船舶柴油机氮氧化物减排技术SCR
——吴信超
1、概述
2、系统原理及组成
3、各组成单元结构介绍
4、控制单元的操作及功能介绍
5、SCR的使用、维护和管理
一、概述。
选择性催化还原技术（SCR）SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION 已在全球范围内的工业、陆运及航运业用柴油机中得到应用，实现最高达95%NOx减排。SCR是唯一的次级技术，即在NOx生成之后，再减少NOx排放的技术。SCR的主要优点是它允许在开/关模式之间切换，针对NECAs内外改变排放策略。最适合于在稳定的高负荷运行工况下使用，而不太适合于在沿海和港湾区域低负荷运行时使用。
SCR 的基本原理是： 来自发动机的排气被引导通过催化剂，在反应温度高于 500K(温度取决于燃料成分) 时：氨(NH3) 还原 NOx 成 N2 和水，即 NO + NO2 + 2NH3=2N2 + 3H2O 。
氨在正常的存储温度 20℃(沸点-33 ℃) 下是气体，有毒性 和腐蚀性，因此必须在高压或低温下存储。
为便于贮存，采用尿素的水溶液CO(NH2)2 （一般为40%浓度）在高温的排气存在下加热分解，再与空气和水反应后形成氨和异氰酸；所生成的氨在 SCR 催化剂表面反应，以完成 NOx 的还原。
现以我轮YANMAR 6EY18ALWS 柴油机配备的Y18SCR-(A)L系统为例，详细介绍下发电柴油机配备的SCR系统的原理及组成结构、使用方法、日常维护保养等。
二、系统原理及组成。
图 一
图一就是SCR系统运行指示图。（此图只是运行指示图，各部分结构只是简略的标示了一下）
a是尿素储存柜。
b是尿素泵。
c是调压阀。过多的尿素会回流至尿素柜，从而使尿素泵出口保持稳定的压力。
d是流量调节阀。根据副机的负荷，调节尿素喷射量。
e是三通转换阀。在系统不需要进行催化还原反应时，将喷枪及管路里残留的尿素溶液放残至放残柜g，放残柜g有时会省略，而用尿素柜a代替，也就是说管路中残余的尿素会重新回流至尿素柜。
f是辅助空气电磁阀及管路。
h（用椭圆圈起来的地方）是喷枪。原理和锅炉的气流式喷油器类似，中心喷尿素，外圈通压缩空气。
i是吹灰管路。图上没有标出吹灰阀，此管路内部是压缩空气，系统工作时，定时打开吹灰阀，用以清洁反应器m。
m是反应器或者反应堆。此处就是催化还原反应发生的地方，内部装有催化剂。
k是转换阀。也就是两个气动阀。系统运行时，左边的阀打开进行催化还原反应。系统停止时，右侧阀打开，左侧阀关闭，此时烟气不经过反应器，而是直接通过烟囱排入大气。
左上角有三个参数，第一个参数是柴油机增压器吸气温度，也可以说是环境温度；后两个分别是空气的相对湿度和绝对湿度。右下角则是柴油机的相关参数，包括：发电机负荷、转速、扫气温度、扫气压力、燃油进机温度。
图中还有些数值，左侧的几个数值很好理解，就是辅助空气流量是420L/min,尿素喷射流量为200 ml/min、压力式0.7MPA。尿素柜里溶液的温度是10℃。右侧一竖排数值猛一看不太好理解，其实从下到上的意思分别是：排烟进反应器前NOx浓度是624ppm，温度是310℃；NOx经过催化还原反应后，减少率是80.8%；反应器后的排烟温度为315℃，NOx浓度是120ppm，NH3浓度是0.5ppm。反应器上的0.30kpa，指的是反应器前后压差。而所有这些数值都需要不同的传感器来检测，不同的公司不同的船舶，会根据具体情况来选择性安装，所以不同的船上，实际状况是有所不同的，图二是我轮SCR运行时的实拍图，大家可以参考对比下。
图 二
根据以上内容可知，此SCR工作过程为：根据发电柴油机的工况（负荷、排烟温度、扫气温度等）和机舱空气温度、湿度；尿素溶液浓度（标准浓度是40%）等，自动调节尿素流量，并在辅助空气的帮助下，通过喷枪喷入反应器进口处，在此处尿素会分解成NH3，当混有NH3的废气通过反应器时，会在反应器内部的催化剂的作用下进行催化还原反应，将NOx还原成氮气和水，然后排到大气中。
