SCR系統(tǒng)尿素艙在運輸船上布置研究

濮 駿 許金波 王竟宇

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.江蘇揚子江船業(yè)集團公司 泰州214500）

引 言

隨著全球一體化進程的飛速發(fā)展，越來越多的船舶在海上穿梭，在供給我們生活中的各種物資的同時，也對我們生活的環(huán)境造成了很大的污染，其中船舶柴油機排放的有害氣體就是其中之一。為此IMO 通過了 MARPOL 73/78附則 Ⅵ 的修正案《NOX技術規(guī)則》（NTC2008）［1］，該規(guī)則提出了在指定的排放控制區(qū)需要滿足第3階段（TierⅢ）排放的要求。各大主機廠為此進行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)主要有兩種方法：

（1）對柴油機廢氣進行選擇性催化還原（SCR）反應；

（2）使用雙燃料柴油機，在排放控制區(qū)燃燒LNG，減少NOx的產(chǎn)生。

本文通過分析在建的208 000 載重噸散貨船的SCR系統(tǒng)工作原理 ，根據(jù)尿素溶液的保存要求，結(jié)合船用工作環(huán)境，對尿素艙在船上的布置位置進行分析。

1 船上SCR 系統(tǒng)原理及應用

船上SCR 系統(tǒng)的基本原理是尿素水溶液遇高溫熱解成氨氣和排氣中的氮氧化物發(fā)生化學反應生成氮氣和水從而達到降低排氣中氮氧化物含量的要求?；瘜W反應公式如下：

（1）尿素的反應

（2）NOX的催化還原反應

船上SCR系統(tǒng)的兩種方案為：

（1）反應發(fā)生在增壓器前：高壓SCR系統(tǒng)；

（2）反應發(fā)生在增壓器后：低壓SCR系統(tǒng)。

由于SCR反應溫度在300～400℃，對于二沖程船用主機一般使用高壓SCR系統(tǒng)；如果使用低壓SCR，則需要增加一套加熱裝置。對于四沖程船用主機，可以使用低壓SCR系統(tǒng)。

2 船用SCR 系統(tǒng)還原劑

船用還原劑標準可參照ISO 18611-1/2/3［2］，其中液氨、氨水和尿素水溶液都可以作為還原劑。而在實際使用中，由于尿素水溶液安全無毒、便于儲存，制作方便，在陸上和海上柴油機SCR系統(tǒng)中被廣泛使用。通常SCR系統(tǒng)的還原劑可以分32.5%質(zhì)量濃度的尿素水溶液（AUS 32）和40%質(zhì)量濃度的尿素水溶液（AUS 40）。船舶SCR 系統(tǒng)普遍使用AUS 40，主要是因為尿素水溶液的需求量較大，需使用濃度較高的尿素水溶液，以減小尿素艙的體積［3］。表1柴油機廠家對AUS 40存儲溫度與使用壽命。由此可見尿素的存儲溫度范圍一般為0～35℃。

3 船級社對尿素儲存的要求

船級社對尿素的儲存提出的要求主要為透氣、泄放、液位和溫度控制，表2為CCS與ABS尿素儲存的要求的比較。由此可見，兩家船級社的要求大體相同，除了CCS需要在儲存艙引出的管路設置快關閥，這是由于船級社之間的理解差異造成的。

表1 柴油機廠家對AUS 40存儲溫度與使用壽命

表2 CCS與ABS尿素儲存的要求的比較

4 實船上考慮布置的位置

針對目前我們設計的208 000載重噸散貨船，主機為1臺低速柴油機使用高壓SCR，發(fā)電機為3臺中速柴油機。與船東溝通后，設計尿素艙艙容能夠滿足每3個月中有6～7天船舶行駛在排放控制區(qū)。按照柴油機廠家推薦的AUS 40耗量為240 L/h計算，240 L/h×24 h×7= 40.32 m3。考慮艙容損失和留一些余量，尿素艙的容積約60 m3。防止尿素艙受溫度影響，使艙內(nèi)尿素的使用壽命降低，我們在布置時考慮艙柜盡量遠離機艙內(nèi)的熱源，并且保持有良好的通風散熱。我們原始布置位置在機艙3甲板靠近尾部的右舷側(cè)，見圖1。

圖1 尿素艙布置在機艙舷側(cè)

