簡介
1.1 Briefs
SCR技術(shù)是以NH₃為還原劑，利用其對NO_X的高選擇還原性，將NO_X優(yōu)先還原為N₂和H₂O的廢氣后處理技術(shù)。與其它降低NO_X排放的技術(shù)相比，SCR的NO_X轉(zhuǎn)化率最高，技術(shù)最成熟可靠，并且對柴油機性能和零部件影響較小。目前，選擇性催化還原（SCR）被認為是能使船用柴油機NOX排放滿足未來相關(guān)法規(guī)的主要技術(shù)手段。
SCR is a kind of exhaust gas post treatment technique to revivify NOx in priority into N₂ and H₂O with NH₃ as reductant for its high selective reducibility on NOx. Compared with other techniques to reduce the emission of NOx, SCR features highest conversion rate of NOx, most mature and reliable technique and least impact on the performance and parts of diesel engine. At present, selective catalytic reduction (SCR) is generally considered the main technical method to make sure the emission of NOx of vessel diesel engine meeting the requirements of related regulations in the future.
反應(yīng)器是船用中高速柴油機SCR系統(tǒng)的核心部件，它由催化劑、反應(yīng)器本體、混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和吹灰器等組成。廢氣通過反應(yīng)器中的催化劑時，有害物質(zhì)NOX在催化劑的作用下和NH3反應(yīng)生成無害的N²和H²O。
The reactor, as core of SCR system of high speed diesel engine for vessels, consists of catalyst, body of reactor, mixture and diversion structure and ash gun. The harmful NOx reacts with NH₃ under the action of catalyst, producing harmless N₂ and H₂O when the exhaust gas passing through the catalyst in the reactor.
1.2主要技術(shù)指標
SCR反應(yīng)器主要性能指標如表1所示：
表1  SCR反應(yīng)器主要性能指標

序號	項目	單位	數(shù)值/規(guī)格	備注
	NOX轉(zhuǎn)化率	/	≥80%
	NH3漏泄量	ppm	≤10
	壓力損失	Pa	≤1200	最大適用流量情況時
	催化劑壽命	h	工作壽命≥16000	使用指定含硫量的燃油
	隔熱	-	符合排氣管隔熱安全防護要求

1.3組成
反應(yīng)器由催化劑、反應(yīng)器本體、混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和吹灰器等組成，各部件的結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。
 
 
 
 
 
圖1  反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖
1）催化劑
反應(yīng)器選用V2O5/TiO2催化劑。V2O5/TiO2催化劑以TiO2作為載體，V2O5為主要活性成分。其優(yōu)點是：表面呈酸性，容易結(jié)合堿性的氨，使其在催化劑表面進行反應(yīng)；活性溫度區(qū)間與船用柴油機排氣溫度區(qū)間匹配佳；抗SO2 中毒能力較強，能夠適應(yīng)船用燃油的含硫特性，能夠長期穩(wěn)定工作；成本較低，適合廣泛應(yīng)用。    a）催化劑的理化指標如表2所示。
表2  催化劑的理化指標

名稱		單位	檢測值
幾何特性	孔數(shù)	/
	斷面橫向長度	mm
	斷面縱向長度	mm
	單元體長度	mm
	內(nèi)壁厚度	mm
	外壁厚度	mm
	孔徑	mm
	節(jié)距	mm
	開孔率	%
	幾何比表面積	m2/m3
微觀比表面積	BET	m2/g
強度	軸向抗壓強度	kg/ cm2
	徑向抗壓強度	kg/ cm2
	抗磨強度 （質(zhì)量損失方式）	g
化學(xué)成分	TiO2	%
	WO3	%
	SiO2	%
	CaO	%
	Al2O3	%

b）催化劑壽命
船用燃料質(zhì)量一般較差，廢氣中硫、雜質(zhì)、顆粒物含量很高。硫、雜質(zhì)、顆粒物對催化劑壽命、催化效果等影響極大。安裝SCR系統(tǒng)的柴油機使用的燃油應(yīng)當(dāng)滿足GB/T 17411-2012《船用燃料油》的要求。若柴油機使用的燃油不能滿足SCR系統(tǒng)要求，廢氣中硫、雜質(zhì)或顆粒物含量比約定的值還要高，長期使用將影響催化劑壽命和催化效果。此時可以采用定期抽樣單個載體進行檢測和分析的方法，確保反應(yīng)裝置的可用性。
催化劑活性低于70%時應(yīng)更換，通常情況下（柴油機使用含硫量1%的燃油），建議在使用16000h后更換。
2）反應(yīng)器本體
反應(yīng)器本體由進出口法蘭、錐殼、SCR段殼體、催化劑框架、支座、吊環(huán)、泄水組件、加強筋等組成。
反應(yīng)器本體主要由不銹鋼焊接而成，反應(yīng)器本體主要起支持固定催化劑的作用，同時反應(yīng)器本體能耐受一定的內(nèi)壓和廢氣管路的拉力和壓力，下圖為經(jīng)過有限元強度計算的反應(yīng)器本體應(yīng)力和安全系數(shù)圖，其最大應(yīng)力為96.52MPa，相應(yīng)的安全系數(shù)最小值為2.36。
 