看到这，我想大家应该已经大概明白这个SCR是怎么回事了，但是有个问题值得注意，那就是：是不是副机一启动，SCR系统就可以投入使用，对柴油机排出的废气进行处理呢？Of course!当然是不可以的啦！燃料硫含量、发动机运行工况与废气温度废气温度同时受 SCR上游(为了避免还原剂的氧化) 和下游( 为防止形成副产物如硫酸铵) 的约束; 过低的废气温度会降低氨的 NOx 还原速率，氨还可能与燃料中的硫反应生成硫酸铵，堵塞催化剂，进一步退化 SCR的 NOx 还原能力。因此，燃料中的硫也是 SCR NOx 减排技术的挑战之一。当使用 0.1%含硫量的船舶馏分燃料时，SCR系统进行有效还原的最低排气温度须接近 270 ℃。比如这套SCR系统运行时必须满足的条件中包括：
①发电机负荷≧22.5%
②在副机负荷小于90%时情况下，进反应器的废气温度“Tcatin”需285℃≦Tcatin≦450℃，负荷大于等于90%时，需270℃≦Tcatin≦450℃。
③使用的燃油含硫量≦0.1%
三、各组成单元结构介绍。
图 三
SCR整个系统可以分为压缩空气处理单元、泵送单元、喷射单元、阀门转换单元、反应器及吹灰单元和控制单元等组成。其中控制单元是整个系统的大脑，由它来控制其它各单元精准的运行。控制单元内容比较多，放在第四节讲，此节先分别说一下其他各单元的组成结构。
1、压缩空气处理单元。
根据上文第二节的介绍及图一可知，SCR运行时需要大量的压缩空气，而压缩空气来源为空气瓶，并经过干燥器干燥后到达副机SCR的压缩空气处理单元，经过进一步处理供给给需要的地方。图四就是压缩空气处理单元。
图 四
压缩空气通过三通阀（Three-way valve）左侧法兰接入此单元，之后经过滤器（Filter）、气液分离器（Water separator）处理后经过止回阀（Check valve）到达分配阀块，然后分别供给给三台副机的喷射单元。各喷射单元空气管路会分出一支连接到图四中后排三个圆柱形气瓶（Buffer tank），此空气瓶的作用主要是用来稳压的，防止空气压力波动幅度过大。图五是现场设备图，上面的铜管就是连接到各个副机的喷射单元的
图五
2、泵送单元。
尿素溶液储存在储存柜，如果需要喷射进烟道（混合管），就需要增压至0.7Mpa，这就需要一台泵来提升压力，也就有了泵送单元的存在。
图 六
如图六，由储存柜过来的尿素溶液经过泵进口滤器（Strainer）进入泵吸口，经循环泵（Urea water circulation pump）增压后到达稳压罐，然后通过出口滤器（Urea water filter）到达分配阀块，和压缩空气处理单元一样分别供给三台副机的喷射单元。左上角有个压力调节阀—0.7Mpa（Back pressure regulator）,多余的液体会经过调压阀后回流到尿素储存柜。右上角有个压力传感器，当检测到压力低于0.65Mpa或高于0.85Mpa时，系统会保护性停止运行。正常压力应稳定在0.7Mpa左右（0.65Mpa-0.75Mpa）。图六中未标出泵出口安全阀，大家可以看下图七中泵的出口有红色标识的就是安全阀。
图 七
3、喷射单元。
不管是压缩空气还是经增压后的尿素溶液，都是供给到喷射单元。喷射单元受控于控制单元，根据不同的工况，调节进入喷枪中尿素及压缩空气的流量。
图 八
图八看上去有点紧凑，大家可以先看看图九，在图九中我用黄色虚线将喷射单元分为左右两部分，左侧是尿素流量调节区域，右侧是压缩空气流量调节区域。
图 九
