吳清飛 中遠海運船員管理有限公司

1.引言

隨著全球防止大氣污染控制措施的不斷升級，在硫分控制的基礎上，對氮氧化物（NOx）的控制也越來越趨于嚴格，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)有的柴油機技術下，僅依靠機前和機內(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開始進入工業(yè)領域并逐步延伸應用到了船舶柴油機上。在不改變柴油機內(nèi)部結構，不增加燃油消耗，適應極低NOx排放要求的前提下，為柴油機配置合適的尾氣后處理裝置SCR是當前最好的選擇。國內(nèi)在SCR系統(tǒng)研究開發(fā)和應用上還處于初始階段，部分技術的應用還需要在實船使用中去不斷驗證，這些新設備和新技術的應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)工作原理和結構組成

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排放中的NOx反應并生成無毒、無污染的氮氣和水。使用的還原劑是濃度為40%的尿素水溶液（NH）。SCR系統(tǒng)中主要的化學反應機理如下方程式所示：

柴油機廢氣中NO含量通常占氮氧化物總量的85%-95%，經(jīng)過化反應，絕大多數(shù)的NOx能夠被轉化為沒有污染的氮氣和水，達到脫硝減排的目的。

2.2 結構組成

主機SCR 系統(tǒng)由氣動蝶閥、混合管路、噴槍組件、反應器、供給噴射單元、人機界面控制單元、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SCR裝置的構成，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SCR流程示意圖

1）空氣系統(tǒng)：由SCR空壓機和SCR氣瓶提供0.7Mpa壓縮空氣，分別供給反應器前后的吹灰器，氣動蝶閥開關轉換，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)：由尿素駁運泵從尿素儲存艙駁運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廢氣充分混合熱解水解后進入反應器，催化劑安裝在反應器內(nèi)部，在催化劑的作用下，混合后的尿素和廢氣中的 NOx在反應器中快速分解為氮氣和水，排放大氣。

3）廢氣輔助加熱系統(tǒng)：在柴油機負荷較高時，僅依靠柴油機本身的廢氣熱量基本可以維持反應器前后溫度均在反應溫度范圍之內(nèi)，但在主機負荷降低以及SCR系統(tǒng)開啟使用初始階段，需要從兩方面來補充廢氣熱量達到反應溫度。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，即減少進入主機透平增壓器的廢氣量來達到提高透平后的廢氣溫度。EGB煙氣旁通閥由主機MOP根據(jù)負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 控制單元以獨立的雙CAN 總線組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，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、人機交互、報警和應答功能等功能。但主機 SCR控制系統(tǒng)在自動運行時還受主機MOP以及集控室EMISSION REDUCTION CONTROL SYSTEM控制.主機MOP向SCRCU輸出主機的工況信號，主機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。使反應器后及排入大氣NOx濃度達到排放要求。運行中的主機SCR裝置處于連續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，SCR系統(tǒng)控制單元人機界面可以實時顯示每個設備的工作狀態(tài)和參數(shù)值，每5分鐘將自動記錄一次裝置運行參數(shù)。系統(tǒng)任何的報警將在SCR裝置控制單元和機艙集中監(jiān)控電腦上同時出現(xiàn)。主機SCRCU 也會將NOx的濃度值輸出到始終對主機監(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妥善保存并能隨時調(diào)取以備檢查。

3.管理與維護

3.1 SCR裝置運行中的管理維護

主機SCR系統(tǒng)有三種啟動方式：機旁自動啟動、遙控啟動、機旁手動啟動。在船舶實際應用中可根據(jù)實際情況選擇相應的控制模式，運行中需要經(jīng)常檢查尿素艙及日用罐液位，駁運泵可自動或手動駁運尿素，尿素噴射泵運轉及正常切換情況。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負荷的變化情況。檢查各壓宿空氣管和尿素管是否有泄露，特別是主副機SCR同時使用時消耗空氣比較多，多關注SCR空壓機運行工況。一般在設計上甲板日用空壓機可與SCR空壓機互用，必要時可以切換使用。檢查吹灰系統(tǒng)吹灰情況（自動模式下自動運行4h或者壓差≥1200pa時開啟吹掃）和12個吹灰電磁閥的開關狀況，以保證催化劑的清潔度和活性。監(jiān)控主機SCR系統(tǒng)中三個溫度（任意一個不要大于460℃，否則會停機報警），可以通過調(diào)整主機負荷來調(diào)節(jié)。當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，運行中可以根據(jù)實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

在確認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)轉換從AUTO切換至STOP，DOSING SYSTEN將停止噴射，進入后清洗模式，隨后旁通閥開啟，反應器前后閥門關閉，在主機MOP電腦運轉模式從TIII 轉換到TⅡ模式?？稍诩厥抑锌仄撂帉⑼Ｖ拱粹o按下或者直接在機旁按下系統(tǒng)自動停止運行按鈕。系統(tǒng)自動開啟空氣清洗閥清洗管路和噴嘴。由于系統(tǒng)沒有設置在系統(tǒng)停止運行后自動對催化劑的吹灰程序，操作人員可在系統(tǒng)停用時轉換到機旁手動模式，手動打開SCR裝置前后閥門，保持旁通閥同時開啟，手動逐個點開吹灰電磁閥對反應器中的催化劑進行吹灰。手動吹灰時應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。吹灰完成后恢復到正常停止狀態(tài)即可進行主機換油操作。SCR裝置長時間停用時，為防止尿素溶液沉淀結晶堵塞管路和噴槍；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，關閉入口管路手動閥門。定期手動對泵浦盤車轉動活絡，各氣動碟閥短時間開關功能試驗，檢查壓差傳感器和NOx濃度傳感器讀數(shù)以確認相關煙氣閥門是否關閉到位。

溫度管理單元需要定期點火試驗，以保證風機及風門轉換運轉正常，確保點火功能正常。

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SCR系統(tǒng)的綜合評估

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

（1）在主機機動航行狀態(tài)下適應性較差，轉化率較低（參見表2），特別是主機低負荷時裝置基本處于停止狀態(tài)。每一次主機變速，系統(tǒng)至少需要約三分鐘的時間來適應和調(diào)節(jié)到相應的噴射量。

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

（2）在設備布置方面，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，溫度傳感器等關鍵部件由于工作環(huán)境惡劣，導致故障率極高，備件價格昂貴但使用壽命和可靠性卻不是很理想。

（4）主機SCR 運行期間，廢氣不再進入鍋爐煙面，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)的使用對主機及其輔助設備的影響。在SCR系統(tǒng)運行期間，由于EGB煙氣旁通的原因，當EGB 100%開度時，主機增壓器轉速明顯下降，直接導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。實踐表明，同等負荷下，使用SCR后主機掃氣壓力會下降約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，可能會導致輔助鼓風機長時間持續(xù)運行，進而影響鼓風機的使用壽命。當主機尾氣排煙進入SCR反應器，一旦催化劑堵塞或者部分堵塞而沒有得到及時吹通，將會導致主機排氣背壓的增高，從而影響主機工況。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，將會導致主機排煙管路的內(nèi)部氨腐蝕。這些因素有可能會對主機造成不可逆的損害，應該引起船舶管理人員的高度重視。

7.結語

隨著SCR系統(tǒng)在船舶的應用越來越廣泛，技術越來越成熟，產(chǎn)品升級步伐加快，相信缺點會不斷得到改進，不良影響也會越來越小，在船舶實際應用中的適應性會越來越好，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，守護藍色海洋。