賴柯宇 姜本儉 卓寧寧 王銀行 劉知鵬

摘 要：當(dāng)前海洋環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，人類生存空間日漸緊張。為保護(hù)海洋環(huán)境，國(guó)際海事組織（ IMO）制定了船舶廢氣中有害物質(zhì)排放控制標(biāo)準(zhǔn)，其中包含了船舶柴油機(jī)廢氣中氮氧化物（ NOx）的排放標(biāo)準(zhǔn)（IMOTier III）。船舶為了合法合規(guī)在海上航行，必須通過(guò)實(shí)施多種方案來(lái)滿足NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)。本文基于某插樁式搶險(xiǎn)打撈工程船，著重對(duì)船舶選擇性催化還原（ SCR）系統(tǒng)進(jìn)行研究，并介紹了SCR系統(tǒng)的主要組成。

關(guān)鍵詞：Tier III;尿素溶液;SCR廢氣;NOx濃度;反應(yīng)

中圖分類號(hào)：U664.121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

船舶航行時(shí)排放的廢氣，包含了氮氧化物NOx、硫氧化物SOx和顆粒物等，已成為不可忽視的污染源。國(guó)際海事組織[IMO]為控制船舶廢氣造成環(huán)境污染，制訂了多級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，其中從2011年開(kāi)始實(shí)施Tier II，從2016年開(kāi)始在排放控制區(qū)域推行Tier III。這意味著當(dāng)船舶進(jìn)入氮氧化物排放控制區(qū)時(shí)，柴油機(jī)所產(chǎn)生的廢氣必須滿足Tier IⅡ排放標(biāo)準(zhǔn)。為此，船舶行業(yè)必須采用減排效果更佳且更經(jīng)濟(jì)的措施來(lái)降低船舶廢氣中的氮氧化物NOx濃度，

2 減少NOx排放的措施

目前減少NOx排放的有效措施，主要包括：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)改用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃燒液化天然氣（ ING）等清潔能源來(lái)減少NOx的排放，從而滿足Tier IⅡ排放標(biāo)準(zhǔn)。使用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的船舶，一般都有船型限制的要求，現(xiàn)多用于LNG船;

（2）采用尾氣后處理的辦法

尾氣后處理包含了兩種方案：選擇性催化還原（ SCR）和廢氣再循環(huán)（EGR）。這兩種技術(shù)各有利弊：①ECR技術(shù)需要對(duì)柴油機(jī)本體進(jìn)行改造，通過(guò)將柴油機(jī)排氣過(guò)程中的部分廢氣導(dǎo)流回到進(jìn)氣過(guò)程中，減少柴油機(jī)燃燒過(guò)程中氧含量，進(jìn)而減少柴油機(jī)燃燒過(guò)程混合氣中NOx的生成，達(dá)到減少氮氧化物濃度的效果;②SCR技術(shù)屬于外置技術(shù)，采用尿素霧化與排煙管中高溫廢氣混合，在催化劑的促進(jìn)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣中的NOx還原為無(wú)污染的氮?dú)夂退?，不需要?duì)柴油機(jī)本體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造;

（3） SCR技術(shù)需消耗尿素，而ECR技術(shù)不消耗尿素，不用在船舶上設(shè)置尿素艙柜，但ECR技術(shù)存在改變柴油機(jī)構(gòu)造后柴油機(jī)性能減弱的弊端;采用SCR技術(shù)，雖然船舶建造成本相較于EGR較高，但船舶航行運(yùn)營(yíng)成本較低。為滿足法令法規(guī)的NOx減排要求，SCR技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性使它成為了目前在建船舶的主流選擇。本文基于某插樁式搶險(xiǎn)打撈丁程船，對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。

3 SCR的化學(xué)反應(yīng)

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，尿素在高溫環(huán)境下會(huì)分解產(chǎn)生氨氣，同時(shí)在高溫環(huán)境中氨氣與柴油機(jī)廢氣中的氮氧化物會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即脫硝（ DeNOx）。如果對(duì)該化學(xué)反應(yīng)加入催化劑，將會(huì)大大提升脫硝率。

選擇性催化還原（ SCR）的基本原理，是以氨氣（ NH3）作為還原劑在催化劑的作用下對(duì)廢氣中的氮氧化物進(jìn)行脫銷處理（奪取廢氣中的N元素），并保證一定的脫硝率，以達(dá)到IMO TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)。柴油機(jī)廢氣中的氮氧化物（ NOx），主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（ NO2）組成。

選擇性催化還原（ SCR）的化學(xué)反應(yīng)是十分復(fù)雜的，大致可表現(xiàn)為以下幾個(gè)反應(yīng)：

（1）高溫分解反應(yīng)

CO（ NH2）2→NH2+HNCO（異氰酸）

（2）異氰酸分解反應(yīng)

