某重吊多用途船選擇性催化還原技術(shù)（SCR)及排氣系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

李虎

摘 要：針對國際海事組織（IMO）對于船舶柴油機(jī)氮氧化物（NOx）的排放要求，以保護(hù)人類的生存環(huán)境。為了減少船上柴油機(jī)NOx排放，安裝選擇性催化還原系統(tǒng)，現(xiàn)就選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）設(shè)計、制造、布置、安裝難度較大，系統(tǒng)復(fù)雜且造價高的特點(diǎn)，以金陵某重吊船為例，介紹SCR裝置組成與工作原理，分析SCR裝置設(shè)計要點(diǎn)。經(jīng)過實際運(yùn)行，該船大大降低了NOx的排放量，對后續(xù)船舶建造中增加SCR裝置具有很好的引領(lǐng)作用。

關(guān)鍵詞：SCR裝置;船用柴油機(jī)

中圖分類號：U661 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-022-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.009

國際海事組織（IMO）第66屆會議以MEPC.251（66）決議通過MARPOL附則VI和2008 NOx技術(shù)規(guī)則修正案，并于2015年9月1日起生效實施。確定了Tier III船舶柴油機(jī)氮氧化物（NOx）排放實施時間節(jié)點(diǎn)。

NOx排放要求適用于：

2016年1月1日或以后建造，并且航行于北美排放控制區(qū)內(nèi)或美國加勒比海排放控制區(qū)內(nèi)的船舶，其上安裝的船用柴油機(jī)。

在除北美或美國加勒比海排放控制區(qū)外的氮氧化物（NOx）排放控制區(qū)，氮氧化物（NOx）排放實施時間節(jié)點(diǎn)及以后建造的船舶，并且航行于氮氧化物（NOx）排放控制區(qū)內(nèi)的船上安裝的船用柴油機(jī)[1]。

1 節(jié)能、環(huán)保、高效成為柴油機(jī)動力創(chuàng)新方向

IMO特別對其廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)作出嚴(yán)格規(guī)定，并滿足國際防止空氣污染要求，取得氮氧化物NOx排放有關(guān)的柴油機(jī)國際防止空氣污染證書——EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention）證書[1]。

英國勞氏船級社（LR）按國際海事組織（IMO）的最新要求，對柴油機(jī)氮氧化物（NOx）的排放量要求如下：

當(dāng)柴油機(jī)軸旋轉(zhuǎn)速度n<130轉(zhuǎn)/分時，氮氧化物（NOx）排放量≤17.0g/kWh;

當(dāng)柴油機(jī)軸旋轉(zhuǎn)速度130≤n<2000轉(zhuǎn)/分時，氮氧化物（NOx）排放量≤45n-2g/kWh;

當(dāng)柴油機(jī)軸旋轉(zhuǎn)速度n≥2000轉(zhuǎn)/分時，氮氧化物（NOx）排放量≤9.8g/kWh。

有些國家建議實施比IMO更高的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲國家瑞典SMA規(guī)定氮氧化物（NOx）的排放量小于等于2g/kWh[2]。

目前，可以達(dá)到Tier III廢氣控制排放量限制要求，并具有消音降噪的技術(shù)有：

選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction）技術(shù)、廢氣再循環(huán)EGR（Exhaust Gas Recirculation）技術(shù)及替代燃料，低壓噴射LNG發(fā)動機(jī)。

SCR技術(shù)由于使用范圍逐漸擴(kuò)大，對柴油機(jī)性能改變比較少，獲得了造船界的普遍重視。

文章以某重吊船為例，對機(jī)艙SCR系統(tǒng)及設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行說明。

2 主要尺度

此重吊多用途船主尺度：總長138m，型寬23.6m，型深12.8m，設(shè)計吃水7.5m，頂甲板高度12.8m。

3 SCR裝置組成與工作原理

3.1 氮氧化物（NOx）還原系統(tǒng)和檢驗控制系統(tǒng)組成

其主要設(shè)備有尿素艙、SCR尿素泵單元、SCR尿素控制計量單元、噴射空氣分配單元、尿素噴射單元、SCR氮氧化物還原設(shè)備、檢驗和分析設(shè)備，控制空氣瓶、日用空氣瓶、氣動閥等，如圖1所示。