根据图八可以看出，泵送单元送过来的0.7Mpa的尿素，先到蓄能器（Accumulator）进行稳压，然后经过滤器（Urea water filter）过滤后，0.7Mpa的液体被减压阀Urea water regulator减压至0.45Mpa（低于0.4会报警），然后经过流量调节阀Urea water control valve调节后到达流量计，最后通过三通阀送入喷枪。
图 十
4、阀门转换单元。
根据上节内容及图一中的k可知，SCR系统在工作和不工作时，两个气动阀门的开关状态是不同的。
图 十一
此阀为蝶阀，执行器为两个气动活塞，活塞外端面各有一组复位弹簧，当控制电磁阀打开时，0.5Mpa压缩空气（压力可以通过调压阀调节）进入活塞内部，推动活塞向两端移动关闭蝶阀，同时也压缩复位弹簧。当电磁阀失电关闭时，活塞内的压缩空气被释放，此时复位弹簧推动活塞复位，进而打开蝶阀。（注意不要以为通气打开，其实这阀是气关式的）
前文提到，经喷射单元调节后的尿素和压缩空气最后都被送到喷枪处，看图十一可知，喷枪位置就在气动蝶阀之后、反应器之前。连接的两根管子分别是喷射单元过来的尿素溶液和压缩空气。看图十二可知，尿素通过喷枪中间通道喷出被通过中心管外侧的压缩空气雾化后，喷入烟管，进而在高温下分解成NH3。
图 十二
5、反应器及吹灰单元。
反应器Catalytic reactor和吹灰装置Soot blower device。其中反应器内部为两层催化剂，下面为第一层，上面为第二层。催化剂上部还有止回板，用来防止烟灰落到催化剂上。止回板上部有检查人孔，反应器入口处也有个检查人孔，可以通过这两个人孔定期打开检查反应器内部状况，根据不同的积灰状态可加强空气吹灰频率或者人工清洁。同时反应器入口处也安装有吹灰装置，外侧设有吹灰阀，此阀为气动阀，SCR运行时，每30分钟打开一次，打开后会用0.75Mpa的压缩空气吹扫催化剂，防止积灰、结垢。此功能类似废气锅炉的吹灰装置。注意一点，当压缩空气压力低于0.66Mpa时，会发出报警。
对废气的催化还原反应就是在反应器内部催化剂里发生的，在这里，氨(NH3) 还原 NOx 成 N2 和水，即 NO + NO2 + 2NH3=2N2 + 3H2O 。
图 十三
四、控制单元的操作及功能介绍。
控制单元主要包括控制箱及内部电器设备；控制箱外部的操控旋钮、报警面板和触控电脑。在此先介绍触控电脑，其他内容在SCR的使用章节再做介绍。图十四就是触控电脑的主页面。
图 十四
触控电脑的具体操作说明书上是有具体介绍的，但因为全英文，而且分散在各章节内，想短时间掌握有难度，特别是英文不好的朋友，阅读起来有些困难。在此我介绍下作为主管轮机员日常需要掌握的基本功能，其他的细节大家可以日后仔细研读说明书。
1、点开左上角“SYSTEM”，就可以看到右侧是系统各设备当前状态一览图，左侧是三台副机的SCR的控制模式，包括自动模式、半自动模式、手动模式和保养模式。日常使用时放在自动模式即可。如图十五。在点击自动模式以外的其他模式时，会弹出一个很吓人的“WARNING!”窗口，点击中间的“OK”即可，它只是一个提示窗口而已，虽然长得吓人。
图 十五
2、在日常运行时，点击主页面的“MONITOR”，会显示如图十六的样子，此时可以观察三台副机的SCR运行状态，此图目前显示的是NO.3 GE 正在运行，SCR系统未运行，排烟走的旁通，没有通过反应器。
图 十六
在此窗口最下面一排右侧分别显示着三个按键—NO.1/NO.2/NO.3，点击想要查看的副机，就可以进一步查看这台副机的SCR运行状况。图十七就是三号副机在运行SCR时的状态图。内容介绍可看前文第二节。需要强调的是，SCR运行时，辅助空气（Assist Air）流量是需要我们手动调节的，第一次调节好后一般是不需要重复调节的，调节方式看前文的喷射单元介绍。而尿素的流量是系统根据当前工况自动调节的，我们只需检查是否正常即可，不需要手动调节。
图 十七