 
 
 
圖2 反應(yīng)器應(yīng)力和安全系數(shù)圖

1. 進出口法蘭

反應(yīng)器進出口法蘭使用CB/T3766《船用排氣管法蘭》AS型標準法蘭，公稱壓力0.1MPa，可以滿足反應(yīng)器的所有工況下的工作壓力，并與船上管路法蘭相互配合。

2. 錐殼

反應(yīng)器錐殼的作用是將柴油機廢氣流速降低，以使廢氣進入催化劑時達到額定流速。入口錐殼內(nèi)布置混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，使廢氣均勻的分布在反應(yīng)器截面上，從而使廢氣充分接觸催化劑，確保NOx轉(zhuǎn)化率達到設(shè)計要求。

3. SCR段殼體

SCR段殼體內(nèi)布置催化劑和吹灰器，在檢修端設(shè)置檢修口，用來檢修和更換催化劑使用。

4. 催化劑框架

    催化劑框架安裝在SCR段殼體內(nèi)，用來支撐催化劑，確保在船舶橫向、縱向最大傾斜角度時，催化劑穩(wěn)固沒有晃動。

5. 支座

    根據(jù)SCR系統(tǒng)反應(yīng)器的安裝方式，可以選擇臥式支座或立式支座，支座焊接在反應(yīng)器的加強結(jié)構(gòu)上。

6. 吊環(huán)

吊環(huán)在SCR系統(tǒng)反應(yīng)器裝卸時吊裝使用，吊環(huán)的承載能力大于反應(yīng)器重量，吊環(huán)安裝在反應(yīng)器的加強結(jié)構(gòu)上。

7. 泄水組件

泄水組件用來泄放反應(yīng)器中的水，正常情況下泄水組件只用來排放反應(yīng)器內(nèi)的冷凝水，泄水組件需接至污水槽。

8. 加強筋

由于反應(yīng)器是薄板殼體焊接結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器外部的筋加強可以增強反應(yīng)器相對薄弱位置。
3）混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)
反應(yīng)器混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)由導(dǎo)流環(huán)、導(dǎo)流板、前支撐板和后支撐板組成，混合導(dǎo)流機構(gòu)安裝在SCR系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)流裝置將擴張腔劃分為多個流動通道，廢氣等速度進入每個通道，由于每個通道出口面積和入口面積比相同，所以廢氣等速度流出每個通道，從而保證進入催化劑的廢氣流速相同，提高NOx轉(zhuǎn)化效率。
4）吹灰器
SCR系統(tǒng)反應(yīng)器使用的固定旋轉(zhuǎn)式吹灰器，該型吹灰器主要由閥門、空心軸、吹灰槍管、減速傳動機構(gòu)、電氣控制箱、接口裝置等組成，各部件的主要結(jié)構(gòu)和功能如下：

• 閥門

閥門用于控制吹灰介質(zhì)，是吹灰器的主要部件，位于吹灰器下部，因其形如鵝頸，俗稱鵝頸閥。吹灰器的大部分部件都支撐在此閥門上。
閥門有壓力調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)現(xiàn)場的吹灰要求進行壓力調(diào)節(jié)，閥門上裝有啟動臂，由凸輪操作，開啟和關(guān)閉閥門。
閥門上裝有單向空氣閥。

• 空氣軸

空氣軸將吹灰介質(zhì)從閥門導(dǎo)入吹灰槍管�？諝廨S鍵聯(lián)在前端大齒輪上，與大齒輪一起轉(zhuǎn)動。其一端伸在閥門出口側(cè)的填料孔內(nèi)，由填料密封其與閥門間的轉(zhuǎn)動部分，另一端通過管接頭與吹灰槍管對接。