HNCO+H2O→NH2+CO2

（3）選擇性催化標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

（4）選擇性催化快速反應(yīng)

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

（5）選擇性催化緩慢反應(yīng)

4NH3+6NO←SN2+6H2O

（6）氨的氧化反應(yīng)

4NH3+3O2→2N2+6H2O

上述化學(xué)反應(yīng)方程式顯示： （1）尿素在高溫環(huán)境下分解成了氨（ NH3）和異氰酸（HNCO），異氰酸（HNCO）進(jìn)一步分解成氨（ NH3）和無(wú)污染的二氧化碳（CO-）;（2）高溫時(shí)，氨（NH3）作為還原劑和一氧化氮（NO）、氧氣（O2）發(fā)生選擇性催化標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)，將一氧化氮還原成氮?dú)猓∕）和水（H2O），即脫硝標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng);低溫時(shí)，氨（NH3）作為還原劑和一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）發(fā)生選擇性催化快速反應(yīng)，將一氧化氮（ NO）和二氧化氮（NO2）還原成氮?dú)猓∟2）和水（H2O），即脫硝快速反應(yīng);（3）在柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，整個(gè)選擇性催化反應(yīng)過(guò)程將以脫硝標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)為主導(dǎo)，結(jié)合脫硝快速反應(yīng)，將柴油機(jī)廢氣中的一氧化氮（ NO）和二氧化氮（NO2）還原成無(wú)污染的氮?dú)猓∟2）和水（H2O），完成對(duì)柴油機(jī)廢氣凈化處理。

4 SCR系統(tǒng)原理

基于某插樁式搶險(xiǎn)打撈工程船，對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)述：

某插樁式搶險(xiǎn)打撈工程船，由708所設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，中船黃埔文沖船廠建造。該船為四樁腿液壓插銷式白升白航搶險(xiǎn)打撈丁程船，入籍ccs船級(jí)社符號(hào)，具有DP-2級(jí)動(dòng)力定位能力，主要用于廣州打撈局轄區(qū)海域及近海淺水水域應(yīng)急清障和搶險(xiǎn)打撈作業(yè)。

本船共配備五臺(tái)大柴油機(jī)（單臺(tái)功率3 500 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min）、兩臺(tái)小柴油機(jī)（單臺(tái)功率1 700kW，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min）作為主動(dòng)力輸出;柴油機(jī)排放滿足IMO TIERⅡ要求，具有相應(yīng)EIAPP證書(shū)。安裝SCR系統(tǒng)后，柴油機(jī)排放滿足IMO TIERⅢ要求，并具有相應(yīng)EIAPP證書(shū);當(dāng)本船在氮氧化物排放控制區(qū)（ NECA）以外海域航行時(shí)，柴油機(jī)排放滿足NOx排放標(biāo)準(zhǔn);如本船駛?cè)肟刂茀^(qū)NECA時(shí)，需同時(shí)啟用SCR系統(tǒng)進(jìn)行NOx減排措施，以滿足Tier Ⅲ下的NOx排放量要求。

下面結(jié)合SCR系統(tǒng)簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖1），對(duì)SCR原理進(jìn)行闡述：

（1）氨氣（NH3）作為選擇性催化還原反應(yīng)中的還原劑，屬于消耗品，所以船上應(yīng)設(shè)置艙柜進(jìn)行儲(chǔ)備。但氨氣具有危險(xiǎn)性及危害性，不便于運(yùn)輸及儲(chǔ)存，而尿素溶液容易高溫時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氨，相對(duì)于氨氣較為容易儲(chǔ)存和輸送，所以本船選擇尿素溶液作為還原劑，設(shè)置了儲(chǔ)存40%尿素溶液的尿素艙;

（2）當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，柴油機(jī)排氣過(guò)程中排出含氮氧化物的廢氣，SCR系統(tǒng)同時(shí)作用。SCR系統(tǒng)中尿素溶液流經(jīng)泵站后和壓縮空氣一同進(jìn)入加藥單元，并由加藥單元定量供給至噴射段，成比例的壓縮空氣和尿素溶液從噴射段的噴嘴噴射進(jìn)入混合單元中;

（3）尿素溶液從噴嘴噴射出來(lái)時(shí)呈霧化狀態(tài)，便于在高溫狀態(tài)下發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生氨氣;廢氣經(jīng)排煙管進(jìn)入SCR系統(tǒng)內(nèi)的混合單元，在混合單元內(nèi)與霧化后尿素溶液產(chǎn)生的氨充分混合，形成混合氣;充分混合后的氨一廢氣再經(jīng)排煙管進(jìn)入催化裝置，在多級(jí)的催化劑催化下發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)（ SCR），柴油機(jī)廢氣中NO2、NO被催化還原后形成N2和H2O，經(jīng)過(guò)DeNOx后符合IMO Tierlll標(biāo)準(zhǔn)的廢氣排至大氣。