3、点击“INJECTION”，会进入喷射单元监控画面。显示喷射单元泵、阀的状态和液体、气体的流量大小。大家应该注意到了界面下部的“VALVES”和“U-PUMP”两个控制框。图十八显示的是自动状态，此时阀和泵是不可以手动调节的，当将三号副机的系统运行模式转换至手动时“Manu”时（参考本节第1小节SYSTEM里的介绍），则可以在此界面手动控制尿素泵和阀门的开关。需要注意的是，虽然控制框中的英文是“VALVES”带个“S”,其实只是指Air Bypass valve这一个阀,就是前文喷射单元里提到的尾扫气电磁阀，在那里叫Assist-air solenoid valve（for purging）在这里却改名字了，估计做软件和硬件的不是同一个人。在系统不工作时，可以通过手动模式下打开此阀，检查尾扫气阶段的气体流量是否达标，如果不达标则需要调节至540L/min。
图 十八
4、点击“UREA FLOW”,进入尿素流量控制界面，顾名思义，就是尿素的流量调节界面，系统运行时显示尿素喷射流量，并且可以在手动模式下，手动调节尿素喷射量，前文提到了，在自动模式下，尿素的喷射量是根据柴油机及其他各项参数自动调节的，所以，非必要不要手动调节，当然在一些特殊情况可以调节，比如喷射系统经过检修，拆检了喷枪或者相关管路，想检查安装质量时，可以手动调节流量的大小。由于界面比较简单，在此就不配图了。
5、点击“SOOT BLOW”,在此界面可以查看反应器的吹灰状态，系统运行时，每30分钟吹灰一次。如图十九，自动模式下会显示到下次开始吹灰的剩余时间。下面的控制框是在系统手动模式下可以手动进行吹灰。主管轮机员可以通过对反应器的检查，根据积灰状态，人工增加吹灰次数，为了防止系统在不运行时有废气漏进反应器，每周我会通过此界面手动吹灰一次。
图 十九
6、点击“BYPASS”，进入阀门转换单元的控制面板。此页面日常极少打开，如果想人工检查气动蝶阀，可以把对应的副机系统控制模式转换至半自动或者手动模式，然后在此页面下部右侧控制框内手动开启或者关闭相应阀门。该气动阀还可以通过在阀门旁边手动按压电磁阀上面的开启按钮，打开蝶阀。
图 二十
7、点击“INTAKE BLEED”，就可以进入扫气释放控制界面。这个功能很有意思，原理和结构不复杂，但是对不带SCR系统的机子来说是个新东西。图二十二中用黄线标出的就是增压空气释放阀和管路。顾明思议，此阀打开就是用来释放增压空气的。当增压空气被释放，扫气压力降低，副机排温就会上升，其目的就在于此——提高副机排烟温度！可以通过此界面手动打开此阀，以方便对此阀进行功能性检查。
大家可能有疑问了，这个阀什么时候会自动打开？下文我会介绍到，在SCR进行“MAINTENANCE OPERATION”也就是保养模式时，此阀会自动打开。
图 二十一
图 二十二
8、点击“PARAMETER”，进入技术参数界面（图二十三）。
图 二十三
最右侧竖排三个分别是：
PROGRAM RESTORE:重新加载程序
DATA LOGGING:SCR运行日志下载
RS485 TEST/SETTING:RS485通道的调试与设定
以上三个日常是不需要动的，在此就不做过多介绍。
其它的包括：
USER INPUT:使用者在此界面可以选择使用的燃油是MGO还是MDO，默认用的是MGO,如果用的是重柴油，可以选择MDO。还有就是填写使用的尿素浓度是多少，默认值是40%。
UREA CONSUMPITION:在此界面可以查看尿素的消耗量，包括三台副机分别消耗和总消耗。
MAINTENANCE OPERATION:保养模式。（后文介绍）
PARAMETER CHECK：此项包括ID CHECK、UREA FLOW CHECK、SPOT CHECK。听起来很懵逼，其实就是分别对系统运行时各设定条件的核验、尿素实际喷射流量的核验、NOx的处理能力的核验。由专业检验机构定期进行。在船厂时问过厂家工程师，应该是两年核验一次，这些参数船上人员是无法修改的，PSC检查时也会检查相关内容是否满足IMO Tier Ⅲ 阶段的要求。
