簡介
1.1 Briefs
SCR技術是以NH₃為還原劑，利用其對NO_X的高選擇還原性，將NO_X優先還原為N₂和H₂O的廢氣后處理技術。與其它降低NO_X排放的技術相比，SCR的NO_X轉化率最高，技術最成熟可靠，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排放滿足未來相關法規的主要技術手段。
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.
反應器是船用中高速柴油機SCR系統的核心部件，它由催化劑、反應器本體、混合導流結構和吹灰器等組成。廢氣通過反應器中的催化劑時，有害物質NOX在催化劑的作用下和NH3反應生成無害的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主要技術指標
SCR反應器主要性能指標如表1所示：
表1  SCR反應器主要性能指標

序號	項目	單位	數值/規格	備注
	NOX轉化率	/	≥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
反應器由催化劑、反應器本體、混合導流結構和吹灰器等組成，各部件的結構圖見圖1所示。
 
 
 
 
 
圖1  反應器結構圖
1）催化劑
反應器選用V2O5/TiO2催化劑。V2O5/TiO2催化劑以TiO2作為載體，V2O5為主要活性成分。其優點是：表面呈酸性，容易結合堿性的氨，使其在催化劑表面進行反應；活性溫度區間與船用柴油機排氣溫度區間匹配佳；抗SO2 中毒能力較強，能夠適應船用燃油的含硫特性，能夠長期穩定工作；成本較低，適合廣泛應用。    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	/
	斷面橫向長度	mm
	斷面縱向長度	mm
	單元體長度	mm
	內壁厚度	mm
	外壁厚度	mm
	孔徑	mm
	節距	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 （質量損失方式）	g
化學成分	TiO2	%
	WO3	%
	SiO2	%
	CaO	%
	Al2O3	%

b）催化劑壽命
船用燃料質量一般較差，廢氣中硫、雜質、顆粒物含量很高。硫、雜質、顆粒物對催化劑壽命、催化效果等影響極大。安裝SCR系統的柴油機使用的燃油應當滿足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系統要求，廢氣中硫、雜質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，確保反應裝置的可用性。
催化劑活性低于70%時應更換，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）反應器本體
反應器本體由進出口法蘭、錐殼、SCR段殼體、催化劑框架、支座、吊環、泄水組件、加強筋等組成。
反應器本體主要由不銹鋼焊接而成，反應器本體主要起支持固定催化劑的作用，同時反應器本體能耐受一定的內壓和廢氣管路的拉力和壓力，下圖為經過有限元強度計算的反應器本體應力和安全系數圖，其最大應力為96.52MPa，相應的安全系數最小值為2.36。
 
 
 
 
圖2 反應器應力和安全系數圖

1. 進出口法蘭

反應器進出口法蘭使用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。入口錐殼內布置混合導流結構，使廢氣均勻的分布在反應器截面上，從而使廢氣充分接觸催化劑，確保NOx轉化率達到設計要求。

3. SCR段殼體

SCR段殼體內布置催化劑和吹灰器，在檢修端設置檢修口，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，用來支撐催化劑，確保在船舶橫向、縱向最大傾斜角度時，催化劑穩固沒有晃動。

5. 支座

    根據SCR系統反應器的安裝方式，可以選擇臥式支座或立式支座，支座焊接在反應器的加強結構上。

6. 吊環

吊環在SCR系統反應器裝卸時吊裝使用，吊環的承載能力大于反應器重量，吊環安裝在反應器的加強結構上。

7. 泄水組件

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

8. 加強筋

由于反應器是薄板殼體焊接結構，反應器外部的筋加強可以增強反應器相對薄弱位置。
3）混合導流結構
反應器混合導流結構由導流環、導流板、前支撐板和后支撐板組成，混合導流機構安裝在SCR系統反應器內，導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轉化效率。
4）吹灰器
SCR系統反應器使用的固定旋轉式吹灰器，該型吹灰器主要由閥門、空心軸、吹灰槍管、減速傳動機構、電氣控制箱、接口裝置等組成，各部件的主要結構和功能如下：

• 閥門

閥門用于控制吹灰介質，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。
閥門有壓力調節裝置，可以根據現場的吹灰要求進行壓力調節，閥門上裝有啟動臂，由凸輪操作，開啟和關閉閥門。
閥門上裝有單向空氣閥。

• 空氣軸

空氣軸將吹灰介質從閥門導入吹灰槍管。空氣軸鍵聯在前端大齒輪上，與大齒輪一起轉動。其一端伸在閥門出口側的填料孔內，由填料密封其與閥門間的轉動部分，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安裝部位反應器的催化劑布置專門設計，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

減速傳動機構由電動機、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，隨其一起轉動。

• 電氣控制箱

電氣控制箱位于吹灰器后端，箱內裝有一個行程開關，行程開關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，設定吹掃一圈。當只裝一彈性銷時，則每次吹掃兩圈。
為適應不同的控制要求，控制箱有兩種形式。一類只裝有行程開關盒按鈕，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器預留口連接的密封接口裝置，同時也是將吹灰器固定在反應器的支撐點上。
2功能原理
SCR系統是以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優先還原為無害的N2和H2O。SCR系統反應器內進行的主要化學反應如下：
O