5 SCR系統(tǒng)組成

SCR系統(tǒng)主要由尿素艙、尿素泵站、壓力控制及分配單元、加藥單元、噴射段、混合單元、催化裝置、SCR系統(tǒng)控制箱、氮氧化物分析柜組成：

5.1尿素艙

尿素儲(chǔ)存艙柜的艙容，應(yīng)不小于船舶長(zhǎng)期在NECA海域航行時(shí)尿素的消耗量。氨會(huì)對(duì)普通碳鋼產(chǎn)生腐蝕，所以尿素儲(chǔ)存艙的艙壁結(jié)構(gòu)宜采用316L不銹鋼或者經(jīng)過(guò)特涂后的碳鋼。

5.2尿素泵站

尿素泵站的作用是將尿素溶液從尿素儲(chǔ)存艙內(nèi)抽出，并將尿素溶液加壓輸送至PCL，通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)出口處尿素溶液的壓力。

尿素泵站同時(shí)受到本地控制箱及遠(yuǎn)程的SCR控制箱控制。一般尿素泵站尿素的供給量可供多臺(tái)柴油機(jī)廢氣進(jìn)行選擇性催化還原反應(yīng)。本船屬于DP-2級(jí)動(dòng)力定位船，主動(dòng)力以及電力都需做冗余設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)了三組動(dòng)力系統(tǒng)配套三套電力系統(tǒng);對(duì)應(yīng)電力分組，共設(shè)置三臺(tái)尿素泵站，每臺(tái)尿素泵站由不同組的電力系統(tǒng)供電。

5.3 壓力控制及分配單元

壓力控制及分配單元，對(duì)尿素溶液進(jìn)行壓力控制及分配。尿素溶液由尿素泵站輸送至壓力控制及分配單元的入口處UI，尿素溶液通過(guò)出口處U2、U3溢流閥流至加藥單元;在加藥單元根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷高低對(duì)混合單元定量注入尿素溶液時(shí)，多余尿素溶液通過(guò)回流口U-R回流至尿素儲(chǔ)存艙內(nèi)。

本船配置的壓力控制及分配單元，最多可對(duì)8臺(tái)加藥單元輸送尿素溶液，而壓力控制及分配單元與尿素泵站是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，本船共配置了3個(gè)壓力控制及分配單元，見(jiàn)圖2所示。

5.4 加藥單元

加藥單元是SCR系統(tǒng)關(guān)鍵執(zhí)行部件。SCR控制箱通過(guò)內(nèi)部模塊上已設(shè)定好的程序，控制加藥單元上的電磁閥開(kāi)啟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)尿素溶液和壓縮空氣分別定量注入混合單元上的噴射段;在加藥單元中，尿素溶液來(lái)自PCL，壓縮空氣來(lái)白船上的SCR空氣瓶，壓力一般為7 har左右;加藥單元內(nèi)部還設(shè)置了流量計(jì)，尿素溶液注入量記錄在SCR系統(tǒng)控制箱中，具有校正及歷史記錄的作用;加藥單元注入噴射段內(nèi)的壓縮空氣起兩個(gè)作用：一是壓縮空氣可以和尿素溶液同時(shí)進(jìn)入噴射段，促進(jìn)尿素溶液在混合單元的霧化效果;二是壓縮空氣可以單獨(dú)進(jìn)入噴射段和尿素管道，對(duì)兩者進(jìn)行沖洗，防止長(zhǎng)期使用后管道出現(xiàn)堵塞的情況;一臺(tái)加藥單元只能精確控制一臺(tái)柴油機(jī)所需的尿素量，本船共設(shè)置了7臺(tái)加藥單元。

5.5 噴射段

噴射段由尿素進(jìn)口軟管、壓縮空氣進(jìn)口軟管、單向止回閥、噴嘴構(gòu)成，圖3所示：尿素溶液軟管和壓縮空氣軟管末端，都設(shè)置了單向止回閥防止回流。加藥單元工作時(shí)，尿素溶液和壓縮空氣同時(shí)進(jìn)入長(zhǎng)噴嘴段，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)尿素溶液由噴嘴噴出，高壓尿素溶液于噴嘴口呈發(fā)散狀注入混合單元內(nèi);噴射段的長(zhǎng)噴嘴安裝于混合單元內(nèi)，且噴嘴口位于混合單元的軸向中心處，如圖4所示。

