SCR装置在船舶氮氧化物排放控制中的应用

董 晶

(中外运长航集团南京金陵船厂，江苏 南京 210015)

0 引言

2011年7月15日，国际海事组织(IMO)第62届海环会(MEPC62)通过了对中国柴油机制造业、造船厂影响巨大的氮氧化物技术规则(NOXCode修正案)和选择性催化还原系统导则(Selective Catalytic Reduction，SCR)。随着不断有新的区域被指定为ECA(2011年8月1日起为北美区域)，意味着越来越多的船舶需要安装满足Tier-III(柴油机排放标准的第3阶段)要求的柴油机，而目前满足该要求的成熟产品仅有SCR系统。本文以14500 DWT化学品船的SCR装置为例，详细介绍其安装、调试、交验过程，为今后采用SCR装置的船舶的安装及通过测试，提供参考。

1 降低排放的措施

1.1 MEPC 176(58)和 MEPC177(58)条款

国际海事组织 MEPC 176(58)和 MEPC177(58)条款已于2010年7月1日强制生效。其中第13条款中对于NOX限制排放要求为:在目前阶段柴油机排放要满足Tier-II(柴油机排放标准的第2阶段)要求，在2016年后柴油机排放要满足Tier-III的要求。即在2016年后，低速柴油机(130 r/min以下)的NOX排放要低于3.4 g/(kw·h)，高速柴油机的排放要低于2.0 g/(kw·h)。

1.2 目前造船界应对NOX排放标准的途径及效果

(1)从柴油机本身着手，通过改善柴油机燃烧室的燃烧状况，优化燃烧过程来减少NOX的产生，从而降低其排放量。研究发现，柴油机内NOX的形成主要原因是燃烧室内局部性的燃烧温度过高而造成的。如果在燃烧过程中，适当降低燃烧室内的高温部位的温度，就可以减少NOX的形成，从而减少NOX的排放。故在特定时间内向燃烧室内喷一定量的淡水是可以适当降低燃烧室内的温度，从而达到最佳的燃烧效果。

某25000 DWT化学品船所选用的WARTSILA NSD 6L46L柴油机就是使用的这个技术。其设计的主要特点是:原汽缸头上的专用喷油阀改为能同时喷射燃料和水的复合喷射阀，这种复合喷射阀一个喷嘴喷水，另一个喷射燃料。喷入燃烧室的水通过过滤，高压水泵将其压力提升至20～40 MPa，再经过压力调节阀将水压调整至与负荷相匹配的准确压力，供给喷射阀。为了保证安全，在通向各气缸的管路中设有灵敏度极高的机械式截止阀，以防止管路中流有过量的压力水。喷水定时和周期实施电子控制，可以通过控制单元程序进行调整。而喷水量即水与燃料之比是通过喷射时间的长短来控制的。这种方法在实船使用时效果良好，对柴油机的机械部件没有任何副作用，在单独停止喷水时，对柴油机的运转也无任何影响。

(2)通过采用电控共轨燃油喷射技术来改善柴油机的燃烧性能，提高燃烧效率，从而降低NOX的产生。如Wärtsilä公司Sulzer RT-flex系列柴油机和MAN-B＆W公司的ME/ME-C系列柴油机均采用这种新的技术。其主要特点是:将电子设备及软件应用于船用柴油机并成为其重要部分的新型柴油机。根据柴油机燃烧理论，主要是应用了电控技术，通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及进、排气阀正时，能够有效地实现柴油机在各种负荷下的性能最优化，从而达到在满足最新排放要求下，提高其经济性、可靠性、操纵灵活性和延长使用寿命。通过监测柴油机的工况变化对喷油量、喷油时间进行最佳控制，从而达到最佳的燃烧温度，减少了NOX的产生。

(3)以上的方法虽然都在采用，但通常最多能将NOX的排放减少约50% ～60%，这就意味着即使将所有的技术综合起来，柴油机的NOX排放也不能达到特殊航区所要求的排放量，而且目前柴油机技术已相当成熟，其结构和元件已无可能作更大的改动，因此目前柴油机机内改造的空间是很小的。