• 吹灰槍管

吹灰器的吹灰槍管根據(jù)安裝部位反應(yīng)器的催化劑布置專門設(shè)計，上面裝有多個噴嘴，故又稱多孔管。吹灰槍管前端為旋壓封頭或堵板封頭，后端加工有螺紋，與空心軸對接。

• 減速傳動機構(gòu)

減速傳動機構(gòu)由電動機、蝸桿箱（一般減速比為1:60）和一組開式傳動的齒輪組成。開式齒輪副上設(shè)有齒輪罩。空心軸和操作閥門的凸輪裝在末級大齒輪上，隨其一起轉(zhuǎn)動。

• 電氣控制箱

電氣控制箱位于吹灰器后端，箱內(nèi)裝有一個行程開關(guān)，行程開關(guān)由蝸輪軸傳動的齒輪控制。出廠時，控制齒輪上裝有兩個彈性銷，設(shè)定吹掃一圈。當(dāng)只裝一彈性銷時，則每次吹掃兩圈。
為適應(yīng)不同的控制要求，控制箱有兩種形式。一類只裝有行程開關(guān)盒按鈕，控制箱外形尺寸較小。另一類裝有交流接觸器、空氣開關(guān)等電氣元件，控制箱尺寸較大。

• 接口裝置

接口裝置是吹灰器與反應(yīng)器預(yù)留口連接的密封接口裝置，同時也是將吹灰器固定在反應(yīng)器的支撐點上。
2功能原理
SCR系統(tǒng)是以NH3（尿素水溶液）為還原劑，利用其對NOX的高選擇還原性，將有害的NOX優(yōu)先還原為無害的N2和H2O。SCR系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)進行的主要化學(xué)反應(yīng)如下：
O

反應(yīng)器是SCR系統(tǒng)反應(yīng)進行的場所，其功能是通過催化劑的催化作用，將氮氧化物快速還原成氮氣和水。反應(yīng)器本體起支撐催化劑并保持一定的反應(yīng)條件的作用。吹灰器起保持催化劑表面的清潔的作用。混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)起保持排氣流動均勻的作用。
3安裝布置
3.1外形尺寸
反應(yīng)器外形圖及相關(guān)尺寸見圖3和表3。
 
圖3 反應(yīng)器外形圖
表3 反應(yīng)器尺寸重量表

反應(yīng)器 型號	適用柴油機		外形接口尺寸					重量（t）
	功率 （kW）	廢氣流量 （kg/h）	出口D2 （mm）	入口D1 （mm）	L (mm)	W (mm)	H (mm)

注：由于不同柴油機的功率和廢氣流量關(guān)系不同，表中所列功率僅供參考，反應(yīng)器選型時以廢氣流量為參考依據(jù)。
3.2安裝布置要求
SCR系統(tǒng)反應(yīng)器中的吹灰器和其他部件分別包裝，驗收時請您根據(jù)裝箱清單核對各個部分是否齊備完好，并與您所訂購產(chǎn)品一致。
在拆除反應(yīng)器包裝和兩端入口的擋板后，我們建議使用單位應(yīng)該首先檢查部套的外觀，特別注意是否存在因運輸引起的損壞以及部套進出口管的清潔度。每個部套都配帶銘牌，其上標明了型號、尺寸、制造商、出廠日期和重量等。請您根據(jù)銘牌核對各項參數(shù)是否與您所訂購產(chǎn)品一致。
1）反應(yīng)器安裝位置
SCR系統(tǒng)反應(yīng)器一般安裝在船舶排氣管圍井中。它在柴油機的排氣管系中的位置，一般處于柴油機渦輪增壓器之后，并且在余熱鍋爐和消音器之前。
2）反應(yīng)器安裝支撐
為了使反應(yīng)器得到充分支撐，建議支撐結(jié)構(gòu)與反應(yīng)器自帶安裝支座配對加工�？紤]到系統(tǒng)反應(yīng)器存在加工誤差，支撐結(jié)構(gòu)最好選用橢圓型安裝孔。為了減小振動對系統(tǒng)反應(yīng)器的破壞，應(yīng)使用彈性連接作為反應(yīng)器支撐，其中反應(yīng)器和排氣管之間必須使用波形膨脹節(jié)。
注意！錯誤的支撐方式可能會損壞SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。
 