反應器是SCR系統反應進行的場所，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。反應器本體起支撐催化劑并保持一定的反應條件的作用。吹灰器起保持催化劑表面的清潔的作用。混合導流結構起保持排氣流動均勻的作用。
3安裝布置
3.1外形尺寸
反應器外形圖及相關尺寸見圖3和表3。
 
圖3 反應器外形圖
表3 反應器尺寸重量表

反應器 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系不同，表中所列功率僅供參考，反應器選型時以廢氣流量為參考依據。
3.2安裝布置要求
SCR系統反應器中的吹灰器和其他部件分別包裝，驗收時請您根據裝箱清單核對各個部分是否齊備完好，并與您所訂購產品一致。
在拆除反應器包裝和兩端入口的擋板后，我們建議使用單位應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。請您根據銘牌核對各項參數是否與您所訂購產品一致。
1）反應器安裝位置
SCR系統反應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）反應器安裝支撐
為了使反應器得到充分支撐，建議支撐結構與反應器自帶安裝支座配對加工。考慮到系統反應器存在加工誤差，支撐結構最好選用橢圓型安裝孔。為了減小振動對系統反應器的破壞，應使用彈性連接作為反應器支撐，其中反應器和排氣管之間必須使用波形膨脹節。
注意！錯誤的支撐方式可能會損壞SCR反應器的結構。
 
 
圖4  反應器與膨脹節配合使用
3）反應器安裝
通常情況下，反應器的催化劑和隔熱包覆已經安裝完畢，反應器會整體運送到船廠。安裝反應器前必須關閉柴油機，反應器整體安裝在支座上，再將反應器前后的排氣管和波形膨脹節安裝完畢，最后安裝反應器吹灰器。
a）殼體安裝
安裝SCR反應器時，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反應器法蘭的連接首先需要進行預緊，然后才能最終緊固。
SCR反應器的排污口需要引出，以便及時排出反應器內冷凝水，從而保證其干燥性，防止其影響催化劑使用壽命。
SCR反應器的檢修面板側應該保留有600mm空間，以便打開檢修面板，裝拆催化劑模塊。SCR反應器的窺測孔側應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留一個壓縮空氣接口。窺測孔位置見圖5。
 
 
 
圖5 反應器窺測孔位置圖
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。如果發現該情況的存在，請及時聯系我們。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緊，然后才能最終緊固。
注意！催化劑的安裝過程中應輕拿輕放，任何碰撞和摔落對會造成催化劑不可修復的破壞。
c）隔熱包覆
SCR系統反應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，隔熱包覆結構需避免熱橋。隔熱包覆需滿足船級社和IMO相關規定。
d）吹灰器安裝
在反應器絕熱包覆完成后進行吹灰器的安裝。吹灰器安裝在反應器檢修面板側，重合使用部分檢修空間。
注意！SCR系統反應器的安裝過程中應避免雨水進入。
4使用維護
4.1一般故障分析及排除
反應器是由催化劑、混合導流結構、反應器本體和吹灰器等組成。混合導流結構和反應器本體為鋼結構，一般不會產生故障。催化劑為蜂窩狀陶瓷結構，當長期使用時，特別是排氣中灰分比例高，瀝青質比例高，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，反應器性能下降。SCR系統反應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	故障現象	故障 分析	排除方法
1	有氣體或液體泄露	反應器焊縫開裂	關閉閥門或排凈液體，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
		反應器內有雜物	檢查反應器內是否有雜物，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	控制轉數的齒輪折斷或脫落	更換或復原齒輪
		撞銷沒裝	安裝撞銷
		行程開關失靈	更換行程開關
5	吹灰器電動機過載	吹灰槍管被卡死	檢查反應器內吹灰槍管運動情況
		吹灰槍管嚴重變形	更換槍管

4.2安全保護
使用維護保養過程中，工作人員應遵守以下安全保護要求：

• 未經培訓的人員禁止使用、維護和保養SCR系統反應器。
• 維護和更換催化劑、吹灰器等反應器內部部件時，柴油機必須關閉，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電工證，操作前應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，有問題應立即更換，并定期進行檢查。
• 在電氣設備10m內進行焊接工作時，必須將電氣設備電源切斷；
• SCR系統啟動前，先確保所有維護和修理工作已經結束，所有運動部件上的所有松散零件全部清除，所有人員應離開運動部位的危險區域。
• 反應器應運行在設計參考值范圍內，如反應器超過設計參考值運行，需通知設備廠商。
• 除以上要求外，工作人員需遵守國家相關的安全要求和標準。

4.3維護保養
反應器的日常維護與保養是非常重要的，它不僅能夠保證設備運轉正常，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來完成，以此保證該設備的長期正常運行。具體維護保養工作如下：

1. 催化劑更換

SCR系統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器內部分催化劑孔道，造成反應器壓力損失增大，影響柴油機的正常工作。當SCR系統控制單元發出壓損報警時，柴油機需停機，在反應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悶蓋及絕熱包覆。若反應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。電動機軸承已預潤滑和密封。

5. 日常維護

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