組上的子電控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)通過PLC進(jìn)行集中控制。

純水制備單元自帶獨(dú)立的電控系統(tǒng)，向主電控系統(tǒng)提供外接報(bào)警和運(yùn)行指示2個(gè)信號(hào)，主電控箱向純水制備模塊提供制備純水運(yùn)行信號(hào)。純水存儲(chǔ)罐的高液位浮球開關(guān)啟停純水制備單元，而低液位浮球開關(guān)啟停純水輸送泵。

尿素溶解罐上的子電控箱主要控制質(zhì)量流量計(jì)、攪拌器、電加熱器、尿素溶液循環(huán)/輸送泵、高/低液位浮球開關(guān)和尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線檢測(cè)儀等，用于制備、輸送AUS40尿素溶液。

這2個(gè)尿素溶液存儲(chǔ)罐上均裝有電動(dòng)球閥、尿素溶液輸送泵和液位傳感器的控制子系統(tǒng)，用于AUS40尿素溶液的注入、低溫存儲(chǔ)和尿素溶液的輸送控制（輸送至尿素噴射系統(tǒng)）。

冷水機(jī)組自帶獨(dú)立的電控系統(tǒng)，其啟停主要受存儲(chǔ)罐內(nèi)尿素溶液的溫度控制，冷水機(jī)組電控系統(tǒng)會(huì)向主電控箱提供外接報(bào)警、運(yùn)行指示2個(gè)信號(hào)。

3 尿素溶液制備及存儲(chǔ)

3.1 AUS40尿素溶液制備

當(dāng)純水存儲(chǔ)罐內(nèi)的水位低于高液位時(shí)，純水制備模塊自動(dòng)啟動(dòng)，持續(xù)向純水存儲(chǔ)罐內(nèi)輸送純水。當(dāng)純水存儲(chǔ)罐內(nèi)的水位在低液位以上時(shí)，即可啟動(dòng)尿素溶液制備程序。一旦啟動(dòng)尿素溶液制備程序，電控系統(tǒng)將啟動(dòng)純水輸送泵向尿素溶解罐內(nèi)注入純水，當(dāng)溶解罐內(nèi)的水位上升到中間液位以上時(shí)，水泵將自動(dòng)停止運(yùn)行。注水期間，操作人員可在頂部操作平臺(tái)上提前準(zhǔn)備好一定質(zhì)量的尿素顆粒，當(dāng)溶解罐內(nèi)水溫上升到40 ℃以上時(shí)，攪拌器開始運(yùn)行，操作者可通過頂部投料口向溶解罐內(nèi)投入尿素，完成投料后，純水輸送泵再次向溶解罐內(nèi)輸送純水，同時(shí)電加熱器、攪拌器將繼續(xù)持續(xù)運(yùn)行。電加熱器受水溫自動(dòng)控制，確保溶解尿素的水溫一直在60 ℃以上。攪拌器運(yùn)行1.5 h后，溶解罐上的循環(huán)泵開始運(yùn)行，以加速尿素在水中的溶解過程。

完成尿素溶解后，如尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于41 %，控制系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算稀釋尿素溶液所需的補(bǔ)水量，并啟動(dòng)稀釋微調(diào)程序。電加熱器、攪拌器和循環(huán)泵啟動(dòng)，同時(shí)純水輸送泵向溶解罐內(nèi)輸送定量的水。如尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于39 %，啟動(dòng)尿素微調(diào)程序后，系統(tǒng)將告知操作者所需的尿素量，操作者可通過頂部的投料口投入定量尿素。

為了確保制備的尿素溶液滿足《船舶與海上技術(shù)-海洋氮氧化物還原劑AUS40第1部分：質(zhì)量要求》的要求，從以下幾個(gè)方面控制尿素溶液的制備過程：

1）利用工業(yè)自來水，通過純水制備模塊制取符合GB/T 6682規(guī)定的3級(jí)純水，為制備AUS40尿素溶液提供水源；采用Q/SH 3031 0002—2018指定的AUS 40專用尿素；所有罐體、純水輸送管道、尿素溶液輸送管道內(nèi)均要求通過3級(jí)純水清洗干凈，再通過壓縮空氣吹干。

2）安裝質(zhì)量流量計(jì)控制3級(jí)純水的供給量；精確投放一定質(zhì)量的尿素顆粒（若干袋）；通過加熱、攪拌和循環(huán)攪拌的方式確保尿素在水中完全溶解。

3）通過尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，必要時(shí)可啟動(dòng)尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)微調(diào)功能。

3.2 尿素溶液存儲(chǔ)

制備完成的尿素溶液輸送到尿素溶液存儲(chǔ)模塊后，當(dāng)存儲(chǔ)罐內(nèi)AUS40尿素溶液溫度在35 ℃以上，且存儲(chǔ)罐內(nèi)液位在低液位以上時(shí)，冷水機(jī)組將自動(dòng)啟動(dòng)，通過冷水輸送管路持續(xù)不斷地向存儲(chǔ)罐內(nèi)的冷卻盤管內(nèi)輸送6 ℃～7 ℃的冷水，用于冷卻存儲(chǔ)罐內(nèi)的尿素溶液，直到罐內(nèi)的尿素溶液冷卻到30 ℃以下為止，循環(huán)熱水將返回冷水機(jī)組的水箱內(nèi)。冷水機(jī)組將優(yōu)先選擇液位較高的尿素溶液存儲(chǔ)罐作為制冷對(duì)象，如2個(gè)存儲(chǔ)罐內(nèi)的尿素溶液液位相同，控制系統(tǒng)將優(yōu)先選擇尿素存儲(chǔ)罐A作為制冷對(duì)象。