五、SCR的使用、维护和管理
1、使用前检查。
检查各阀保持处于正常状态。系统有两处需要手动放残，一个是压缩空气处理单元的滤器、气液分离器；还有就是三台机子六个气动蝶阀控制空气进口处的气液分离器。这两处在使用SCR前需要逐一放残，运行中每日检查、放残。尿素泵如果长时间未用，可以手动盘车两圈，防止卡阻。
辅助空气流量调节至210L/min，此空气不管SCR是否运行都应保持开启并维持在210L/min左右，因为这路空气在SCR运行时用来雾化喷枪里的尿素，非运行状态用来冷却喷枪，防止喷枪因高温损坏。因此，非特殊情况，SCR系统不可断电。一旦断电，各控制电磁阀就会失电，气路就会断开，一方面喷枪会缺乏冷却而容易受损，还有就是反应器进口处的气动蝶阀在SCR不使用时是保持关闭的，防止废气进入反应器，一旦系统断电，六个气动阀会全部保持开启，这时不管柴油机什么状态、使用的什么油，都会有废气进入反应器，吹灰装置也不会开启，所以很容易导致催化剂失效。切记！在各方面检查无误后，可以到控制面板上开启SCR系统。
2、启、停SCR系统。
在控制面板上先将泵的控制旋钮转至自动位（AUTO），将SCR的控制方式转至LOCAL位置，启动旋钮转至ON位置，系统就会自动投入使用。如果想在集控室启停系统，可以将控制模式转至“REMOTE”位置，然后在集控室的监控面板上将启动旋钮转至ON位置！
在以上操作完毕后，系统要检测以下7个条件都合适时才会真的投入使用。
①柴油机使用的是MDO或者MGO。
②气动阀门开关位置正确。
③尿素泵正常运行，且出口压力在0.65Mpa-0.75Mpa之间，不低于0.65Mpa，不高于0.85Mpa；标准值为0.7Mpa。
④辅助空气正常，流量210L/min左右，压力不低于0.4Mpa正常值一般 0.75Mpa左右，可以在空气阀站处进行调节。此阀站在SCR专用空气瓶出口处，经过减压干燥后的空气分别供给主、副机各自的SCR系统，副机的这一路进入到上文说的压缩空气处理单元。
⑤副机负荷≧22.5%。
⑥系统无Shutdown报警。
⑦反应器进口温度Tcatin及出口温度Tcatout应满足
副机负荷<90%时：285℃≦Tcatin≦450℃
265℃≦Tcatout≦500℃
副机负荷≧90%时：270℃≦Tcatin≦450℃
250℃≦Tcatout≦500℃
当以上条件都满足时，系统将会投入运行。在运行中出现任一项不满足时，系统会自动停止运行，并进行尾扫气阶段，持续5分钟。当系统检测以上条件时又都重新满足时，会自动重新投入运行。比如副机负荷在≧22.5%上下波动时，就会出现这种情况。此时副机排温也较低，且燃烧相对来说质量较差，建议手动停掉SCR系统，以保护反应器，延长使用寿命。想停止SCR系统，只需将控制面板上的启动控制旋钮转至“OFF”位置即可。
3、MAINTENANCE OPERATION:保养模式。
此模式是通过将副机使用燃油转至轻油，负荷调节至50%左右，打开增压空气释放阀，即“INTAKE AIR BLEED”，使柴油机排温达到非常高，并保持4小时以上，在此过程中，积存在催化剂上的积碳和烟灰会被吹除。图二十四 就是我在使用此模式清洁NO.1副机催化剂时拍下的。
图 二十四
使用方法也很简单，首先系统不能有报警，并处于停止状态，也就是控制面板上的启动控制旋钮在“OFF”位置。在主页面点击“PARAMETER”进入后，找到“MAINTENANCE OPERATION”点击进去，此时界面就是图二十四，但是这时STATUS状态显示都是灰色的。如想保养N0.1副机的催化剂，只需点击第一排对应副机的ON/OFF中的ON即可。系统将自动运行，如图所示对应副机的两个状态显示由NO ACTIVE变为ACTIVE、IAB CLOSE变为IAB OPEN，且当副机排温达到要求值时，则系统正式进入保养模式运行并开始倒计时，当此状态保持4小时后，自动退出保养模式恢复正常运行模式，在此过程中，如果排温降低至低于设定值，保养模式会自动中断，并在排温恢复后自动继续，如果副机排烟温度不能满足8小时内有总共4小时的高排温，8小时后保养模式也会自动终止，并恢复至正常运行模式。
