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摘 要：针对国际海事组织（IMO）对于船舶柴油机氮氧化物（NOx）的排放要求，以保護人类的生存环境。为了减少船上柴油机NOx排放，安装选择性催化还原系统，现就选择性催化还原系统（SCR）设计、制造、布置、安装难度较大，系统复杂且造价高的特点，以金陵某重吊船为例，介绍SCR装置组成与工作原理，分析SCR装置设计要点。经过实际运行，该船大大降低了NOx的排放量，对后续船舶建造中增加SCR装置具有很好的引领作用。
关键词：SCR装置;船用柴油机
中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-022-03
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.009
国际海事组织（IMO）第66届会议以MEPC.251（66）决议通过MARPOL附则VI和2008 NOx技术规则修正案，并于2015年9月1日起生效实施。确定了Tier III船舶柴油机氮氧化物（NOx）排放实施时间节点。
NOx排放要求适用于：
2016年1月1日或以后建造，并且航行于北美排放控制区内或美国加勒比海排放控制区内的船舶，其上安装的船用柴油机。
在除北美或美国加勒比海排放控制区外的氮氧化物（NOx）排放控制区，氮氧化物（NOx）排放实施时间节点及以后建造的船舶，并且航行于氮氧化物（NOx）排放控制区内的船上安装的船用柴油机[1]。
1 节能、环保、高效成为柴油机动力创新方向
IMO特别对其废气的排放标准作出严格规定，并满足国际防止空气污染要求，取得氮氧化物NOx排放有关的柴油机国际防止空气污染证书——EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention）证书[1]。
英国劳氏船级社（LR）按国际海事组织（IMO）的最新要求，对柴油机氮氧化物（NOx）的排放量要求如下：
当柴油机轴旋转速度n<130转/分时，氮氧化物（NOx）排放量≤17.0g/kWh;
当柴油机轴旋转速度130≤n<2000转/分时，氮氧化物（NOx）排放量≤45n-2g/kWh;
当柴油机轴旋转速度n≥2000转/分时，氮氧化物（NOx）排放量≤9.8g/kWh。
有些国家建议实施比IMO更高的废气排放标准，如欧洲国家瑞典SMA规定氮氧化物（NOx）的排放量小于等于2g/kWh[2]。
目前，可以达到Tier III废气控制排放量限制要求，并具有消音降噪的技术有：
选择性催化还原SCR（Selective Catalytic Reduction）技术、废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）技术及替代燃料，低压喷射LNG发动机。
SCR技术由于使用范围逐渐扩大，对柴油机性能改变比较少，获得了造船界的普遍重视。
文章以某重吊船为例，对机舱SCR系统及设计要点进行说明。
2 主要尺度
此重吊多用途船主尺度：总长138m，型宽23.6m，型深12.8m，设计吃水7.5m，顶甲板高度12.8m。
3 SCR装置组成与工作原理
3.1 氮氧化物（NOx）还原系统和检验控制系统组成
其主要设备有尿素舱、SCR尿素泵单元、SCR尿素控制计量单元、喷射空气分配单元、尿素喷射单元、SCR氮氧化物还原设备、检验和分析设备，控制空气瓶、日用空气瓶、气动阀等，如图1所示。
主要的技术参数如表1所示。
3.2 工作原理及控制流程
如图2所示，当主机启动，信号①指令输出至SCR控制中心，SCR控制中心收到信号②;当排气管连接的温度探头传感器检测排气管中的温度达到大于等于220度时，反馈至SCR控制中心;然后SCR控制中心发出信号③启动指令，尿素舱中的尿素溶液通过SCR尿素泵单元输送（当压力过高，SCR尿素泵单元中的尿素通过压力控制单元安全阀释放，进入尿素舱），送入SCR尿素控制计量单元，计量单元中的尿素量和排气中的氮氧化物（NOx）反应的量相匹配;当SCR尿素控制计量单元收到SCR控制中心④启动指令，SCR尿素控制计量单元按催化反应需要的量，注入到尿素喷射单元;通过喷射空气分配单元把尿素和压缩空气混合，并喷进排气管，与排气管中的烟气在SCR反应混合管中充分混合，把排气中的氮氧化物（NOx）还原为氮气（N2）和水。化学反应如下：