 
圖4  反應(yīng)器與膨脹節(jié)配合使用
3）反應(yīng)器安裝
通常情況下，反應(yīng)器的催化劑和隔熱包覆已經(jīng)安裝完畢，反應(yīng)器會整體運送到船廠。安裝反應(yīng)器前必須關(guān)閉柴油機，反應(yīng)器整體安裝在支座上，再將反應(yīng)器前后的排氣管和波形膨脹節(jié)安裝完畢，最后安裝反應(yīng)器吹灰器。
a）殼體安裝
安裝SCR反應(yīng)器時，需檢查密封墊片是否完好。建議在密封墊片表面和六角螺栓上涂抹耐高溫石墨潤滑油。SCR反應(yīng)器法蘭的連接首先需要進行預(yù)緊，然后才能最終緊固。
SCR反應(yīng)器的排污口需要引出，以便及時排出反應(yīng)器內(nèi)冷凝水，從而保證其干燥性，防止其影響催化劑使用壽命。
SCR反應(yīng)器的檢修面板側(cè)應(yīng)該保留有600mm空間，以便打開檢修面板，裝拆催化劑模塊。SCR反應(yīng)器的窺測孔側(cè)應(yīng)保留有單人操作空間，以便觀察催化劑表面狀況和積灰情況，并進行手動壓縮空氣清灰。建議在窺測孔附近預(yù)留一個壓縮空氣接口。窺測孔位置見圖5。
 
 
 
圖5 反應(yīng)器窺測孔位置圖
b）催化劑更換
催化劑使用到達壽命時需更換催化劑，更換前需檢查新催化劑模塊是否完好，特別注意是否存在催化劑單體的破損。如果發(fā)現(xiàn)該情況的存在，請及時聯(lián)系我們。建議在檢修蓋板密封墊片表面和六角螺栓上涂抹耐高溫石墨潤滑油。且檢修蓋板的連接首先需要進行預(yù)緊，然后才能最終緊固。
注意！催化劑的安裝過程中應(yīng)輕拿輕放，任何碰撞和摔落對會造成催化劑不可修復(fù)的破壞。
c）隔熱包覆
SCR系統(tǒng)反應(yīng)器更換催化劑前需拆掉檢修口的隔熱包覆。更換催化劑后，需將隔熱包覆復(fù)原。隔熱包覆推薦采用厚100mm巖棉板氈（密度＞80kg/m3），其外包覆0.7mm鍍鋅鐵皮，隔熱包覆結(jié)構(gòu)需避免熱橋。隔熱包覆需滿足船級社和IMO相關(guān)規(guī)定。
d）吹灰器安裝
在反應(yīng)器絕熱包覆完成后進行吹灰器的安裝。吹灰器安裝在反應(yīng)器檢修面板側(cè)，重合使用部分檢修空間。
注意！SCR系統(tǒng)反應(yīng)器的安裝過程中應(yīng)避免雨水進入。
4使用維護
4.1一般故障分析及排除
反應(yīng)器是由催化劑、混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、反應(yīng)器本體和吹灰器等組成。混合導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器本體為鋼結(jié)構(gòu)，一般不會產(chǎn)生故障。催化劑為蜂窩狀陶瓷結(jié)構(gòu)，當(dāng)長期使用時，特別是排氣中灰分比例高，瀝青質(zhì)比例高，容易造成催化劑表面積灰，部分蜂窩孔堵塞，造成壓力損失升高，反應(yīng)器性能下降。SCR系統(tǒng)反應(yīng)器的一般故障分析及其排除方法見表4。
表4一般故障分析及其排除方法

序號	故障現(xiàn)象	故障 分析	排除方法
1	有氣體或液體泄露	反應(yīng)器焊縫開裂	關(guān)閉閥門或排凈液體，補焊漏液焊縫
		法蘭松動	密封圈更換、螺栓緊固
		螺紋松動	拆卸螺紋件，檢查螺紋是否損壞，如損壞需更換配件；檢查螺紋密封膠
2	壓力損失過高	催化劑堵塞	檢查吹灰器是否正常工作，檢查催化劑堵塞情況，如催化劑使用時間超過16000小時需更換催化劑
		反應(yīng)器內(nèi)有雜物	檢查反應(yīng)器內(nèi)是否有雜物，去除影響壓力損失的雜物
3	吹灰器不能啟動	保險絲燒斷	更換保險絲
		接觸器啟動故障	檢查控制電源，檢查啟動按鈕接觸情況，檢查熱繼電器觸點
4	吹灰器不能停止	控制轉(zhuǎn)數(shù)的齒輪折斷或脫落	更換或復(fù)原齒輪
		撞銷沒裝	安裝撞銷
		行程開關(guān)失靈	更換行程開關(guān)
5	吹灰器電動機過載	吹灰槍管被卡死	檢查反應(yīng)器內(nèi)吹灰槍管運動情況
		吹灰槍管嚴重變形	更換槍管

