船舶柴油機(jī)SCR系統(tǒng)簡介和實(shí)船應(yīng)用研討

吳清飛 中遠(yuǎn)海運(yùn)船員管理有限公司

1.引言

隨著全球防止大氣污染控制措施的不斷升級，在硫分控制的基礎(chǔ)上，對氮氧化物（NOx）的控制也越來越趨于嚴(yán)格，目前全球已有北美、加勒比海、波羅的海和北海四個氮氧化物（NOx）控制區(qū)。對船舶管理方面提出了更高的要求，在現(xiàn)有的柴油機(jī)技術(shù)下，僅依靠機(jī)前和機(jī)內(nèi)的措施很難大幅度降低NOx的排放，于是尾氣后處理裝置SCR（Selective Catalytic Reduction）——選擇性催化還原技術(shù)開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域并逐步延伸應(yīng)用到了船舶柴油機(jī)上。在不改變柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不增加燃油消耗，適應(yīng)極低NOx排放要求的前提下，為柴油機(jī)配置合適的尾氣后處理裝置SCR是當(dāng)前最好的選擇。國內(nèi)在SCR系統(tǒng)研究開發(fā)和應(yīng)用上還處于初始階段，部分技術(shù)的應(yīng)用還需要在實(shí)船使用中去不斷驗(yàn)證，這些新設(shè)備和新技術(shù)的應(yīng)用為船舶管理帶來了新的挑戰(zhàn)。如何更有效地處理這些挑戰(zhàn)成為了新的課題。

2.SCR系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)組成

2.1 工作原理

SCR的工作原理是在催化劑的作用下，以還原劑有選擇性地與船舶柴油機(jī)排放中的NOx反應(yīng)并生成無毒、無污染的氮?dú)夂退?。使用的還原劑是濃度為40%的尿素水溶液（NH）。SCR系統(tǒng)中主要的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理如下方程式所示：

柴油機(jī)廢氣中NO含量通常占氮氧化物總量的85%-95%，經(jīng)過化反應(yīng)，絕大多數(shù)的NOx能夠被轉(zhuǎn)化為沒有污染的氮?dú)夂退?，達(dá)到脫硝減排的目的。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

主機(jī)SCR 系統(tǒng)由氣動蝶閥、混合管路、噴槍組件、反應(yīng)器、供給噴射單元、人機(jī)界面控制單元、尿素溶液日用罐和傳感器，溫度管理單元，受控于主機(jī)MOP的SCRCU等組成。其中噴槍組件由尿素噴嘴及管路，空氣清洗管路，霧化空氣管路組合在一起搭配三個相應(yīng)的電磁閥控制。供給噴射單元包含兩臺互為備用的離心噴射泵，用于控制流量的比例閥以及流量計組成。為了更直觀的介紹主機(jī)SCR裝置的構(gòu)成，筆者把它按系統(tǒng)劃分為：空氣系統(tǒng)，尿素系統(tǒng)，廢氣加熱系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 主機(jī)SCR流程示意圖

1）空氣系統(tǒng)：由SCR空壓機(jī)和SCR氣瓶提供0.7Mpa壓縮空氣，分別供給反應(yīng)器前后的吹灰器，氣動蝶閥開關(guān)轉(zhuǎn)換，減壓至0.40Mpa后送至噴射組件，一路氣用來噴射尿素前和噴射后的清洗，一路氣用來在尿素噴射過程中持續(xù)的霧化。

2）尿素系統(tǒng)：由尿素駁運(yùn)泵從尿素儲存艙駁運(yùn)尿素溶液至尿素日用罐，離心噴射泵建立約0.45Mpa的壓力后經(jīng)出口比例閥調(diào)節(jié)合適的流量后送至噴槍，經(jīng)空氣霧化在混合管路和柴油機(jī)廢氣充分混合熱解水解后進(jìn)入反應(yīng)器，催化劑安裝在反應(yīng)器內(nèi)部，在催化劑的作用下，混合后的尿素和廢氣中的 NOx在反應(yīng)器中快速分解為氮?dú)夂退欧糯髿狻?/p>

3）廢氣輔助加熱系統(tǒng)：在柴油機(jī)負(fù)荷較高時，僅依靠柴油機(jī)本身的廢氣熱量基本可以維持反應(yīng)器前后溫度均在反應(yīng)溫度范圍之內(nèi)，但在主機(jī)負(fù)荷降低以及SCR系統(tǒng)開啟使用初始階段，需要從兩方面來補(bǔ)充廢氣熱量達(dá)到反應(yīng)溫度。其一，通過安裝在排氣總管上的煙氣旁通閥EGB來旁通部分煙氣，即減少進(jìn)入主機(jī)透平增壓器的廢氣量來達(dá)到提高透平后的廢氣溫度。EGB煙氣旁通閥由主機(jī)MOP根據(jù)負(fù)荷和透平后溫度來自動調(diào)節(jié)。其二，通過溫度管理單元點(diǎn)火燃燒產(chǎn)生廢氣熱量混入廢氣總管來提升廢氣溫度。溫度管理單元的啟停由SCRCU根據(jù)反應(yīng)器后溫度T-scr out 控制，210℃啟，245℃停。

