催化还原技术在尿素系统设计方案中的研究

郑 忠李 坤李 俊

（1.江苏新时代造船有限公司，江苏靖江214518；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

国际海事组织 （IMO）海上环境保护委员会第66届会议（MEPC66）以 MEPC.251（66）决议通 过MARPOL附则VI和2008 NOx技术规则修正案，并最终确定了Tier III NOx排放标准的实施时间，Tier III NOx排放要求适用于：

1）2016年1月1日或以后建造并且在北美排放控制区内或美国加勒比海排放控制区内航行的船舶，其上安装的柴油机；

2）在其他NOx排放控制区（北美排放控制区或美国加勒比海排放控制区除外）通过日期或以后建造，或在指定NOx排放控制区的修正案中规定的日期或以后建造（以较晚者为准），且在该排放控制区内航行的船舶，其上安装的柴油机。

对于转速低于130 r/min的发动机，Tier III排放限值是3.4 g/kWh，在NOx排放控制区外运行时，发动机须符合Tier II 14.4 g/kWh的限值，转速高于130 r/min的发动机必须满足更低的限值。图1［1］为MARPOL公约附则VI规定的NOx排放限值。

图1 MARPOL公约附则VI规定的NOx排放限值

由图1可知Tier III排放限值在Tier II的基础上减少了约76%，目前能达到Tier III排放标准的相对成熟的单一技术有选择性催化还原技术（selective catalytic reduction，SCR）、仅可用于二冲程低速柴油机的废气再循环技术 （Exhaust Gas Recirculation，EGR）以及低压喷射LNG发动机。SCR技术因其不影响发动机的基本性能，适用范围广，对发动机的安全影响小，获得了业界的广泛关注并成为最有前景的Tier III NOx减排技术之一。

1 SCR技术

SCR技术为燃烧后废气处理方法，使用NH3作为还原剂，利用NH3对NOx的选择性催化还原，优先将NOx还原为N2和H2O，可将船用柴油机产生的NOx减少到符合NOxTier III排放要求的水平。SCR系统通常包括还原剂供应系统、还原剂喷射系统、SCR反应器、SCR混合器、压缩空气系统、加热系统和电控系统等。按照SCR反应器的位置可以分为高压SCR系统（反应器位于增压器前）和低压SCR系统（反应器位于增压器后），按照使用燃油含硫量的不同也可分为高硫SCR系统 （3.5%S）和低硫SCR系统（0.5%S或0.1%S）。SCR反应过程使用的还原剂通常有 3种，分别为无水氨气（NH3）、氨水（25%NH3）和尿素溶液（浓度32.5%或40%）。无水氨气（NH3）属于有毒的危险物质，对健康和环境有害，其储存舱和供应系统部分必须布置在远离机舱和居住舱室的单独舱室内，喷射供应管线必须是双壁管，并且通风至室外。氨水（25%NH3）属于腐蚀性物质，对环境有害，其储存舱和供应系统部分要求类似无水氨气（NH3）。尿素没有显著危害，尿素供应系统没有无水氨气或氨水供应系统复杂，所以船舶使用尿素更方便，绝大多数SCR厂商都选择将尿素溶液（通常浓度40%）作为SCR系统的还原剂。本文将着重探讨尿素溶液的特点及其相关系统。

2 尿素溶液特点分析

2.1 尿素溶液定义

尿 素 ，又 称 碳 酸 胺 （carbamide），化 学 式 为（NH2）2CO，是由碳、氮、氧、氢组成的有机化合物。 尿素溶液系指由不添加任何其他物质的纯尿素和纯水制成，尿素含量为40%的水溶液，其品质特性见表1～2［2］。 纯尿素为工业生产等级的尿素，含有微量缩二脲、氨、水、低醛或其他物质如防凝结剂，不含硫及其化合物、氯化物、硝酸盐或其他化合物等污染物。纯水通常通过单一蒸馏法、去电离法、超过滤法或反渗透法等生产制作。

