船舶柴油机SCR系统

2023-06-13 11:45:12

一、前言随着全球防止大气污染控制措施的不断升级，在硫分控制的基础上，对氮氧化物(NOx)的控制也越来越趋于严格，目前全球已有北美、

一、前言

随着全球防止大气污染控制措施的不断升级，在硫分控制的基础上，对氮氧化物(NOx)的控制也越来越趋于严格，目前全球已有北美、加勒比海、波罗的海和北海四个氮氧化物(NOx)控制区，对船舶管理方面也提出了更高的要求，在现有的柴油机技术下，仅依靠机前和机内的措施很难大幅度降低 NOx 的排放，于是尾气后处理装置 SCR(Selective Catalytic Reduction)---选择性催化还原技术开始进入工业领域并逐步延伸应用到了船舶柴油机上。在不改变柴油机内部结构，不增加燃油消耗，适应极低 NOx 排放要求的前提下，为柴油机配置合适的尾气后处理装置 SCR 是当前最好的选择。国内在 SCR 系统研究开发和应用上还处于初始阶段，对船舶管理来说属于新设备和新技术的应用。由于副机 SCR 配置和操作相对简单，其仅由 SCR 系统本身控制。本文以国内某研究所设计研发配置于62000DWT 系列纸浆船，主机型号：5G60ME-C9.5 功率 8304KW 的主机 LP-SCR 装置(型号：SD077B)为例，介绍本装置的反应原理，结构组成，操作方法与管理维护等方面的问题。希望借此和更多的人共同学习和探讨。

二、工作原理

SCR 的工作原理是在催化剂的作用下，以还原剂有选择性地与船舶柴油机排放中的 NOx 反应并生成无毒、无污染的氮气和水。使用的还原剂是浓度为 40% 的尿素水溶液（NH3）。SCR 系统中主要的化学反应机理如下方程式所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O(1)

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O(2)

柴油机废气中NO 含量通常占氮氧化物总量的 85%-95%，经过化学方程式(1)和(2)的反应，绝大多数的 NOX 能够被转化为没有污染的氮气和水，达到脱硝减排的目的。

三、结构组成

主机 SCR 系统由气动蝶阀、混合管路、喷枪组件、反应器、供给喷射单元、人机界面控制单元、尿素溶液日用罐和传感器，温度管理单元，受控于主机 MOP 的 SCRCU 等组成。其中喷枪组件由尿素喷嘴及管路，空气清洗管路，雾化空气管路组合在一起搭配三个相应的电磁阀控制。供给喷射单元包含两台互为备用的离心喷射泵，用于控制流量的比例阀以及流量计组成。

为了更直观的介绍主机SCR 装置的构成，在此把它按系统划分为：空气系统，尿素系统，废气加热系统以及控制系统。见图-1.

1. 空气系统：由 SCR 空压机和 SCR 气瓶提供 0.7Mpa 压缩空气，分别供给反

应器前后的吹灰器，气动蝶阀开关转换，减压至 0.40Mpa 后送至喷射组件，一路气用来喷射尿素前和喷射后的清洗，一路气用来在尿素喷射过程中持续的雾化。

2. 尿素系统：由尿素驳运泵从尿素储存舱驳运尿素溶液至尿素日用罐，离心喷射泵建立约 0.45Mpa 的压力后经出口比例阀调节合适的流量后送至喷枪，经空气雾化在混合管路和柴油机废气充分混合热解水解后进入反应器，催化剂安装

在反应器内部，在催化剂的作用下，混合后的尿素和废气中的 NOx 在反应器中快速分解为氮气和水，排放大气。

3. 废气辅助加热系统：在柴油机负荷较高时，仅依靠柴油机本身的废气热量基本可以维持反应器前后温度均在反应温度范围之内，但在主机负荷降低以及SCR 系统开启使用初始阶段，需要从两方面来补充废气热量达到反应温度。其一，通过安装在排气总管上的烟气旁通阀 EGB 来旁通部分烟气，即减少进入主机透平增压器的废气量来达到提高透平后的废气温度。EGB 烟气旁通阀由主机 MOP 根据负荷和透平后温度来自动调节。其二，通过温度管理单元(俗称小锅炉)点火燃烧产生废气热量混入废气总管来提升废气温度。温度管理单元的启停由 SCRCU 根据反应器后温度 T-scr out 210℃启，245℃停。

4. 控制系统：SCR 控制单元以独立的双 CAN 总线组成现场总线网络，通过各种传感器对 SCR 系统中的参数(压差、温度、NOX 浓度等)进行测量，并把信号

传输反馈到控制单元，将控制、监测、报警等各功能模块联系起来，具有给料监控、人机交互、报警和应答功能等功能。但主机 SCR 控制系统在自动运行时还受主机MOP 以及集控室EMISSION REDUCTION CONTROL SYSTEM 控制.主机MOP向 SCRCU 输出主机的工况信号，主机 SCR-CU 根据 Nox 浓度向 SCR 装置发出喷射量给定值，SCR 装置根据给定值调节比例阀开度。使反应器后及排入大气 Nox 浓度达到排放要求。

