曹健波，李鹏，陈睿

（海汇海洋工程技术舟山有限公司，浙江 舟山 316000）

MARPOL 公约附则Ⅵ关于柴油机NOX 排放标准要求，在2016 年1 月1 日及以后铺龙骨的船舶，在NECAS 航行时，柴油机排放需符合Tire Ⅲ标准，在NECAS 外航行时，排放需符合Tire Ⅱ标准。

为满足NOX的排放要求，针对不达标的柴油机有三种操作方式。废气再循环技术（可通过更换增压器实现），选择性催化还原（SCR），选择性非催化还原技术（SNCR）。

本文针对柴油机低压SCR 系统，如何实现在船舶上面的安装，正常运行维护等，进行了相关难点分析，并列举相关对措。

1 SCR 法主要原理

SCR 法是指在催化剂的作用下，还原剂NH3与烟气中的NOx 反应并生成无污染的N2和H2O。其主要反应为：

在SCR 脱硝工艺中，催化剂分层模块化的布置在反应器中。

在设计脱硝系统时，NH3与烟气的混合装置及反应装置，主要由相关厂家开发，船舶改装方面主要解决还原剂的储存、SCR 设备的安装能否满足稳规范对通道及重量重心的要求。

2 NH3 来源选择

目前NH3来源主要有三种：液氨，氨水，尿素水溶液，常温常压下，液氨属于危险化学品，由于法规等安全要求，限制措施多，氨水也极易挥发，运行设施要求高，成本大，而尿素水溶液常温常压下，不易分解，毒性小。已成为现在船舶脱硝系统的主流选择。

在SCR 系统中，主要通过尿素的热解反应产生氨气，反应如下：

3 浓度选择及温度设置

不同浓度的尿素溶液结晶温度不同，经查，50%尿素结晶温度是18℃，40%尿素结晶温度是2℃，20%尿素结晶温度是0℃，10%尿素结晶温度是0℃。

为方便储存，同时保证分解后充足的NH3产生，选择40%尿素水溶液较为合理。

由于营运的需求，对应溶液的保存时间提出了相应的要求。尿素溶液的相关试验数据如下：

表1 40%尿素溶液 温度-时间对照表

在尿素使用时，低温报警设置为高于尿素结晶温度即可，如5℃，高温报警设置为35℃，以保证贮存时间能够满足作业需求。高高温停机设置为50℃，保证NH3 主要用于脱硝反应。

4 尿素柜材料选择分析

尿素柜制作有两种方式，一种为船用普钢焊接柜，另一种为不锈钢柜。前一种用防腐涂料即可实现防腐，如用酚醛环氧油漆或过氯乙烯漆，具体不同的油漆厂家有不同的配方。目前应用比较广泛，节省资金，无较大争议。

但对不锈钢材料的选用存在较大争议。

4.1 经查，常温常压下，尿素溶液对不锈钢的腐蚀并不强，尿素溶液会对不锈钢产生腐蚀的情况主要有以下两类：

4.1.1 尿素生成过程中产生腐蚀

尿素生产过程中，在尿素生产中（14-25MPA，180-210℃）产生的尿素甲铵溶液中的氨基酸氨对不锈钢具有剧烈腐蚀作用，因此在尿素工业中，专门生产了尿素级不锈钢。

4.1.2 尿素高温环境中产生腐蚀

高温环境中400℃，尿素生成NH3，使得不锈钢表面发生渗透而降低钢的耐腐蚀性能[1]。

4.2 尿素溶液中的氨腐蚀分析

尿素储存中不可避免形成的氨逃逸或分解出的NH3形成的氨水溶液，是否也会对不锈钢产生腐蚀。经查，各类不锈钢在氨的分解温度和金属氮化物温度以下，对于干氨气和液氨都拥有优良的耐腐蚀性能，同时对于在100℃以下的氨水溶液，304 不锈钢的腐蚀率在0.05mm/年，是比较优良的储存氨水的材料[2]。

但是在实际使用中发现，常温下304 不锈钢仍然有较大腐蚀，经相关试验分析，主要由于溶液中混入了氯离子和其它离子，破坏了不锈钢的钝化膜所致，产生了点腐蚀现象。普通奥氏体不锈钢（如304）在几十个ppm的中性含氧CL-溶液中即可发生点腐蚀穿孔现象[3]。