通过在柴油机排气管上增设一套特殊的SCR装置，对柴油机产生的废气进行处理，从而减少NOX的排放。其工作原理是:通过安装一套选择性催化转换器SCR，利用NH3(氨)有选择性的与NOX在催化剂的作用下进行化学反应，将NOX转化为氮气和水。因而，柴油机所排放的废气中的NOX几乎全部消除，从而完全可以满足目前最严格的排放规范、规则要求。

2 安装实例

14500 DWT化学品船是一艘高性能化学品船，其主要量度如下:

型长为146.8 m，型宽为22 m，型深为11.8 m，设计吃水为8.5 m，载重吨为14500 DWT，货舱舱容为18700 m3;船级社为DNV。

此船航行于波罗的海和北欧近海海域，主要服务于靠近居民区的小的港口、码头，故船东对船的环保要求很高，特别是柴油机废气中的NOX含量必须很低，其相关的要求远远高于当时的MARPOL和官方当局的相关要求。为此，本船选用并安装了当时最先进的氮氧化合物减排装置:瑞典MUNTERS Europe AB公司生产的SCR装置。14500 DWT化学品船总布置图如图1所示。

图1 14500 DWT总布置示意图

2.1 SCR装置配置

本船共有2台主机、4台柴油发电机，每台柴油机的排气管上都安装1套SCR装置。每套装置配有:废气整流装置、尿素液喷射装置、尿素液混合段、转化反应装置、温度、压力监测装置、吹灰装置、控制单元、柴油机负荷监测装置等。其外围装置有尿素液舱、尿素液供应泵组等。SCR装置图如图2所示。

2.2 SCR装置工作原理

SCR装置工作原理:预先将固体尿素在一定的温度下与淡水充分搅拌、混合，使尿素完全融化，变成水合物，其尿素含量应控制在40%左右，将此尿素液体注入尿素舱备用。需要注意的是，配比完成后，用仪器检测尿素浓度，以防其浓度过高或过低，从而影响中和反应。当柴油机运行后，柴油机所产生的废气经流量整流装置调节，使废气以一定的流态流动到喷射段，尿素喷射装置在监测到柴油机传出的负荷参数和转化炉体中的温度后，喷出一定量的、经过压缩空气充分雾化的尿素雾滴进入柴油机的排气管，尿素雾滴与废气经过混合段后，NOX与尿素雾滴充分混合。当混合气体进入转化炉后，在转化炉中的催化剂作用下，NH3与NOX充分反应，将绝大部分的NOX转化为水和氮气排出。

SCR装置主要优点是:氨的来源(尿素)成本较低、制作简单、储存方便，整个装置的使用费用不高。整个系统为全自动监测、控制，操作极为简单。对船上的其他系统没有过多的特别要求，对废气锅炉没 影响，并且能起到一定的降低柴油机的噪音作用。

图2 SCR装置图

2.3 设计、安装注意事项

(1)柴油机的排气允许的工作背压要提高，特别是配有废气锅炉的主机。由于SCR整套系统所产生的背压约为:290～350 Pa，故与柴油机厂家进行技术谈判时应将此参数告知厂家。在柴油机及增压器选型时，要考虑安装SCR系统时所产生的额外的排气背压。如柴油机选择不当，将会严重影响柴油机组的工作工况，甚至导致柴油机不能正常工作。

(2)尿素液的配比应尽量满足SCR装置的要求。由于还原剂NH3的用量是根据NOX的浓度来确定的，而SCR装置每次所喷射的NH3量是按照尿素液体积计算的，如尿素液配比浓度过高，单位次数所喷射的NH3就会太多，从而会在转化炉中生成其他有害物质，造成新的污染。如配比浓度过低，则NH3与NOX反应会不充分，使NOX的转化效果降低，无法达到减排的目的。因此本船特别设计了带加热的尿素液搅拌系统来配比尿素液，以达到配比均匀。在设计尿素系统时要特别注意，由于尿素液体具有腐蚀性，故整个系统的管路，包括输送管路，透气管甚至输送泵，均需选用不锈钢材质，以防尿素腐蚀;且尿素舱也要进行特涂，以防舱壁板被腐蚀。