CO（NH2）2+H2O→NH3+CO2+H2O
尿素在排气管中分解为氨气、水、二氧化碳。
4NH3+2NO2+O2→3N2↑+6H2O 4NH3+4NO+O2→4N2↑+6H2O
氨气在高温大于300度的环境下，其与一氧化氮和二氧化氮通过催化剂的催化，变为氮气和水。
通过SCR反应器的排气取样，对排气中的NOx氮氧化物进行检测。如果达到排放控制区标准，按既定量喷射尿素;如果超标，适当加大尿素的喷射量。
4 排气SCR系统设计与安装
SCR系统中，排气管系的管子、阀和附件所用的材料，应满足排气管最高需用工作压力并耐高温和腐蚀。
介质和管路承担的用途相匹配。对用于腐蚀性比较强的排气管子材料，应根据实际情况进行设计考虑。
与还原剂尿素或氨气（或还原剂尿素、氨气与排气混合物）接触的排气管路、阀件、附件以及SCR反应装置，应选用合适的防腐材料制造[3]。
一般情况下，船上各个柴油机的排气管应相互独立，柴油机出口排气管连接SCR反应装置和消音设备后直接排大气。如设计者充分考虑了潜在风险并得到船东认可，并满足下述情况，经对应船级社特殊考虑，允许多个柴油机的排气管连接至同一SCR反应装置进行废气处理： 采取有效隔离装置或阀件，防止废气倒流至停止工作或正在工作的柴油机;
应采取有效措施，防止隔离装置处于关闭状态时启动被隔离的发动机;
隔离装置应工作可靠，任何情况下发生故障，应保证柴油机能安全运行;
各连接柴油机均能满足适用的法定要求。
各种运行工况下，排气背压始终不超过每个所连接柴油机制造厂规定的背压限制。如设置引风机来保持背压，对SCR反应装置连续运行重要的泵（如还原剂泵）、风机，应冗余配置。当其中任一泵、风机停止工作时，其他泵、风机的排量仍能确保SCR反应装置在最大负荷条件下运行[1]。
4.1 安装要求
为了保证尿素溶液在进入SCR反应器前充分分解成氨气，为了保证温度，提高氨气和一氧化氮和二氧化氮的转化率，SCR反应器需靠近柴油机安装。
SCR系统的设计和布置方式为了保证SCR系统在设备失效、损坏、堵塞等非正常情况下或正常停止工作时，发动机仍能正常运转，如设置旁通或其他等效措施。
组成SCR系统的尿素舱、SCR尿素泵单元、SCR尿素控制计量单元、喷射空气分配单元、尿素喷射单元、SCR氮氧还原装置、控制中心和分析仪，控制空气瓶，日用空气瓶，气动阀等遵循规范中规定的环境条件/工作环境进行设计、选型、布置。符合船舶运行倾斜角度，以保证SCR装置能正常运转。考虑到不同的船舶类型、尺寸和营运路线情况，可采用较小的倾斜角。
在有可能积聚可燃、有毒有害气体、蒸汽的地方，布置抽风管，以保证布置主机，发电机，锅炉等在天气恶劣的情况下，可以正常的功率运行，并保证人员到达的处所安全。
在SCR相关设备周围适当设置防护措施，当机械设备运转时，可能对船员构成危险的地方，应设置防护罩防喷溅或栏杆等设施。为避免SCR相关设备和系统在操作及转换中出现错误，应在显要位置布置操作铭牌和警示铭牌[1]。
除了冷却淡水和滑油等系统外，SCR相关设备和管路表面超过60度，都应按制造厂标准包扎绝热材料、玻璃纤维布或镀锌钢板等，对有可能引发火险的地方包扎放喷溅胶带。防止对SCR相关设备操作和维护时，对船员造成伤害[4]。
SCR系统的安装、布置应便于操作和维护。
4.2 NOx氮氧化物检测
NOx氮氧化物检测口，在排气管上开支管20#鋼管42x3.5 GB/T8163-2008，如图3所示。
支管上连接①NOx检测法兰，检测时拆卸②盲板法兰，检测后用②盲板法兰封住[4]。
4.3 应用实例与效果评析
主机和发电机排气系统安装SCR装置前后检测数据对比，如表2所示。
5 结语
SCR技术理论与实践较为成熟，已得到各柴油机制造商和船东认可，在排放控制区（ECA）内航线的船舶，若安装SCR装置，船舶所产生的废气将满足Tier III3的排放要求。
参考文献
[1] GUIDANCE NOTES GD20-2016，选择性催化还原（SCR）系统船上应用指南[S].中国：中国船级社，2016.
[2] 中国船级社.钢质海船入级规范[M].北京：人民交通出版社，2015.