2.2 尿素溶液还原反应原理

如图2所示，尿素溶液在喷入SCR蒸发/混合器时会分解成氨气和二氧化碳，具体化学反应方程式见式（1）：

氨气在进入SCR反应器后，在催化剂的催化作用下，NOx被还原剂氨气还原为氮气和水，具体化学反应方程式见式（2）、式（3）和式（4）：

表1 船用尿素溶液参数表

表2 船用尿素溶液物理特性表

3 尿素系统方案设计

针对上述尿素溶液的特点、还原反应以及船舶管系的设计准则，特从以下方面对尿素系统进行探讨分析。

3.1 耗量计算

储存舱/柜的容量设计，应考虑船舶拟运营的航线（或续航力）、加注频率、连接发动机负荷等因素确定，尿素溶液耗量通常根据式（5）估算：

式中：Vurea——尿素溶液耗量，L/h；

Pengine——柴油机功率，kW；

mNO2——柴油机SCR后NOx排量，g/kWh；

Murea——尿素摩尔质量，g/mol=60.07；

MNO2——NO2摩尔质量，g/mol=46.1；

Curea——尿素浓度，%；

ρurea——尿素密度，约1.1 kg/L

MAN二冲程柴油机SCR系统中40%尿素溶液的单位耗量可按照17 L/MWh来估算。表3为某船尿素储存舱舱容计算实例。

3.2 储存

尿素储存舱/柜应远离热源，放置在通风良好的区域，以防溢流或泄漏时不会落到可燃或加热表面，并不应直接与燃油舱和淡水舱相邻。

图2 尿素溶液还原反应原理

表3 某船尿素储存舱舱容计算实例

由于过高或过低的温度会影响尿素溶液的特性（长时间高于25℃易分解，低于1℃易结晶），因此应根据船舶运营航线或作业区域以及尿素溶液的存储温度范围，为尿素储存舱/柜配置必要的冷却或加热系统。在任何情况下，尿素溶液应避免储存在温度高于40℃的环境中，推荐冷却方法如下：

1）如船上已设置有冷却轻柴油用的冷水机组单元，则推荐使用此冷水机组单元冷却。

2）直接使用32℃海水冷却尿素溶液至35℃（储存周期不超过6个月）。

3）尿素舱与机舱的限界面所在区域增加通风量，尿素舱布置区域远离热源。

加热方法采推荐用独立的热水加热系统为尿素舱加热（适用于高冰级船）。尿素溶液的储存周期如表 4［3］所示。

表4 船用尿素溶液储存周期

如尿素储存舱布置在单独的舱室内，应设有独立于起居处所、服务处所或控制站的机械供风和抽风系统，通风次数应不小于6次/h，通风系统应能够从舱室外进行控制并保持持续通风（清舱时除外）。应在舱室内和舱室外每个邻近入口处设有通风系统声光报警装置（一旦通风系统停止工作，触发声光报警），并张贴人员进入该处所前要求通风的安全指示。

尿素储存舱也可布置于机舱内，如机舱通风能够布置于储存舱附近并提供有效的持续的空气流通（清舱时除外），可不设置独立的通风系统。

如尿素储存舱作为结构舱柜时，应尽可能成为船体结构的一部分（如双层底舱、边舱），并满足结构强度计算和稳性计算要求。实船布置时尿素储存舱应尽可能地靠近SCR反应器，以节约管路和减少管路阻力损失。

3.3 管材

与尿素溶液储存、驳运、日用和泄放相关的管系、舱柜及其他可能与尿素接触的任何部件，应选用合适的合金钢、不锈钢、不易燃的塑料、做过防腐涂层处理的普通碳钢或其他材料，禁止使用铝、铝合金、铜、铜合金、镁、镁合金、碳钢、镀锌钢、镀镍的塑料或金属等材料。由于尿素管路尺寸相对较小，推荐使用不锈钢，结构舱柜考虑使用钢板特涂处理，独立舱柜可使用不锈钢。