4）控制系統(tǒng)：SCR 控制單元以獨(dú)立的雙CAN 總線組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器對SCR 系統(tǒng)中的參數(shù)（壓差、溫度、NOx 濃度等）進(jìn)行測量，并把信號傳輸反饋到控制單元，將控制、監(jiān)測、報警等各功能模塊聯(lián)系起來，具有給料監(jiān)控、人機(jī)交互、報警和應(yīng)答功能等功能。但主機(jī) SCR控制系統(tǒng)在自動運(yùn)行時還受主機(jī)MOP以及集控室EMISSION REDUCTION CONTROL SYSTEM控制.主機(jī)MOP向SCRCU輸出主機(jī)的工況信號，主機(jī)SCR-CU根據(jù)Nox濃度向SCR裝置發(fā)出噴射量給定值，SCR裝置根據(jù)給定值調(diào)節(jié)比例閥開度。使反應(yīng)器后及排入大氣NOx濃度達(dá)到排放要求。運(yùn)行中的主機(jī)SCR裝置處于連續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，SCR系統(tǒng)控制單元人機(jī)界面可以實(shí)時顯示每個設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)值，每5分鐘將自動記錄一次裝置運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)任何的報警將在SCR裝置控制單元和機(jī)艙集中監(jiān)控電腦上同時出現(xiàn)。主機(jī)SCRCU 也會將NOx的濃度值輸出到始終對主機(jī)監(jiān)控的PMI電腦處理，在line-recorder-27中記錄并以連續(xù)曲線直觀顯示。這兩個地方的記錄應(yīng)妥善保存并能隨時調(diào)取以備檢查。

3.管理與維護(hù)

3.1 SCR裝置運(yùn)行中的管理維護(hù)

主機(jī)SCR系統(tǒng)有三種啟動方式：機(jī)旁自動啟動、遙控啟動、機(jī)旁手動啟動。在船舶實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的控制模式，運(yùn)行中需要經(jīng)常檢查尿素艙及日用罐液位，駁運(yùn)泵可自動或手動駁運(yùn)尿素，尿素噴射泵運(yùn)轉(zhuǎn)及正常切換情況。盡可能維持尿素艙的海水冷卻，保證尿素艙溫度在35℃以下，避免出現(xiàn)尿素結(jié)晶情況。在控制屏上檢查各閥及噴射情況，觀察尿素噴射量和主機(jī)負(fù)荷的變化情況。檢查各壓宿空氣管和尿素管是否有泄露，特別是主副機(jī)SCR同時使用時消耗空氣比較多，多關(guān)注SCR空壓機(jī)運(yùn)行工況。一般在設(shè)計上甲板日用空壓機(jī)可與SCR空壓機(jī)互用，必要時可以切換使用。檢查吹灰系統(tǒng)吹灰情況（自動模式下自動運(yùn)行4h或者壓差≥1200pa時開啟吹掃）和12個吹灰電磁閥的開關(guān)狀況，以保證催化劑的清潔度和活性。監(jiān)控主機(jī)SCR系統(tǒng)中三個溫度（任意一個不要大于460℃，否則會停機(jī)報警），可以通過調(diào)整主機(jī)負(fù)荷來調(diào)節(jié)。當(dāng)210℃＜T-scr out＜225℃時，系統(tǒng)既不加熱，也不噴射尿素，會處于非正常工作狀態(tài)；因此，運(yùn)行中可以根據(jù)實(shí)際情況手動啟動溫度管理單元以盡快越過這一區(qū)域。