[3] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会编著.船舶设计实用手册 轮机分册[M].第3版.北京：国防工业出版社，2013.
[4] 南京金陵船厂有限公司技术中心设计标准.管系标准手册[R].南京：南京金陵船厂，2018.
关键词：SCR装置;船用柴油机
中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-022-03
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.009
国际海事组织（IMO）第66届会议以MEPC.251（66）决议通过MARPOL附则VI和2008 NOx技术规则修正案，并于2015年9月1日起生效实施。确定了Tier III船舶柴油机氮氧化物（NOx）排放实施时间节点。
NOx排放要求适用于：
2016年1月1日或以后建造，并且航行于北美排放控制区内或美国加勒比海排放控制区内的船舶，其上安装的船用柴油机。
在除北美或美国加勒比海排放控制区外的氮氧化物（NOx）排放控制区，氮氧化物（NOx）排放实施时间节点及以后建造的船舶，并且航行于氮氧化物（NOx）排放控制区内的船上安装的船用柴油机[1]。
1 节能、环保、高效成为柴油机动力创新方向
IMO特别对其废气的排放标准作出严格规定，并满足国际防止空气污染要求，取得氮氧化物NOx排放有关的柴油机国际防止空气污染证书——EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention）证书[1]。
英国劳氏船级社（LR）按国际海事组织（IMO）的最新要求，对柴油机氮氧化物（NOx）的排放量要求如下：
当柴油机轴旋转速度n<130转/分时，氮氧化物（NOx）排放量≤17.0g/kWh;
当柴油机轴旋转速度130≤n<2000转/分时，氮氧化物（NOx）排放量≤45n-2g/kWh;
当柴油机轴旋转速度n≥2000转/分时，氮氧化物（NOx）排放量≤9.8g/kWh。
有些国家建议实施比IMO更高的废气排放标准，如欧洲国家瑞典SMA规定氮氧化物（NOx）的排放量小于等于2g/kWh[2]。
目前，可以达到Tier III废气控制排放量限制要求，并具有消音降噪的技术有：
选择性催化还原SCR（Selective Catalytic Reduction）技术、废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）技术及替代燃料，低压喷射LNG发动机。
SCR技术由于使用范围逐渐扩大，对柴油机性能改变比较少，获得了造船界的普遍重视。
文章以某重吊船为例，对机舱SCR系统及设计要点进行说明。
2 主要尺度
此重吊多用途船主尺度：总长138m，型宽23.6m，型深12.8m，设计吃水7.5m，顶甲板高度12.8m。
3 SCR装置组成与工作原理
3.1 氮氧化物（NOx）还原系统和检验控制系统组成
其主要设备有尿素舱、SCR尿素泵单元、SCR尿素控制计量单元、喷射空气分配单元、尿素喷射单元、SCR氮氧化物还原设备、检验和分析设备，控制空气瓶、日用空气瓶、气动阀等，如图1所示。
主要的技术参数如表1所示。
3.2 工作原理及控制流程
如图2所示，当主机启动，信号①指令输出至SCR控制中心，SCR控制中心收到信号②;当排气管连接的温度探头传感器检测排气管中的温度达到大于等于220度时，反馈至SCR控制中心;然后SCR控制中心发出信号③启动指令，尿素舱中的尿素溶液通过SCR尿素泵单元输送（当压力过高，SCR尿素泵单元中的尿素通过压力控制单元安全阀释放，进入尿素舱），送入SCR尿素控制计量单元，计量单元中的尿素量和排气中的氮氧化物（NOx）反应的量相匹配;当SCR尿素控制计量单元收到SCR控制中心④启动指令，SCR尿素控制计量单元按催化反应需要的量，注入到尿素喷射单元;通过喷射空气分配单元把尿素和压缩空气混合，并喷进排气管，与排气管中的烟气在SCR反应混合管中充分混合，把排气中的氮氧化物（NOx）还原为氮气（N2）和水。化学反应如下：
CO（NH2）2+H2O→NH3+CO2+H2O
尿素在排气管中分解为氨气、水、二氧化碳。
