船舶货运是当前世界各国之间贸易往来的主要方式，以燃烧低品质燃油为主的船舶排放已成为全球大气污染的重要因素之一。为降低全球大气污染程度，国际海事组织（IMO）在先后提出了关于船舶柴油机NOX排放的TIER I、TIER II、TIER III标准要求，如表1。  

表1 IMO TIER I、TIER II、TIER III排放标准要求 

TIER III排放标准已从2021年1月1日开始强制执行，在NOx排放控制区航行的船舶必须符合此标准要求。目前全球的NOx排放控制区有：北美、加勒比海、北海、波罗的海等区域。为了有效控制船舶NOX排放，研究人员已经提出多种理论，其中最为广泛、且已经在实船上投入使用的是船舶SCR系统。

1 船用SCR系统原理与结构

根据船用柴油机燃烧及排放过程，满足TIER II标准可以通过改变柴油机具体设计参数，从而改变燃烧过程来实现，如：改变喷油定时、排气定时、燃油压力、气缸压缩体积等参数；满足TIER III标准则可以采用汽缸喷水、燃气回流、SCR脱硝技术等实现。SCR脱硝技术是当前大多数远洋货轮采用的主流脱硝技术。

SCR(selective catalytic reduction reaction）是在高温条件下，在设备反应塔内借助催化剂的催化作用，将尿素溶液热解产生的NH3与排气中的NOX发生催化还原反应，生成无污染的氮气（N2）和水（H2O）排放至大气中，从而降低NOX对大气的污染。SCR系统根据反应器与增压器安装位置分为：HP-SCR（增压器前）和LP-SCR（增压器后）两种类型。无论是HP-SCR还是LP-SCR，其主要组成部件基本相同，包括：反应塔、泵站单元、计量单元、混合管、尿素存储柜、喷射装置、控制单元等。具体配置如图1所示。

1）反应塔：由反应塔体、催化剂、混合导流装置、吹灰器、伴热器等组成，是NOX在催化剂的作用下和NH3发生反应的场所。

2）泵站单元、计量单元：完成SCR系统所需尿素溶液的供给、计量。

3）混合管：尿素溶液热解生成NH3并与柴油机废气在管中混合，为后续反应做准备。

4）尿素存储柜：存储、提供SCR系统运行所需的尿素溶液。

5）喷射装置：完成尿素溶液的雾化、喷射，使尿素溶液与燃气充分混合。

6)控制单元：通过网络系统实现主机工况的监测并控制SCR系统的运行。

图1 SCR系统配置 
当SCR系统运行时，SCR控制单元接受主机控制单元输出的主机运行工况参数，测算出该工况下排气中NOX浓度，并根据此数值向SCR控制装置发出尿素溶液喷射量数值；SCR控制装置给出控制信号控制尿素阀的开度，来控制参与反应的尿素溶液量；同时安装于全系统内的各种传感器对SCR系统中的参数（压差、温度、NOX浓度等）进行测量并把信号反馈到控制单元，形成闭环控制，最终使反应后排入大气的NOX浓度达到排放要求。

2 SCR系统故障分析处理

2.1故障案例

某轮主机型号：6G70MEC-HPSCR-2#;SCR系统型号：HP-SCR VII。该轮xx航次收到航次指令由某国某港装煤去印度。按照航次指示，本航次该轮需要在NOX排放控制区域内航行，因此船舶需要使用LSMGO（硫含量小于0.1%PPM）并且开启SCR对废气进行脱硝处理。在本次主机SCR运行过程中，遇到两次故障：

当完成换油等SCR启动准备工作后，主管人员按下启动按钮，此时系统控制程序首先将RSV(Reactor Sealing Valve反应器密封阀）由全关状态变为全开状态，RTV(Reactor Throttle Valve反应器旁通阀）阀逐渐关闭，最终实现主机排气全部通过SCR反应器。当系统完成阀件转换后，出现了RTV、RBV阀的压差故障报警，随即系统启动失败。

故障原因分析：这种故障一般是因压差传感器故障或者压力取样管路堵塞造成的。由于压差传感器取样管路直接从排烟总管上获取压力信号，排烟中含有的烟灰杂质和潮湿空气容易在取样管路堆积，也容易对管路及压差传感器造成腐蚀，因此取样管路及压差传感器故障率比较高。对上述两压差传感器拆检后发现，果然压差传感器状况正常，没有发现腐蚀现象，只是压差传感器取样管路被烟灰与杂质堵塞。船方人员对管路进行拆解疏通装复后再次启动主机SCR系统，系统运行正常。

排除上述故障，再次启动SCR系统运行约20分钟左右，主机各缸排温迅速上升至420℃，同时主机扫气压力下降；而停止SCR系统运行后，主机各工况立刻恢复正常。靠泊某港后，轮机人员对主机SCR反应器进行了内部检查。反应器内部共3面催化模块，每面分别由32块2*2催化块及8块2*1催化块组成，共计96块2*2和24块2*1催化模块，如图2所示。