4.2安全保護
使用維護保養(yǎng)過程中，工作人員應(yīng)遵守以下安全保護要求：

• 未經(jīng)培訓(xùn)的人員禁止使用、維護和保養(yǎng)SCR系統(tǒng)反應(yīng)器。
• 維護和更換催化劑、吹灰器等反應(yīng)器內(nèi)部部件時，柴油機必須關(guān)閉，待高溫部件冷卻后實施操作，以免燙傷。
• 實施電氣操作的工作人員必須持相應(yīng)電工證，操作前應(yīng)仔細檢查操作工具的絕緣性能，絕緣鞋、絕緣手套等安全用具的絕緣性能是否良好，有問題應(yīng)立即更換，并定期進行檢查。
• 在電氣設(shè)備10m內(nèi)進行焊接工作時，必須將電氣設(shè)備電源切斷；
• SCR系統(tǒng)啟動前，先確保所有維護和修理工作已經(jīng)結(jié)束，所有運動部件上的所有松散零件全部清除，所有人員應(yīng)離開運動部位的危險區(qū)域。
• 反應(yīng)器應(yīng)運行在設(shè)計參考值范圍內(nèi)，如反應(yīng)器超過設(shè)計參考值運行，需通知設(shè)備廠商。
• 除以上要求外，工作人員需遵守國家相關(guān)的安全要求和標準。

4.3維護保養(yǎng)
反應(yīng)器的日常維護與保養(yǎng)是非常重要的，它不僅能夠保證設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，而且使所有元器件有序可查。日常維護工作需要每個操作和維護人員盡心盡責(zé)來完成，以此保證該設(shè)備的長期正常運行。具體維護保養(yǎng)工作如下：

1. 催化劑更換

SCR系統(tǒng)催化劑在運行額定時間或檢測失效后需要進行更換。若反應(yīng)器至柴油機之間的管路沒有彎頭及除灰/雨水收集口，需要在拆卸催化劑時在入口法蘭處襯以隔板，防止掉落的積灰沿排氣管路進入柴油機的渦輪增壓器。建議重新安裝入口法蘭和檢修面板時，需要在法蘭孔和螺栓上涂抹耐熱石墨潤滑油。

2. 失效催化劑處理

SCR系統(tǒng)失效催化劑中含有大量重金屬，而且其表面會附著或沉積危險污染物，因此，失效催化劑屬于危險固體廢物。對失效催化劑可采取集中填埋處理。由于其屬于危險固體廢物，必須在獲得許可的危險廢棄物處理廠進行處理。

3. 手動除灰

排氣中的灰分會堵塞反應(yīng)器內(nèi)部分催化劑孔道，造成反應(yīng)器壓力損失增大，影響柴油機的正常工作。當(dāng)SCR系統(tǒng)控制單元發(fā)出壓損報警時，柴油機需停機，在反應(yīng)器冷卻后進行手動除灰。手動除灰時，首先拆除窺測孔處的隔熱包覆，然后打開窺測悶蓋，觀察催化劑端面的積灰狀況，接著引入一路壓縮空氣，對催化劑端面進行手動除灰。手動除灰完成后恢復(fù)悶蓋及絕熱包覆。若反應(yīng)器至柴油機之間的管路沒有彎頭及除灰/雨水收集口，需要在手動清灰時在入口法蘭處襯以隔板，防止掉落的積灰沿排氣管路進入柴油機的渦輪增壓器。建議重新安裝窺測悶蓋時，需要在法蘭孔和螺栓上涂抹耐熱石墨潤滑油。
注意！只有在反應(yīng)器冷卻后，才能進行手動除灰。

4. 吹灰器

維修吹灰器前需切斷電源和氣源，以防吹灰器意外啟動和吹灰器閥門開啟。蝸桿減速箱需要潤滑，添加潤滑油約0.25升。蝸輪箱上有兩個油嘴，用來潤滑蝸桿兩端的軸承。電動機軸承已預(yù)潤滑和密封。

5. 日常維護

對壓縮空氣壓力及設(shè)備運行狀態(tài)進行每日檢查，觀察是否有異常現(xiàn)象。每周進行管路泄漏的檢查，確保沒有漏液漏氣現(xiàn)象。
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