3.4 驳运

根据DNV-GL规范，尿素溶液在管路等级中被定义为其他介质，因此尿素管系通常为III级管。

1）尿素管系不应布置在锅炉上方或者靠近蒸汽管路、排气系统、需要绝热的热表面，不应设在或通过起居处所、服务处所、控制站，应独立于船上其他管系。

2）尿素溶液应设置加注站，布置成能安全地从船的两舷进行加注，加注管同时也能作为通岸管路，可通过尿素驳运泵将储存舱/柜或者泄放柜中的尿素溶液驳运至岸上。

3）所有进出储存舱/柜的管路，如果一旦破损将导致尿素溶液泄露，则应在管路上设置直接装于舱柜上的手动关闭阀。从尿素溶液储存舱/柜引出的管路一旦损坏会导致尿素溶液流出，应在储存舱/柜出口设一个快速关闭阀，该阀除能就地关闭外，还应能在储存舱/柜所在处所外易于接近的安全位置进行操作。为减少尿素溶液中杂质对尿素供应系统中阀件及其他重要部件的损害，应在尿素供给泵进口设置过滤器。

4）尿素储存舱/柜的空气管，其出口应位于开敞甲板上且人员不易靠近的位置，并采取有效措施防止水进入舱/柜，空气管应独立于船上其他管系或系统。

3.5 日用

日用系统通常根据SCR厂商推荐来设计，包括尿素供给泵单元、尿素剂量单元、阀门控制单元、尿素喷射单元和喷嘴等。尿素供给泵单元将尿素储存舱中的尿素，通过尿素喷射单元和喷嘴，喷入蒸发器/混合器中，尿素剂量和系统中的遥控阀门通常由减排控制系统（ERCS）进行控制。通常厂商会对此系统中各设备的相对位置以及管路长度作出一定的要求，在设计和布置中应注意满足。

3.6 泄放

尿素储存舱/柜及尿素管系可能发生泄漏的位置应设置滴水盘，以承接可能发生的尿素溶液泄漏，滴水盘应设有泄放装置，将滴水盘内的尿素溶液泄放到泄放柜或其他适合的舱柜，泄放管路上应安装止回阀；或者作为替代，设有泄漏监测装置及快速关闭阀，当发生泄漏时可快速地自动切断尿素溶液，采用该设计布置时，滴水盘容量应能足够容纳可能的泄漏。

3.7 自动化

每个尿素储存舱需设置温度和液位监测，应能提供高、低温报警和高、低液位报警。尿素供给系统需设置遥控指示、低压报警，如管路设置了热伴行，则也需要在管路上设置高、低温报警。

3.8 防护措施

为保护船员，船上应配备合适的保护设备（包括大围裙、长袖橡胶手套、橡胶靴、防化学物质材料的连体工作服、口罩、防化学物质护目镜或面具），并在尿素溶液舱/柜附近或合适的区域备有洗眼药水和眼冲洗设备。

3.9 其他

尿素溶液供给系统通常需额外消耗少量的雾化压缩空气和淡水，尿素供给泵单元也将消耗一定的电功率，在设计时需适当考虑。

4 结语

由于中高速常规柴油机目前仅有一种脱氮技术即SCR技术可选择，因此对于需要加装脱氮装置的船舶来说，尿素系统不可避免地成为了一种常规的、必须的辅助系统，而且由于尿素溶液自身的特点，此系统设计相对较为复杂，经验相对匮乏。本文通过研究分析尿素溶液的特性，并结合SCR技术方案和船舶管系设计特点，较为全面地介绍了该系统的储存、驳运、日用、泄放以及管材选取、自动化和安全保护等。希望本文对今后的实船尿素系统设计能够具有一定的借鉴和参考价值。