主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.2 工作原理及控制流程

如圖2所示，當(dāng)主機(jī)啟動，信號①指令輸出至SCR控制中心，SCR控制中心收到信號②;當(dāng)排氣管連接的溫度探頭傳感器檢測排氣管中的溫度達(dá)到大于等于220度時，反饋至SCR控制中心;然后SCR控制中心發(fā)出信號③啟動指令，尿素艙中的尿素溶液通過SCR尿素泵單元輸送（當(dāng)壓力過高，SCR尿素泵單元中的尿素通過壓力控制單元安全閥釋放，進(jìn)入尿素艙），送入SCR尿素控制計量單元，計量單元中的尿素量和排氣中的氮氧化物（NOx）反應(yīng)的量相匹配;當(dāng)SCR尿素控制計量單元收到SCR控制中心④啟動指令，SCR尿素控制計量單元按催化反應(yīng)需要的量，注入到尿素噴射單元;通過噴射空氣分配單元把尿素和壓縮空氣混合，并噴進(jìn)排氣管，與排氣管中的煙氣在SCR反應(yīng)混合管中充分混合，把排氣中的氮氧化物（NOx）還原為氮?dú)猓∟2）和水?；瘜W(xué)反應(yīng)如下：

CO（NH2）2+H2O→NH3+CO2+H2O

尿素在排氣管中分解為氨氣、水、二氧化碳。

4NH3+2NO2+O2→3N2↑+6H2O 4NH3+4NO+O2→4N2↑+6H2O

氨氣在高溫大于300度的環(huán)境下，其與一氧化氮和二氧化氮通過催化劑的催化，變?yōu)榈獨(dú)夂退?/p>

通過SCR反應(yīng)器的排氣取樣，對排氣中的NOx氮氧化物進(jìn)行檢測。如果達(dá)到排放控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，按既定量噴射尿素;如果超標(biāo)，適當(dāng)加大尿素的噴射量。

4 排氣SCR系統(tǒng)設(shè)計與安裝

SCR系統(tǒng)中，排氣管系的管子、閥和附件所用的材料，應(yīng)滿足排氣管最高需用工作壓力并耐高溫和腐蝕。

介質(zhì)和管路承擔(dān)的用途相匹配。對用于腐蝕性比較強(qiáng)的排氣管子材料，應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)計考慮。

與還原劑尿素或氨氣（或還原劑尿素、氨氣與排氣混合物）接觸的排氣管路、閥件、附件以及SCR反應(yīng)裝置，應(yīng)選用合適的防腐材料制造[3]。

一般情況下，船上各個柴油機(jī)的排氣管應(yīng)相互獨(dú)立，柴油機(jī)出口排氣管連接SCR反應(yīng)裝置和消音設(shè)備后直接排大氣。如設(shè)計者充分考慮了潛在風(fēng)險并得到船東認(rèn)可，并滿足下述情況，經(jīng)對應(yīng)船級社特殊考慮，允許多個柴油機(jī)的排氣管連接至同一SCR反應(yīng)裝置進(jìn)行廢氣處理：

采取有效隔離裝置或閥件，防止廢氣倒流至停止工作或正在工作的柴油機(jī);

應(yīng)采取有效措施，防止隔離裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時啟動被隔離的發(fā)動機(jī);

隔離裝置應(yīng)工作可靠，任何情況下發(fā)生故障，應(yīng)保證柴油機(jī)能安全運(yùn)行;