四、各种模式下的操作方法

主机 SCR 系统运行的条件：①燃油为≤0.1%的含硫量（在主机 MOP 电脑上设置）。②主机功率≥25%。（集控室主机 Mop 电脑显示）。

主机 SCR 系统烟道气动蝶阀开始切换条件：主机透平后温度≥205℃

主机 SCR 系统开始喷射尿素条件：主机透平后温度、反应器前，反应器后温度都要≥225℃。

主机 SCR 系统有三种启动方式：机旁自动启动、遥控启动、机旁手动启动。

1. 机旁自动启动：

①温度控制单元的旋钮转到自动位（所有油阀空气阀都处在打开位置）；主机在低速运转且功率≥25%时，排气温度较低的情况下，温度控制单元会自动启动

（SCR 反应器后温度≤210℃点火开启，SCR 反应器后温度≥245℃停止加热），保持烟道有足够的温度。②集控室的主机 SCR 监控器上把 SCR MODE 选择AUTO；主机 MOP 电脑上从 T-II 模式转换为 T-III 模式。

③机旁主机 SCR 控制面板的开关转到机旁、自动模式，供气单元的手动阀都处于开启位置，页面报警需要消除；按下系统自动启动按钮。

当三个排烟温度达到 225℃后，DOSING SYSTEN 开始动作，压缩空气给定阀开启，喷射阀打开，60s 后清洗阀打开，同时尿素离心泵启动。180S 后，尿素喷射功能运行，系统根据主机负荷按设定数据自动调整尿素喷射量。

2. 遥控启动：

①温度控制单元的旋钮打到自动位（所有油阀空气阀都处在打开位置），②机旁主机 SCR 控制面板的开关转到遥控、自动模式，在集控室按下启动按钮，系统自动投入运行。

3. 机旁手动启动：

在主机 MOP 或者 SCRCU 对 SCR 系统的控制失效时，可通过 SCR 系统自身的人机交互界面来手动控制操作。

①将控制单元上两个旋钮转换到机旁，手动位置，把所需要的油阀及空气阀门全打开到备用状态,选择一台尿素离心泵为主泵，在选择的那台尿素离心泵为主泵前小框打“√”；如果选择另外一台为主泵，取消小框里面的“√”。

②打开“SCR 前阀门”→关闭“旁通阀”→打开“给定阀” →打开“清洗阀”→打开“喷射阀”

③五分钟后，启动“1 号尿素输送泵”（弹出页面按下启动）

④当输送泵后压力＞4bar 时，关闭“清洗电磁阀”，打开“尿素出口阀”，流量计设定值前小框打“√”，系统开始运行后根据主机实际工况手动设定流量计设定值。或者通过调节比例阀开度来实现尿素喷射量的控制。

⑤根据主机工况和 SCR 系统温度来手动启停温度控制单元点火。五、管理与维护

1. SCR 装置运行中的管理维护

运行中的主机 SCR 装置处于连续监控状态，SCR 系统控制单元人机界面可以实时显示每个设备的工作状态和参数值，每 5 分钟将自动记录一次装置运行参数。系统任何的报警将在 SCR 装置控制单元和机舱集中监控电脑上同时出现。主机SCRCU 也会将 NOx 的浓度值输出到始终对主机监控的 PMI 电脑处理，在

line-recorder-27 中记录并以连续曲线直观显示。这两个地方的记录应妥善保存并能随时调取以备检查。见图-2，图-3，图-4.

运行中需要注意以下情况：

检查尿素舱及日用罐液位，驳运泵可自动或手动驳运尿素，尿素喷射泵运转及正常切换情况。尽可能维持尿素舱的海水冷却，保证尿素舱温度
在 35℃以下，避免出现尿素结晶情况。
在控制屏上检查各阀及喷射情况，观察尿素喷射量和主机负荷变化情况。
检查各压宿空气管和尿素管是否有泄露，特别是主副机 SCR 同时使用时消耗空气比较多，多关注 SCR 空压机运行工况。甲板日用空压机可与 SCR 空压机互用，必要时可以切换使用。
检查吹灰系统吹灰情况（自动模式下自动运行 4h 或者压差≥1200pa 时开启吹扫）和 12 个吹灰电磁阀的开关状况，以保证催化剂的清洁度和活性。
监控主机 SCR 系统中三个温度（任意一个不要大于 460℃，否则会停机报警），可以通过调整主机负荷来调节。
当 210℃<T-scr out<225℃时，系统既不加热，也不喷射尿素，会处于非正常工作状态；因此，运行中应根据实际情况手动启动温度管理单元以尽快越过这一区域。