4NH3+2NO2+O2→3N2↑+6H2O 4NH3+4NO+O2→4N2↑+6H2O
氨气在高温大于300度的环境下，其与一氧化氮和二氧化氮通过催化剂的催化，变为氮气和水。
通过SCR反应器的排气取样，对排气中的NOx氮氧化物进行检测。如果达到排放控制区标准，按既定量喷射尿素;如果超标，适当加大尿素的喷射量。
4 排气SCR系统设计与安装
SCR系统中，排气管系的管子、阀和附件所用的材料，应满足排气管最高需用工作压力并耐高温和腐蚀。
介质和管路承担的用途相匹配。对用于腐蚀性比较强的排气管子材料，应根据实际情况进行设计考虑。
与还原剂尿素或氨气（或还原剂尿素、氨气与排气混合物）接触的排气管路、阀件、附件以及SCR反应装置，应选用合适的防腐材料制造[3]。
一般情况下，船上各个柴油机的排气管应相互独立，柴油机出口排气管连接SCR反应装置和消音设备后直接排大气。如设计者充分考虑了潜在风险并得到船东认可，并满足下述情况，经对应船级社特殊考虑，允许多个柴油机的排气管连接至同一SCR反应装置进行废气处理： 采取有效隔离装置或阀件，防止废气倒流至停止工作或正在工作的柴油机;
应采取有效措施，防止隔离装置处于关闭状态时启动被隔离的发动机;
隔离装置应工作可靠，任何情况下发生故障，应保证柴油机能安全运行;
各连接柴油机均能满足适用的法定要求。
各种运行工况下，排气背压始终不超过每个所连接柴油机制造厂规定的背压限制。如设置引风机来保持背压，对SCR反应装置连续运行重要的泵（如还原剂泵）、风机，应冗余配置。当其中任一泵、风机停止工作时，其他泵、风机的排量仍能确保SCR反应装置在最大负荷条件下运行[1]。
4.1 安装要求
为了保证尿素溶液在进入SCR反应器前充分分解成氨气，为了保证温度，提高氨气和一氧化氮和二氧化氮的转化率，SCR反应器需靠近柴油机安装。
SCR系统的设计和布置方式为了保证SCR系统在设备失效、损坏、堵塞等非正常情况下或正常停止工作时，发动机仍能正常运转，如设置旁通或其他等效措施。
组成SCR系统的尿素舱、SCR尿素泵单元、SCR尿素控制计量单元、喷射空气分配单元、尿素喷射单元、SCR氮氧还原装置、控制中心和分析仪，控制空气瓶，日用空气瓶，气动阀等遵循规范中规定的环境条件/工作环境进行设计、选型、布置。符合船舶运行倾斜角度，以保证SCR装置能正常运转。考虑到不同的船舶类型、尺寸和营运路线情况，可采用较小的倾斜角。
在有可能积聚可燃、有毒有害气体、蒸汽的地方，布置抽风管，以保证布置主机，发电机，锅炉等在天气恶劣的情况下，可以正常的功率运行，并保证人员到达的处所安全。
在SCR相关设备周围适当设置防护措施，当机械设备运转时，可能对船员构成危险的地方，应设置防护罩防喷溅或栏杆等设施。为避免SCR相关设备和系统在操作及转换中出现错误，应在显要位置布置操作铭牌和警示铭牌[1]。
除了冷却淡水和滑油等系统外，SCR相关设备和管路表面超过60度，都应按制造厂标准包扎绝热材料、玻璃纤维布或镀锌钢板等，对有可能引发火险的地方包扎放喷溅胶带。防止对SCR相关设备操作和维护时，对船员造成伤害[4]。
SCR系统的安装、布置应便于操作和维护。
4.2 NOx氮氧化物检测
NOx氮氧化物检测口，在排气管上开支管20#鋼管42x3.5 GB/T8163-2008，如图3所示。
支管上连接①NOx检测法兰，检测时拆卸②盲板法兰，检测后用②盲板法兰封住[4]。
4.3 应用实例与效果评析
主机和发电机排气系统安装SCR装置前后检测数据对比，如表2所示。
5 结语
SCR技术理论与实践较为成熟，已得到各柴油机制造商和船东认可，在排放控制区（ECA）内航线的船舶，若安装SCR装置，船舶所产生的废气将满足Tier III3的排放要求。
参考文献
[1] GUIDANCE NOTES GD20-2016，选择性催化还原（SCR）系统船上应用指南[S].中国：中国船级社，2016.
[2] 中国船级社.钢质海船入级规范[M].北京：人民交通出版社，2015.
[3] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会编著.船舶设计实用手册 轮机分册[M].第3版.北京：国防工业出版社，2013.
[4] 南京金陵船厂有限公司技术中心设计标准.管系标准手册[R].南京：南京金陵船厂，2018.