图2 反应器内部模块结构 
检查后发现：反应器进口侧，第一面催化模块（烟气进入侧）腐蚀并脏堵严重且变形开裂，部分区域已经破损脱落；第二面、第三面催化块未发现变形、开裂情况，状况基本正常。如图3。

图3 模块腐蚀情况 
故障原因分析：由于空气系统含水较多，SCR反应器内部水汽与烟灰发生酸腐蚀，造成催化剂填料损坏、脏堵，降低了主机排烟流速，从而降低了增压器压气机效率，引起扫气压力下降，使主机排烟温度升高。发现以上状况后，船方紧急更换了SCR反应器内的催化剂填料模块。船舶开航后运行主机SCR时，主机扫气压力、排烟温度均恢复正常，SCR系统运行也恢复正常状态。

2.2 SCR常见故障分析

通过搜集系列船舶SCR系统实际运行中产生的故障并进行归类总结，发现以下几种最为普遍：

2.2.1残存尿素造成机械系统方面故障

SCR(selective catalytic reduction reaction）是利用尿素溶液热解产生的NH3与排气中的NOX发生催化还原反应，降低NOX对大气的污染。但每次SCR系统运行并不能保证尿素还原剂完全反应，均会留下部分尿素残存，这些残存尿素容易造成SCR机械系统方面的故障。

一是残存尿素结晶容易造成反应塔脏赌并腐蚀SCR反应塔。在脱硝塔出厂测试或者上次运行完成后，尿素还原剂反应不充分，剩余尿素残存在催化剂填料表面，造成填料脏赌；长时间后还会对催化剂填料造成一定程度腐蚀，填料腐蚀处变得松软，形成像“风化岩石”一样的粉末状物质。这种粉末状物质聚集在催化剂填料表面，轻则造成主机排温上升、燃烧粗暴；重则导致SCR系统故障停机。

二是残存尿素溶液腐蚀系统膨胀节。系统停止运行后，在反应器进口的导流器处容易残存大量的尿素，造成反应塔进出口的膨胀节腐蚀烂穿，烟气外漏。如果船舶航行期间船上没有备件，应用焊补或者高温填补材料对膨胀节进行临时性修理；若备件充足则应及时更换损坏膨胀节，因此船方人员切要定期检查膨胀节处漏烟状况，确保船舶安全。

三是在停用SCR后，该设备尿素系统的管路尤其是喷头中残存尿素较多，长时间后容易结晶脏赌，造成下次喷射不畅。

2.2.2电气元件故障

远洋船舶处于特殊的工作环境中：如震动、潮湿空气、海水腐蚀、高温、季节变化快等等。这些因素会对SCR系统电气方面及其他部件造成一定程度的损坏。通过对多条船舶的电气元件统计，在SCR系统中最容易损坏的是各个烟气阀的控制装置，即IP转换器（品牌：西门子），也叫电气转换器。该转换器能够接收SCR控制系统信号并将其转换成气压信号，从而按照系统指令相应地控制阀的开关或者开关比例，并显示所控制阀的当前位置。统计发现，此控制器易损件大多集中在控制功能上，对于阀件的监测显示功能还是正常的。此种情况下有两种应急处理方式，保证SCR的正常运行。

方法一，此阀配有专用扳手，在应急情况下，可以选择用专用扳手手动开启或关闭气阀；

方法二，在应急情况下可按照SCR运行步骤程序，用外接气源控制阀的每一步开关或开关比例，从而保证SCR系统按步骤连续运行。这要求一线设备管理人员平时要对SCR系统的运行程序有足够的了解，

3 SCR系统运行中管理与维护保养措施

SCR系统组成部件较多，且工作环境比较恶劣，同时尿素溶液还具有特殊的物理、化学性质，为减少故障，保障SCR系统正常运行，基于上述故障分析，在系统的日常管理与运行过程中应注意以下事项：

3.1 尽量减少尿素溶液的残存

残存尿素造成的机械系统故障是SCR系统最常见的故障。在日常管理中管理人员要充分了解此系统的运行步骤与设计理念，能够把握系统运行的每个时间节点。当每次船舶驶出NECA要停用SCR时，在系统运行到“停止喷射尿素”这一时间节点，除了控制系统正常的吹灰程序外（系统自动设置，对反应塔内进行清洁），还要将系统置于手动位置，让系统再运行一段时间，充分消耗反应塔内部的尿素，尽量减少尿素溶液的残存，避免尿素溶液对催化剂填料及膨胀节的腐蚀。

3.2 加大反应塔内部检查频率

在系统全生命周期内，加大对脱硝塔系统的反应塔内部检查频率，定期用压缩空气等对其清洁，降低反应塔内填料的脏赌程度；如果发现类似上述脏赌情况，船方人员可进入SCR反应塔内部，先用铜制毛刷清洁催化剂填料表面，再用压缩空气对表面进行清洁，然后用吸尘器吸掉表面残存粉末物质。