如圖1所示，尿素艙布置在了機艙3甲板靠近尾部的右舷側(cè)，該位置可以滿足尿素正常的注入、駁運和使用，日后的維護也十分方便。該布置的散熱計算見表3，根據(jù)艙柜表面散熱公式：

式中：Ki為傳熱系數(shù)，kcal/m2·hr℃；AI為傳熱面積，m2；Q為換熱量，kcal/h；θa為假設極端炎熱情況尿素艙的初始溫度，35℃；θi為環(huán)境溫度，℃。

表3 尿素艙放在機艙3甲板散熱計算

根據(jù)表3的計算我們發(fā)現(xiàn)，尿素艙的總散熱量為負值，也就是說此極端情況下，尿素艙為吸熱狀態(tài)，溫度不斷上升，需要增加冷卻措施。而船上常規(guī)的冷卻介質(zhì)為海水或者淡水，海水冷卻的設計溫度為32℃，與尿素艙的溫差很小冷卻效果不明顯。淡水冷卻的設計溫度為36℃，比尿素艙限制的溫度高，無法用于冷卻尿素艙。因此，如果把尿素艙布置在機艙3甲板舷側(cè)，需設額外的冷卻裝置來保證尿素艙的溫度。

由表3經(jīng)驗可知，盡可能地將尿素艙表面與海水接觸，是有效的溫控措施。故考慮將尿素艙布置在雙層底內(nèi)（見下頁圖2），這樣便有足夠的海水接觸面積來保證艙柜溫度。散熱計算見下頁表4。

根據(jù)表4的計算， 尿素艙的總散熱量為正值，即在此極端情況下，尿素艙為散熱狀態(tài)，溫度不會超過35℃，這一結(jié)果也驗證了我們之前的想法。

但是如圖2所示，尿素艙布置在雙層底內(nèi)，缺點是由于雙層底內(nèi)部結(jié)構(gòu)肋板眾多，會造成建造時期的艙內(nèi)噴涂特殊防腐漆的工作困難，以及營運保養(yǎng)時期的艙內(nèi)清潔工作難以實施。另外由于尿素供給泵的自吸能力有限，SCR反應器的位置右比較高，往往柴油機廠家建議給尿素泵一個正壓頭，因此該方案需要額外增加一個日用艙和尿素駁運泵。這無疑也增加了一部分成本。

圖2 尿素艙布置在雙層底內(nèi)

表4 尿素艙放在雙層底散熱計算

機艙3甲板尾右側(cè)和雙層底的兩種方案，一個需要增加額外的冷卻裝置保證尿素艙的溫度，另一個存在施工和操作不便并且要增加日用艙和駁運泵的情況。結(jié)合兩種方案的優(yōu)缺點分析，我們發(fā)現(xiàn)將尿素艙布置在艉尖艙內(nèi)是一個不錯的選擇，那里既有海水包圍，能保持良好的散熱，位置高度也能滿足使用，見圖3。

圖3 尿素艙嵌入艉尖艙

但是，艉尖艙作為壓載艙，為了滿足不同的運營工況，需要調(diào)整艉尖艙內(nèi)的水量，所以布置在艉尖艙內(nèi)的尿素艙散熱需要計算兩種工況：

（1）艉尖艙為空艙（見表5）；

（2）艉尖艙為壓載艙（見表6）。

表5 尿素艙嵌入艉尖艙散熱計算（艉尖艙作為空艙時）

表6 尿素艙嵌入艉尖艙散熱計算（艉尖艙作為壓載艙時）

結(jié)果顯示這兩種工況下，尿素艙的總散熱量都為正值，尿素艙嵌入在艉尖艙內(nèi)為散熱狀態(tài)，溫度會維持在35℃以下，證實將尿素艙嵌入在艉尖艙內(nèi)的布置方案是可行的。

5 結(jié) 語

目前，隨著越來越多的運輸船安裝SCR系統(tǒng)來滿足氮排放區(qū)域的要求，合理的布置尿素艙，不僅可以減少初期的投入，也可以減少后期的維護。本文通過實際案例對尿素艙的布置方案進行分析，并對幾種方案尿素艙的散熱進行計算，最終給出適合尿素艙布置的環(huán)境條件，且推薦了合適的尿素艙位置，為大家在設計和布置尿素艙時提供借鑒。