3.2 SCR裝置停用時的管理維護(hù)

在確認(rèn)船舶離開氮氧化物控制區(qū)后，可以在集控室SCR 控制屏菜單SCR SYSTEM SATUS里將SCR mode selection狀態(tài)轉(zhuǎn)換從AUTO切換至STOP，DOSING SYSTEN將停止噴射，進(jìn)入后清洗模式，隨后旁通閥開啟，反應(yīng)器前后閥門關(guān)閉，在主機(jī)MOP電腦運(yùn)轉(zhuǎn)模式從TIII 轉(zhuǎn)換到TⅡ模式?？稍诩厥抑锌仄撂帉⑼Ｖ拱粹o按下或者直接在機(jī)旁按下系統(tǒng)自動停止運(yùn)行按鈕。系統(tǒng)自動開啟空氣清洗閥清洗管路和噴嘴。由于系統(tǒng)沒有設(shè)置在系統(tǒng)停止運(yùn)行后自動對催化劑的吹灰程序，操作人員可在系統(tǒng)停用時轉(zhuǎn)換到機(jī)旁手動模式，手動打開SCR裝置前后閥門，保持旁通閥同時開啟，手動逐個點(diǎn)開吹灰電磁閥對反應(yīng)器中的催化劑進(jìn)行吹灰。手動吹灰時應(yīng)注意空氣壓力變化并控制吹灰時間。過短的吹灰時間可能導(dǎo)致清潔不到位，過長的吹灰時間會造成空氣消耗過多。吹灰完成后恢復(fù)到正常停止?fàn)顟B(tài)即可進(jìn)行主機(jī)換油操作。SCR裝置長時間停用時，為防止尿素溶液沉淀結(jié)晶堵塞管路和噴槍；操作人員需通過泄放管路手動泄放排空日用罐及供給噴射單元管道內(nèi)的尿素溶液，建議在日用罐中加入清水，手動啟動系統(tǒng)供給噴射單元及噴槍組件，清洗系統(tǒng)后泄放排空，關(guān)閉入口管路手動閥門。定期手動對泵浦盤車轉(zhuǎn)動活絡(luò)，各氣動碟閥短時間開關(guān)功能試驗(yàn)，檢查壓差傳感器和NOx濃度傳感器讀數(shù)以確認(rèn)相關(guān)煙氣閥門是否關(guān)閉到位。

溫度管理單元需要定期點(diǎn)火試驗(yàn)，以保證風(fēng)機(jī)及風(fēng)門轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)正常，確保點(diǎn)火功能正常。

4.常見故障與處理

常見故障與處理措施見表1。

表1 常見故障與處理

5.對主機(jī)SCR系統(tǒng)的綜合評估

本類型低壓SCR裝置在實(shí)船使用中總體運(yùn)行情況良好，在主機(jī)穩(wěn)定工況時SCR裝置運(yùn)行相對平穩(wěn)。但缺點(diǎn)也比較明顯，在船舶實(shí)際應(yīng)用中存在以下一些不足：

（1）在主機(jī)機(jī)動航行狀態(tài)下適應(yīng)性較差，轉(zhuǎn)化率較低（參見表2），特別是主機(jī)低負(fù)荷時裝置基本處于停止?fàn)顟B(tài)。每一次主機(jī)變速，系統(tǒng)至少需要約三分鐘的時間來適應(yīng)和調(diào)節(jié)到相應(yīng)的噴射量。

表2 SCR系統(tǒng)在不同主機(jī)負(fù)荷狀態(tài)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

（2）在設(shè)備布置方面，體積大，附件多，占空間比較大一直是SCR裝置最大的困局。如何在不影響使用性的前提下合理優(yōu)化布局，有很大的提升空間。

（3）硬件配件方面，濃度傳感器，溫度傳感器等關(guān)鍵部件由于工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致故障率極高，備件價格昂貴但使用壽命和可靠性卻不是很理想。

（4）主機(jī)SCR 運(yùn)行期間，廢氣不再進(jìn)入鍋爐煙面，鍋爐處于無加熱狀態(tài)，這時如需使用蒸汽或暖爐，需要在航行中啟用燃油鍋爐輔助提供熱源。

6.SCR裝置對主機(jī)本身的影響

配備了SCR 尾氣處理系統(tǒng)的船舶，相比較于傳統(tǒng)船舶的管理，不但要考慮管理難度的增加，同時也要充分評估SCR系統(tǒng)的使用對主機(jī)及其輔助設(shè)備的影響。在SCR系統(tǒng)運(yùn)行期間，由于EGB煙氣旁通的原因，當(dāng)EGB 100%開度時，主機(jī)增壓器轉(zhuǎn)速明顯下降，直接導(dǎo)致掃氣壓力的大幅度降低，掃氣效果和燃燒工況變差，排煙溫度升高。實(shí)踐表明，同等負(fù)荷下，使用SCR后主機(jī)掃氣壓力會下降約30%，各缸排煙溫度平均上升約20度左右。同時掃氣壓力的下降，可能會導(dǎo)致輔助鼓風(fēng)機(jī)長時間持續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而影響鼓風(fēng)機(jī)的使用壽命。當(dāng)主機(jī)尾氣排煙進(jìn)入SCR反應(yīng)器，一旦催化劑堵塞或者部分堵塞而沒有得到及時吹通，將會導(dǎo)致主機(jī)排氣背壓的增高，從而影響主機(jī)工況。另外，如果出現(xiàn)尿素溶液噴射不正常，或者霧化不完全的情況，將會導(dǎo)致主機(jī)排煙管路的內(nèi)部氨腐蝕。這些因素有可能會對主機(jī)造成不可逆的損害，應(yīng)該引起船舶管理人員的高度重視。

7.結(jié)語

隨著SCR系統(tǒng)在船舶的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)越來越成熟，產(chǎn)品升級步伐加快，相信缺點(diǎn)會不斷得到改進(jìn)，不良影響也會越來越小，在船舶實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性會越來越好，操作和管理方面會越來越規(guī)范合理。期待更多的人一起努力，共建綠色船舶，守護(hù)藍(lán)色海洋。