當(dāng)SCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如A罐為SCR系統(tǒng)的服務(wù)罐，啟動(dòng)尿素溶液輸送程序，控制系統(tǒng)則將尿素溶液輸送到B罐內(nèi)。完成B罐尿素溶液的輸送后，控制系統(tǒng)不會(huì)將尿素溶液輸送到服務(wù)罐A中，直到SCR系統(tǒng)停止運(yùn)行或SCR系統(tǒng)的服務(wù)罐自動(dòng)切換到另一個(gè)存儲(chǔ)罐為止。

當(dāng)SCR系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)尿素溶液輸送程序，控制系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行邏輯選擇輸送尿素溶液存儲(chǔ)罐，具體的邏輯選擇原理如下：

1）選擇尿素溶液溫度不符合SCR系統(tǒng)應(yīng)用要求（40 ℃以上）的存儲(chǔ)罐作為尿素溶液注入對(duì)象；

2）選擇罐內(nèi)液位較低的存儲(chǔ)罐作為尿素溶液的注入對(duì)象；

3）同等條件下優(yōu)先選擇存儲(chǔ)罐A作為尿素溶液的輸送對(duì)象；

4）完成一個(gè)存儲(chǔ)罐內(nèi)尿素溶液的輸送后，控制系統(tǒng)將自動(dòng)切換到另一個(gè)存儲(chǔ)罐進(jìn)行尿素溶液的注入。

4 安全性設(shè)計(jì)

為確保還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)工作時(shí)的安全性能，在技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)采用以下技術(shù)措施：

1）尿素溶解模塊、尿素溶液存儲(chǔ)模塊上安裝的純水存儲(chǔ)罐、尿素溶解罐、2個(gè)尿素溶液存儲(chǔ)罐均為常壓容器，滿足NB/T 47003.1—2009《鋼質(zhì)焊接常壓容器》，在設(shè)計(jì)時(shí)均分別對(duì)純水存儲(chǔ)罐、溶解罐、尿素溶液存儲(chǔ)罐進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，罐體壁厚滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)保留一定的余量。

2）電控系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)。

（1）電機(jī)過載保護(hù)。所有純水輸送泵和尿素溶液輸送泵在運(yùn)行時(shí)如發(fā)生電機(jī)過電流現(xiàn)象，過載報(bào)警啟動(dòng)，電機(jī)將自動(dòng)停止運(yùn)行。

（2）溶解罐高溫報(bào)警。溶解罐內(nèi)電加熱器在運(yùn)行期間，如罐內(nèi)尿素溶液的溫度超過100 ℃，則溶解罐高溫報(bào)警，尿素溶液制備程序?qū)⒆詣?dòng)暫停運(yùn)行，加熱程序也將自動(dòng)停止運(yùn)行。

（3）高/低液位報(bào)警。溶解罐、尿素溶液存儲(chǔ)罐上均將設(shè)置高/低液位報(bào)警，防止系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)生溢流現(xiàn)象或液位過低時(shí)泵的干運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）電氣元件的安裝板與箱體之間、設(shè)備外殼與船體之間、設(shè)備內(nèi)部引入的電纜均設(shè)置單獨(dú)的接地措施。

（5）短路保護(hù)?？刂苹芈吠ㄟ^斷路器作短路保護(hù)。

通過采取以上一系列的技術(shù)措施，確保了還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)使用時(shí)的安全性和可靠性，還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全性和可靠性得到了保障。

5 實(shí)船應(yīng)用研究

為了確保研制的尿素溶液制備、存儲(chǔ)系統(tǒng)滿足實(shí)船應(yīng)用要求，具體采取以下匹配性措施：

1）設(shè)備上所有配套件均要求滿足 IMO規(guī)范、《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》和船級(jí)社的其他規(guī)范要求，重要配套件要求提供船級(jí)社的型式認(rèn)可證書；

2）實(shí)船水源可從凈水存儲(chǔ)艙泵入，再通過純水制備模塊進(jìn)行處理，以獲得符合GB/T 6682規(guī)定的3級(jí)純水；

3）純水制備裝置所產(chǎn)生的濃鹽水可直接排入海；

4）實(shí)船空間如不能滿足尿素溶解模塊、尿素溶液存儲(chǔ)模塊的安裝要求，可根據(jù)實(shí)船實(shí)際情況分別獨(dú)立地布置純水存儲(chǔ)罐、尿素溶解罐、尿素溶液存儲(chǔ)罐，并利用上層甲板作為操作平臺(tái)來進(jìn)行投料、維護(hù)操作，設(shè)備之間的管路在各個(gè)設(shè)備定位后再進(jìn)行連接；

5）冷水機(jī)組的散熱可通過海水冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

本設(shè)備優(yōu)化了常規(guī)船舶尿素的存儲(chǔ)和液化系統(tǒng)。取消螺旋輸送機(jī)，改為通過人工投料，避免尿素因受潮結(jié)塊而堵塞投料通道；使用質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確控制尿素溶解所需要的補(bǔ)水量；尿素溶解電控系統(tǒng)增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)微調(diào)功能，并增裝尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；尿素溶液存儲(chǔ)系統(tǒng)增加低溫存儲(chǔ)功能，確保尿素溶液能實(shí)現(xiàn)快速冷卻、低溫長(zhǎng)期存儲(chǔ)功能。

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了船用SCR系統(tǒng)中尿素溶液的制備及長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定地保存，對(duì)船舶尿素存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。