由此可见，此模式使用的难点在于，保养模式运行时，副机负荷需要保持在50%左右的负载状态下以提供高排温（本机约为325KW负荷），这就需要主管人员根据船舶状态采取些措施以保持副机相对稳定的负荷。我的经验是趁着压排水时进行此操作，此时压载泵及压载水处理系统运行，负荷稳定且较高。
4、维护和管理。
①尿素系统有2个滤器，一个粗滤器在尿素泵的进口，另一个40目的在喷射单元减压阀前。如果系统压力偏低或者波动过大时，可以选择清洁两处滤器，安装时别忘驱气。安装后先别旋紧，打开前后阀门，让滤器中的气体全部排空后有成股的液体流出后再旋紧。更换尿素系统的相关电磁阀件时也一样，驱气是很重要的一个步骤。在系统不同的部位也设有相关的放气考克，以便于排空系统中的空气。
②系统有两处需要手动放残，一个是压缩空气处理单元的滤器、气液分离器；还有就是三台机子六个气动蝶阀控制空气进口处的气液分离器。这两处在使用SCR前需要逐一放残，运行中每日检查、放残。如果空气系统中含水量超标，很容易导致电磁阀、气动活塞卡滞。
③尿素溶液储存时，资料显示，如果温度接近40℃时，储存时间可能不足10个月，30℃时储存温度可达57.5个月。而50℃时，变质时间则仅为2.5个月。所以如果长期不使用SCR系统，也不消耗尿素，储存柜内溶液的温度要控制好，温度高时及时开启储存柜冷却系统，防止溶液温度过高过早变质。
④电器控制箱内有三个设备需要准备备用电池。分别为PLC、Touch panel 、Annunciator。一般三年应更换内部电池，也可以等电池故障报警时更换，但是船上应及时申请备用电池，以便需要时及时更换。
⑤反应器及催化剂的检查保养。
除本节第3点介绍的MAINTENANCE OPERATION外，长时间不使用SCR系统，应隔段时间应在手动控制吹灰阀吹灰，以减少催化剂的积灰，延长拆检时间和使用寿命。我目前是每周手动吹灰一次。如果反应器进出口压差过高，EY18机型压差超过1.85Kpa,则应打开反应器上部检查导门，对止回板进行清洁，船级社规定压差最高不应超过2.60Kpa。即使压差不超标，每两年仍应打开反应器上下导门进行内部检查、清洁。如有必要应将催化剂抽出进行清洁（可用压缩空气或者蒸汽清除积灰），比如清洁过止回板后，压差仍然居高不下时。
催化剂单元位于 SCR 反应器内的钢架包中，砖形催化剂单元具有蜂窝状结构，以增加催化反应表面积。商用 SCR 催化剂最常见的是以二氧化钛(TiO2) 为支撑的五氧化二钒(V2O5) ，并含有三氧化钨(WO3) 作为助催剂。由于钒基SCR催化剂在典型的发动机排气温度窗口内具有高活性和对硫的耐受性，所以被大量用于船舶。影响催化剂性能的主要因素是排气温度低、燃料含硫量高和低负荷运行,使得 SCR 催化剂性能不可避免地随时间退化。催化剂性能的退化不仅影响 NOx 减排效率，也影响催化剂的使用寿命和更换的周期，从而影响 SCR 的成本。安装于使用典型船舶燃料船只的催化剂单元的预期催化剂寿命一般为:满足 3～6 年或 12 000～24 000 运行小时。解决催化剂退化的方法包括：仅在 ECAs内采用 SCR；使用低硫燃料; 将还原剂扩散技术引入到催化剂；加热催化剂数小时，在预定的低排气温度下关闭系统等。堵塞催化剂毛孔的沉积物如硫酸盐可以通过高温蒸汽去除，其他如硫酸钙和烟尘可以在一定条件下，通过压缩空气的烟尘吹扫(soot blowing)措施减轻。
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