各連接柴油機(jī)均能滿足適用的法定要求。

各種運(yùn)行工況下，排氣背壓始終不超過每個所連接柴油機(jī)制造廠規(guī)定的背壓限制。如設(shè)置引風(fēng)機(jī)來保持背壓，對SCR反應(yīng)裝置連續(xù)運(yùn)行重要的泵（如還原劑泵）、風(fēng)機(jī)，應(yīng)冗余配置。當(dāng)其中任一泵、風(fēng)機(jī)停止工作時，其他泵、風(fēng)機(jī)的排量仍能確保SCR反應(yīng)裝置在最大負(fù)荷條件下運(yùn)行[1]。

4.1 安裝要求

為了保證尿素溶液在進(jìn)入SCR反應(yīng)器前充分分解成氨氣，為了保證溫度，提高氨氣和一氧化氮和二氧化氮的轉(zhuǎn)化率，SCR反應(yīng)器需靠近柴油機(jī)安裝。

SCR系統(tǒng)的設(shè)計和布置方式為了保證SCR系統(tǒng)在設(shè)備失效、損壞、堵塞等非正常情況下或正常停止工作時，發(fā)動機(jī)仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如設(shè)置旁通或其他等效措施。

組成SCR系統(tǒng)的尿素艙、SCR尿素泵單元、SCR尿素控制計量單元、噴射空氣分配單元、尿素噴射單元、SCR氮氧還原裝置、控制中心和分析儀，控制空氣瓶，日用空氣瓶，氣動閥等遵循規(guī)范中規(guī)定的環(huán)境條件/工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計、選型、布置。符合船舶運(yùn)行傾斜角度，以保證SCR裝置能正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]到不同的船舶類型、尺寸和營運(yùn)路線情況，可采用較小的傾斜角。

在有可能積聚可燃、有毒有害氣體、蒸汽的地方，布置抽風(fēng)管，以保證布置主機(jī)，發(fā)電機(jī)，鍋爐等在天氣惡劣的情況下，可以正常的功率運(yùn)行，并保證人員到達(dá)的處所安全。

在SCR相關(guān)設(shè)備周圍適當(dāng)設(shè)置防護(hù)措施，當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，可能對船員構(gòu)成危險的地方，應(yīng)設(shè)置防護(hù)罩防噴濺或欄桿等設(shè)施。為避免SCR相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)在操作及轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)錯誤，應(yīng)在顯要位置布置操作銘牌和警示銘牌[1]。

除了冷卻淡水和滑油等系統(tǒng)外，SCR相關(guān)設(shè)備和管路表面超過60度，都應(yīng)按制造廠標(biāo)準(zhǔn)包扎絕熱材料、玻璃纖維布或鍍鋅鋼板等，對有可能引發(fā)火險的地方包扎放噴濺膠帶。防止對SCR相關(guān)設(shè)備操作和維護(hù)時，對船員造成傷害[4]。

SCR系統(tǒng)的安裝、布置應(yīng)便于操作和維護(hù)。

4.2 NOx氮氧化物檢測

NOx氮氧化物檢測口，在排氣管上開支管20#鋼管42x3.5 GB/T8163-2008，如圖3所示。

支管上連接①NOx檢測法蘭，檢測時拆卸②盲板法蘭，檢測后用②盲板法蘭封住[4]。

4.3 應(yīng)用實例與效果評析

主機(jī)和發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)安裝SCR裝置前后檢測數(shù)據(jù)對比，如表2所示。

5 結(jié)語

SCR技術(shù)理論與實踐較為成熟，已得到各柴油機(jī)制造商和船東認(rèn)可，在排放控制區(qū)（ECA）內(nèi)航線的船舶，若安裝SCR裝置，船舶所產(chǎn)生的廢氣將滿足Tier III3的排放要求。

參考文獻(xiàn)

[1] GUIDANCE NOTES GD20-2016，選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)船上應(yīng)用指南[S].中國：中國船級社，2016.

[2] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國船舶重工集團(tuán)公司，中國造船工程學(xué)會編著.船舶設(shè)計實用手冊 輪機(jī)分冊[M].第3版.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[4] 南京金陵船廠有限公司技術(shù)中心設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).管系標(biāo)準(zhǔn)手冊[R].南京：南京金陵船廠，2018.