SCR系统尿素舱在运输船上布置研究

濮 骏 许金波 王竟宇

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.江苏扬子江船业集团公司 泰州214500）

引 言

随着全球一体化进程的飞速发展，越来越多的船舶在海上穿梭，在供给我们生活中的各种物资的同时，也对我们生活的环境造成了很大的污染，其中船舶柴油机排放的有害气体就是其中之一。为此IMO 通过了 MARPOL 73/78附则 Ⅵ 的修正案《NOX技术规则》（NTC2008）［1］，该规则提出了在指定的排放控制区需要满足第3阶段（TierⅢ）排放的要求。各大主机厂为此进行了分析和研究，发现主要有两种方法：

（1）对柴油机废气进行选择性催化还原（SCR）反应；

（2）使用双燃料柴油机，在排放控制区燃烧LNG，减少NOx的产生。

本文通过分析在建的208 000 载重吨散货船的SCR系统工作原理 ，根据尿素溶液的保存要求，结合船用工作环境，对尿素舱在船上的布置位置进行分析。

1 船上SCR 系统原理及应用

船上SCR 系统的基本原理是尿素水溶液遇高温热解成氨气和排气中的氮氧化物发生化学反应生成氮气和水从而达到降低排气中氮氧化物含量的要求。化学反应公式如下：

（1）尿素的反应

（2）NOX的催化还原反应

船上SCR系统的两种方案为：

（1）反应发生在增压器前：高压SCR系统；

（2）反应发生在增压器后：低压SCR系统。

由于SCR反应温度在300～400℃，对于二冲程船用主机一般使用高压SCR系统；如果使用低压SCR，则需要增加一套加热装置。对于四冲程船用主机，可以使用低压SCR系统。

2 船用SCR 系统还原剂

船用还原剂标准可参照ISO 18611-1/2/3［2］，其中液氨、氨水和尿素水溶液都可以作为还原剂。而在实际使用中，由于尿素水溶液安全无毒、便于储存，制作方便，在陆上和海上柴油机SCR系统中被广泛使用。通常SCR系统的还原剂可以分32.5%质量浓度的尿素水溶液（AUS 32）和40%质量浓度的尿素水溶液（AUS 40）。船舶SCR 系统普遍使用AUS 40，主要是因为尿素水溶液的需求量较大，需使用浓度较高的尿素水溶液，以减小尿素舱的体积［3］。表1柴油机厂家对AUS 40存储温度与使用寿命。由此可见尿素的存储温度范围一般为0～35℃。

3 船级社对尿素储存的要求

船级社对尿素的储存提出的要求主要为透气、泄放、液位和温度控制，表2为CCS与ABS尿素储存的要求的比较。由此可见，两家船级社的要求大体相同，除了CCS需要在储存舱引出的管路设置快关阀，这是由于船级社之间的理解差异造成的。

表1 柴油机厂家对AUS 40存储温度与使用寿命

表2 CCS与ABS尿素储存的要求的比较

4 实船上考虑布置的位置

针对目前我们设计的208 000载重吨散货船，主机为1台低速柴油机使用高压SCR，发电机为3台中速柴油机。与船东沟通后，设计尿素舱舱容能够满足每3个月中有6～7天船舶行驶在排放控制区。按照柴油机厂家推荐的AUS 40耗量为240 L/h计算，240 L/h×24 h×7= 40.32 m3。考虑舱容损失和留一些余量，尿素舱的容积约60 m3。防止尿素舱受温度影响，使舱内尿素的使用寿命降低，我们在布置时考虑舱柜尽量远离机舱内的热源，并且保持有良好的通风散热。我们原始布置位置在机舱3甲板靠近尾部的右舷侧，见图1。

图1 尿素舱布置在机舱舷侧

如图1所示，尿素舱布置在了机舱3甲板靠近尾部的右舷侧，该位置可以满足尿素正常的注入、驳运和使用，日后的维护也十分方便。该布置的散热计算见表3，根据舱柜表面散热公式：

式中：Ki为传热系数，kcal/m2·hr℃；AI为传热面积，m2；Q为换热量，kcal/h；θa为假设极端炎热情况尿素舱的初始温度，35℃；θi为环境温度，℃。

表3 尿素舱放在机舱3甲板散热计算

根据表3的计算我们发现，尿素舱的总散热量为负值，也就是说此极端情况下，尿素舱为吸热状态，温度不断上升，需要增加冷却措施。而船上常规的冷却介质为海水或者淡水，海水冷却的设计温度为32℃，与尿素舱的温差很小冷却效果不明显。淡水冷却的设计温度为36℃，比尿素舱限制的温度高，无法用于冷却尿素舱。因此，如果把尿素舱布置在机舱3甲板舷侧，需设额外的冷却装置来保证尿素舱的温度。

由表3经验可知，尽可能地将尿素舱表面与海水接触，是有效的温控措施。故考虑将尿素舱布置在双层底内（见下页图2），这样便有足够的海水接触面积来保证舱柜温度。散热计算见下页表4。

根据表4的计算， 尿素舱的总散热量为正值，即在此极端情况下，尿素舱为散热状态，温度不会超过35℃，这一结果也验证了我们之前的想法。

但是如图2所示，尿素舱布置在双层底内，缺点是由于双层底内部结构肋板众多，会造成建造时期的舱内喷涂特殊防腐漆的工作困难，以及营运保养时期的舱内清洁工作难以实施。另外由于尿素供给泵的自吸能力有限，SCR反应器的位置右比较高，往往柴油机厂家建议给尿素泵一个正压头，因此该方案需要额外增加一个日用舱和尿素驳运泵。这无疑也增加了一部分成本。

图2 尿素舱布置在双层底内

表4 尿素舱放在双层底散热计算

机舱3甲板尾右侧和双层底的两种方案，一个需要增加额外的冷却装置保证尿素舱的温度，另一个存在施工和操作不便并且要增加日用舱和驳运泵的情况。结合两种方案的优缺点分析，我们发现将尿素舱布置在艉尖舱内是一个不错的选择，那里既有海水包围，能保持良好的散热，位置高度也能满足使用，见图3。

图3 尿素舱嵌入艉尖舱

但是，艉尖舱作为压载舱，为了满足不同的运营工况，需要调整艉尖舱内的水量，所以布置在艉尖舱内的尿素舱散热需要计算两种工况：

（1）艉尖舱为空舱（见表5）；

（2）艉尖舱为压载舱（见表6）。

表5 尿素舱嵌入艉尖舱散热计算（艉尖舱作为空舱时）

表6 尿素舱嵌入艉尖舱散热计算（艉尖舱作为压载舱时）

结果显示这两种工况下，尿素舱的总散热量都为正值，尿素舱嵌入在艉尖舱内为散热状态，温度会维持在35℃以下，证实将尿素舱嵌入在艉尖舱内的布置方案是可行的。

5 结 语

目前，随着越来越多的运输船安装SCR系统来满足氮排放区域的要求，合理的布置尿素舱，不仅可以减少初期的投入，也可以减少后期的维护。本文通过实际案例对尿素舱的布置方案进行分析，并对几种方案尿素舱的散热进行计算，最终给出适合尿素舱布置的环境条件，且推荐了合适的尿素舱位置，为大家在设计和布置尿素舱时提供借鉴。