4.3 柜子的不锈钢材料选择

目前自然水域中氯离子浓度一般上限，为淡水200ppm，海水为19000ppm。

如果在使用尿素水溶液时，不慎混入自然水域的水，肯定会引起304 不锈钢的腐蚀。

尤其是海水会混入溶液中，使得氯离子升高，很容易超过100ppm，因此根据下表，用316L 作为常温下尿素溶液的存储装置材料比较科学。

尿素舱一般用海水冷却，因此选择316Ti 作为冷却水管的材料比较合适。

表2 氯离子浓度不锈钢选型表

5 设备安装空间不足

目前主要的SCR 设备商，已经形成模块化的设备设计生产模式，在陆用SCR 安装维护方面非常成熟。但在船舶方面还属于幼年期。目前我司通过CAD 三维建模的方式进行通道和安装维护空间方面的验证，发现仍然存在很多不足之处，例如混合管长度过长，反应器体积过大。同时根据船舶实际情况向设备商提出了相关方面的改进要求。具体实例如下：

5.1 缩短混合管

我司在设计的150T OSV 船的SCR 系统时，反应器只能布置在离主机出口约3100mm 的距离，混合管只有这些空间可以利用，厂家原尺寸为4860mm，通过与厂家沟通，缩短混合管并经CFD 流体计算后，也完全能够满足脱硝反应的要求。

5.2 混合管分节，弯曲安装

图1 混合管外形图

图2 混合管现场安装图

5.3 反应器体积比较庞大，必须有700mm 的维护空间，必须合理地选用基座形式

比较常用的支座安装形式如图三、但是外缘会伸出反应室基座边沿，占用一定横向空间。

图3 基座形式-伸出型

图4 基座形式-伸长形

如采用伸长型方式，如图四所示，如果两台并排，中间只有600mm 的通道，按照伸出型，将占用约158mm 空间。按照伸长型，可顺利通行。

目前我司已经在为上海中船等单位设计了约十几艘OSV 的SCR 系统，设备商做出了相关改进，设计方案获得了船东和厂家的一致认可。

6 何时设置阀门

如柴油机排气管出口直接排大气，可直接取消消音器后，串联混合管和反应器，并不需要安装阀门。

如果某船排气管还配有废气锅炉，串联入scr 设备后，背压增加，柴油机无法正常运行。此时需要考虑安装旁通，在需要高速机动时，用原管路，在平常运行时，走SCR 系统管路。

图5 SCR 系统并联运行图

平常运行时，在scr 运行过程不可避免地将产生硫酸氢氨，硫酸氢氨会堵塞催化剂块，需在反应器本体安装吹除装置，即便如此仍然有少部分硫酸氢氨会残留在催化剂上。如燃用低硫油时，对催化剂的影响不大。

如果切换为原管路使用重油，由于SO3会大大增加，颗粒物含量大增，在此冷凝阶段，硫酸氢氨的产量会增加，同时和颗粒物吸附在催化剂上面。即便恢复到硫酸氢氨熔点温度以上，催化剂的活性并不能完全恢复[4]。为保证催化剂的使用时间，反应器出口建议增加一个止回阀，可增加使用寿命。

7 船舶稳性方面的考量

根据IMO 发布的MSC.429(98)决议，如果改装后的重量偏差＜2%，重心纵向偏差＜1%，重心垂向高度偏差＜1%，改装后无需进行倾斜试验；重量偏差＜1%，重心纵向偏差＜0.5%，重心垂向高度偏差＜0.5%，原船稳性等文件无需进行修正。

目前经过我司设计的约25 艘各类改装船舶，经过合理布置后，均未超出规范的要求，如表三。

图6 130T 抛锚拖带近海供应船模型

8 结论

通过合理的还原剂选择、详细的材料分析，精细的三维建模布置方案评估，精准的稳性计算分析，以及和船东及设备商的良好沟通。

在经济性方面，为船东节省了大量的资金；在运行维护方面，获得了船东及设备商的一致好评；在SCR 设备的船舶应用方面，取得了匹配性方面的进步，增加了可选项。