主机 SCR 系统在不同负荷状态下的数据统计（表-1）：

注：表-1 中绿色字体对应图-5 运行工况。所有数据来源于主机动态监测，会有少许偏差存在。

2. SCR 装置停用时的管理维护

确认离开氮氧化物控制区后，在集控室 SCR 控制屏菜单 SCR SYSTEM SATUS 里将 SCR mode selection 状态转换从 AUTO 切换至 STOP，DOSING SYSTEN 将停止喷射，进入后清洗模式，随后旁通阀开启，反应器前后阀门关闭，在主机 MOP 电脑运转模式从 TIII 转换到 TⅡ模式。可在集控室中控屏处将停止按钮按下或者直接在机旁按下系统自动停止运行按钮。系统自动开启空气清洗阀清洗管路和喷嘴。

由于系统没有设置在系统停止运行后自动对催化剂的吹灰程序，可在系统停用时转换到机旁手动模式，手动打开 SCR 前后阀，保持旁通阀同时开启，手动逐个点开吹灰电磁阀对催化剂进行吹灰。手动吹灰时应注意空气压力变化并控制吹灰时间。完成后恢复正常停止状态即可进行主机换油操作。
SCR 装置长时间停用时，为防止尿素溶液沉淀结晶堵塞管路和喷枪；操作人员需通过泄放管路手动卸放排空日用罐及供给喷射单元管道内的尿素溶液，建议在日用罐中加入清水，手动启动系统供给喷射单元及喷枪组件，清洗系统后卸放排空，关闭入口管路手动阀门。
每个月手动对泵浦盘车转动活络，各气动碟阀短时间开关功能试验。
检查压差传感器和 NOx 浓度传感器读数以确认相关烟气阀门是否关闭到位。
温度管理单元每个月点火试验一次，以保证风机及风门转换运转正常，确保点火功能正常。

六、常见故障分析与处理

序号

故障名称故障原因处理措施

控制系统故障

信号传输故障

检查线路或通信通道

程序错乱

升级更新程序

尿素离心泵故障

电源故障

检查电源

泵卡死

活络或解体泵浦

变频频率设置错误

重新设置变频频率

传感器断线或

失效

传感器测量探头失效

更换测量元件

传感器控制模块故障

更换控制模块

尿素喷射不正常

喷嘴堵塞

清洁或更换喷嘴

电磁阀失效

解体检修或更换电磁阀

比例阀故障

解体检修或更换比例阀

流量计故障

临时旁通或更换

气动蝶阀故障

反馈信号错误

检查反馈线路

阀门卡死

手动活络阀门

阀门驱动装置故障

检查检修驱动装置

温度管理单元点火失败

高能点火电极安装错误或

失效

拆出重新安装或更换电极

火焰探测器表面脏或故障

拆出清洁或更换

风油比设置错误

重新设置风油比例

燃烧器配风口堵塞

拆检燃烧器清通

油泵或油路故障

检查油泵或油路畅通

控制系统故障

检查控制系统线路或控制

模块

反应器前后压差高

压差传感器故障

拆检压差传感器

催化剂堵塞或吹灰装置失

效

执行手动吹灰或拆检吹灰

装置

七、对主机 SCR 系统的综合评估

本类型低压 SCR 装置经实船验证总体运行情况良好，在主机稳定工况时 SCR 装置运行平稳。但缺点也比较明显：

在主机机动航行且低负荷低转速状态下适应性较差（参见图-4），特别是用车频繁时装置基本处于停止状态。每一次变速系统至少需要约三分钟的时间来适应和调节到相应的喷射量。
在布置方面，体积大，附件多，占空间比较大一直是尾气处理装置 SCR 最大的缺点。如何在不影响使用性的前提下合理优化布局，有很大的提升空间。
硬件方面，浓度传感器，温度传感器等关键部件由于工作环境恶劣，导致故障率极高，备件价格昂贵但使用寿命和可靠性却不理想。
主机 SCR 运行期间，废气锅炉处于无加热状态，如需使用蒸汽或暖炉，需要在航行中启用燃油锅炉。

控制单元人机交互界面：

操作人员的烦恼：

----触屏，怎么我点你,你老是不理我呢!

-----不是你的界面小，可能是我的手指长的太大了吧！

SCR 装置对主机的影响

1.在 SCR 系统运行期间，由于 EGB 烟气旁通的原因，当 EGB 100%开度时，主机增压器转速明显下降，直接导致扫气压力的大幅度降低，扫气效果和燃烧工况变差，排烟温度升高。实践表明，同等负荷下，使用SCR 后主机扫气压力会下降约 30%，排烟温度平均上升约 20 左右。2.扫气压力的下降，可能导致辅助鼓风机长时间持续运行，影响鼓风机的使用寿命。

3. 主机排烟进入反应器，一旦催化剂堵塞或者部分堵塞而没有得到及时吹通。会导致主机排气背压的增高，从而影响主机工况。

4. 尿素溶液喷射不正常，或者雾化不完全，将导致排烟管路的内部氨腐蚀。