3.3 定期手动测试尿素喷射系统运行状况

为保证尿素喷射系统功能正常，每六个月手动测试系统运行状况：当尿素喷射压力过高时，检查喷头是否由于尿素结晶堵塞；当尿素供给泵流量低时，检查泵前滤器是否脏赌。

3.4 定期清洁混合器

喷射装置后的混合器，用于形成气旋，保证NH3与NOX充分混合。应定期清洁混合器，防止烟灰堆积，混合不均匀。

3.5 加强SCR空气系统参数日常监控

SCR空气系统用来将压缩空气通过空气管路输送到SCR系统上设置的主要烟气阀（RTV\RBV\RSV）阀后，并在该阀后形成高压空气密封区间，防止烟气泄漏；同时在主机运行过程中，为吹灰装置提供压缩空气气源，防止反应塔内催化剂模块被烟灰堵塞。SCR空气系统由杂用空压机和干燥器组成。日常管理中多关注控制单元显示屏上温度、压力等参数值，保证密封空气供给量正常，从而保证吹扫效果与密封效果；同时监控空气温度，检查空压机及空气干燥器的运行状况，保证空气干燥，防止当有高硫燃油废气泄露至反应器时，空气含水量过多，造成酸腐蚀。

3.6 定期测试系统阀件功能

SCR停用状态时，每月测试SCR系统阀件控制功能与密封功能，确保各阀控制状态正常，以防止由于阀件误动作，造成排烟总管中废气进入到SCR反应塔中。

3.7 定期检查疏通吹灰装置

反应塔内的吹灰装置是为防止反应器内部原件受到污染而安装的。由于反应塔内部是网状结构，在系统运行一段时间后，该网状结构上会粘着积碳、尿素结晶等固体物质。吹灰装置利用高压空气可将固态物质吹走，以保证塔体内部催化剂表面清洁，保证催化反应效率。因此需要定期检查反应塔内部清洁状况，疏通吹灰器喷嘴。船舶航行时吹灰器应置于自动位置。

3.8 HP-SCR系统注意提前换油操作

船用SCR系统按照SCR与主机透平的安装位置可以分为：HP-SCR系统与LP-SCR系统。当为HP-SCR系统时，主、副机既可以使用高硫燃油也可以使用低硫燃油；当为LP-SCR系统时，主、副机则只能使用低硫燃油。若SCR系统为HP-SCR系统，在船舶进入NECA区域之前，需要按照船舶主、副机换油操作程序提前对主、副机进行换油操作，更换为含硫量为0.1%以下的LSMGO。

3.9 系统运行前注意提前预热

为保证催化还原反应运行的最小温度，在SCR温度低于此温度时，SCR系统中的Dosing系统不会启动喷射，因此需要提前对设备进行预热。该温度是随主机负荷变化而变化的，预热时间也不是定值。

3.1 0 注意关注催化剂有效期

现今船舶上SCR系统所使用的催化剂为五氧化二钒。在反应塔内无腐蚀的情况下，催化剂的使用寿命为12000小时或5年。在设备营运期间，要按照设备运行时间与催化剂自身状况及时进行更换。

3.11做好尿素储存

基于尿素的物理、化学性质，尿素存储的适宜温度为5℃-30℃。在尿素存储期间，注意根据尿素存储舱的温度相应调节储存柜冷却管路上冷却水阀的开度，从而延长尿素的保质期。

3.12关注NOX浓度传感器使用寿命

在主机运行状态下，安装于主机排烟管上的NOX浓度传感器(NOX concentration sensors)的使用寿命为2000小时，在超出使用期限时，需要定期更换。为了延长传感器使用寿命，在系统停用或船舶驶出ECA区后可以将探头拆下存放。

3.13定期拆检压差传感器取样管

由于系统各压力传感器取样管安装于主机排烟管路上，在主机运行过程中，排烟中的杂质、烟灰会将管路堵塞，影响数据采集从而造成系统故障，如上例SCR启动所遇故障。因此在设备运行过程中，需要定期拆检取样管路，保证设备运行正常。

4 小结

鉴于船舶远离陆地的特点且SCR设备工作环境的特殊性，要求设备各个配件要具有极高的可靠性、稳定性，也因此对公司与船舶一线管理人员的专业知识提出了更高要求。在SCR系统管理过程中，管理人员应加强对系统的研究与各种状况下应对措施的总结，努力让设备平稳运行，为船舶的安全营运打下坚实基础，也为后期船舶NOX排放控制设备的设计与研究提供最有利的实践经验。
参考文献：
[1]王植富,张志镭,朱世伟.船舶SCR常见故障原因分析与处理[J].青岛远洋船员职业学院学报,2023,44(04):22-25+29.