5.6 混合單元

混合單元可垂直或水平布置于柴油機(jī)排煙管中，混合單元兩端分別與排煙管法蘭連接，為氨一廢氣混合氣形成的場(chǎng)所;噴嘴安裝于混合單元中心處，且噴嘴朝向與柴油機(jī)廢氣排出一致;混合單元的網(wǎng)形擾流板安裝于噴嘴之前，其作用是對(duì)廢氣進(jìn)行擾流，廢氣經(jīng)過(guò)擾流板后由層流變?yōu)橥牧?，使尿素分解后的氨氣與廢氣混合更充分。為保證氨氣與廢氣完全混合，要求噴嘴出口處至催化裝置之間存在2.5 m與1.8 m的最小直段要求。

5.7 催化裝置

催化裝置為發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)的場(chǎng)所，其內(nèi)部沿排氣方向布置了多級(jí)催化劑。本船共設(shè)置了三級(jí)催化劑，防止反應(yīng)后有NH2逃逸而污染環(huán)境;為方便后期維修，催化劑為抽屜式，呈蜂窩狀，便于船員更換失效的催化劑;催化裝置的外壁上還布置了吹灰器，吹灰器內(nèi)通壓縮空氣，目的是對(duì)催化裝置內(nèi)的催化劑通壓縮空氣進(jìn)行除灰;催化裝置內(nèi)的溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)，選擇性催化還原（ SCR）過(guò)程也會(huì)發(fā)生改變。在催化裝置進(jìn)出口設(shè)置了溫度傳感器和壓差傳感器，催化裝置內(nèi)的溫度和進(jìn)出口的壓差都可通過(guò)SCR控制箱獲得，以控制整個(gè)選擇性催化還原反應(yīng)（ SCR）來(lái)提高脫硝率。

5.8 SCR系統(tǒng)控制箱

船舶航行及作業(yè)過(guò)程中，柴油機(jī)的輸出功率將會(huì)隨著船舶工況變化而變化。柴油機(jī)負(fù)荷不同時(shí)，柴油機(jī)廢氣參數(shù)也不同（見(jiàn)表1），柴油機(jī)不同負(fù)荷下廢氣中NOx濃度理論值可在柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中可獲得。

由上述SCR中化學(xué)反應(yīng)可知，尿素溶液的噴射量主要與廢氣質(zhì)量流量、溫度、廢氣中NOx濃度、尿素溶液中尿素濃度有關(guān)，本船所用的尿素濃度為40%。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，SCR系統(tǒng)控制箱必須與柴油機(jī)保持通訊，獲得柴油機(jī)實(shí)時(shí)負(fù)荷，然后根據(jù)控制箱內(nèi)部已設(shè)定的程序控制加藥裝置將尿素溶液通過(guò)噴射段定量噴射至混合單元內(nèi)，使廢氣中的NOx和NH3充分發(fā)生反應(yīng)，大大提高DeNOx率，并防止NH3大量逃逸至大氣中，達(dá)到對(duì)柴油機(jī)尾氣凈化的效果。

SCR系統(tǒng)控制箱由數(shù)據(jù)收集模塊和控制單元組成：數(shù)據(jù)收集模塊收集柴油機(jī)負(fù)荷狀態(tài)、尿素泵站工作狀態(tài)、尿素溶液流量、尿素溶液壓力、催化裝置進(jìn)出口溫度、催化裝置進(jìn)出口壓差、經(jīng)過(guò)處理后廢氣中的NOx濃度;控制單元主要是根據(jù)數(shù)據(jù)收集模塊收集數(shù)據(jù)后的分析，進(jìn)行發(fā)出動(dòng)作指令而控制尿素溶液的定量噴射進(jìn)入混合單元與廢氣混合。SCR系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖，如圖5所示。

5.9 NOx分析柜

對(duì)于已取得船檢認(rèn)證的SCR系統(tǒng)，NOx分析柜可不配置。如配置NOx分析柜，配備一臺(tái)即可，NOx分析柜依靠取樣探頭可檢測(cè)各柴油機(jī)經(jīng)過(guò)SCR系統(tǒng)后的廢氣內(nèi)的NOx濃度;將NOx分析柜與SCR系統(tǒng)控制箱連接通訊，共享廢氣中NOx濃度，船員可根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SCR系統(tǒng)控制箱內(nèi)尿素定量噴射程序進(jìn)行修正。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，海上航行的船舶日益增多，船舶航行排放的廢氣正在不斷的破壞生態(tài)環(huán)境，各國(guó)對(duì)海洋環(huán)境的保護(hù)越來(lái)越重視，對(duì)船舶廢氣中污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格。針對(duì)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，船舶SCR系統(tǒng)的使用已很普遍，多數(shù)船東偏向于在新建船舶上安裝SCR系統(tǒng)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，船舶行業(yè)對(duì)環(huán)保柴油機(jī)的需求將會(huì)加大，柴油機(jī)廠家需要解決如何使環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性之間平衡的難題。

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