(3)控制雾化空气的质量。因整个尿素喷射系统均为精密电磁阀件控制，压缩空气中不能含有油分、水和杂质，绝对不能用没有进过处理的空气。故整个系统的压缩空气的质量必须得到保证，必须设有精密的空气过滤系统来处理为尿素系统服务的压缩空气。

(4)由于整套装置均需安装在排气管路中，且装置体积较大，需要一定的安装、维护空间和一些特殊安装的要求，故排气管放样时应严格按照厂家的要求布设，特别是在整流段后到混合段间管路布设应严格按照厂家的要求做。3 m长左右的直管不能有任何弯曲，这段管路材质也应按厂家要求选用不锈钢的，以防整流后的气体流态、速度没有达到设计要求，影响废气与尿素液的混合，从而影响两者的化学反应。在整个排气管路设计时，应多设一些能检测排气压力、温度的接头或支管，其位置和角度应先与厂家沟通，了解检测仪器的接口形式和必要的操作空间，以便系统能顺利调试。建议在船舶系统管路放样时，应先保证排气管路的布设，然后再考虑其他系统的管路。如有可能，在排气管路设计好后邀请SCR服务工程师校核一下，以防后患。

(5)正常情况下，该装置适用于硫含量的燃油最高为3%。如果使用过高硫含量的燃油，NH3有可能与SOX反应生成硫酸氨而附着在多孔陶瓷砖上，造成孔洞堵塞。且多孔陶瓷砖的孔径是根据柴油机所使用的燃油选用，油品越差，其孔径越大，如使用燃油不当，极易堵塞，从而造成柴油机排气背压增大恶化柴油机的工作工况，最终会造成柴油机功率急速降低而停车。故在与船东制定技术规格书时就应明确船舶柴油机使用的燃油规格，并应可能使用低硫燃油，不能轻易更换燃油。

(6)SCR的转化效率、转化炉的使用寿命取决于作为催化剂的TiO2和V2O5及其载体的多孔陶瓷砖安装状况，故转化炉内多孔陶瓷砖的装配是整个系统安装工作的难点之一。其主要特点是转化炉内工作空间狭小，陶瓷砖难以固定，陶瓷砖堆放时既要保证陶瓷砖的孔与孔相对，又要使支架能固定住砖块。如果安装失误，船舶运动时由于砖块发生位移而使陶瓷砖孔与孔之间发生错位，进而导致柴油机的排气背压迅速增大，造成柴油机由于燃烧不充分产生大量的碳颗粒，而碳颗粒会迅速附着在多孔陶瓷砖上，覆盖住催化剂，并会堵塞陶瓷砖的孔眼，其结果是会更加影响柴油机的性能，产生更多的颗粒，造成恶性循环，轻者将会造成柴油机背压过高而无法工作，严重时可能会损坏增压器或碰碎砖块，造成更大的事故。

(7)SCR系统与柴油机之间通讯连接也是本系统的一个难点。由于国内主机厂的技术支持工程师一般都不是很了解SCR系统，不清楚SCR系统需要接受柴油机的哪些信息，也不清楚在自己的控制、监测系统中安装哪些SCR的模块。故SCR系统的技术协议中应明确:SCR系统的哪些控制模块需整合到柴油机控制或监测单元中，SCR系统需要的柴油机的信息清单和通讯协议。柴油机的监测系统、安保系统的协议中应将SCR系统的要求告诉这些设备商，并在相关的资料认可期间召开相关设备的技术协调会，把问题预先暴露，并协调解决。做调试SCR系统需要的时间较长，几乎贯穿整个柴油机的码头试验和航行试验。SCR监测系统需要分析柴油机大量的多种工况的参数，如温度、压力，废气流量，转速，燃油齿条刻度等，均需在调试时实际测量后输入，因此还需要柴油机厂家的充分配合。这就要求船厂在签订柴油机的技术协议时就应与厂家明确配合时间，同时也要考虑充分船舶的海试时间。

3 结语

根据船舶安装的SCR装置最终的测试结果显示，其氮氧化合物的排量小于1.0 g/(kw·h)，完全满足目前所有的航区要求。

［1］张洁，等.船用柴油机NOX等有害排放气体的评价及处理研究［J］.内燃机学报，2000，(4):380-385.