简介
1.1 Briefs
SCR技术是以NH₃为还原剂，利用其对NO_X的高选择还原性，将NO_X优先还原为N₂和H₂O的废气后处理技术。与其它降低NO_X排放的技术相比，SCR的NO_X转化率最高，技术最成熟可靠，并且对柴油机性能和零部件影响较小。目前，选择性催化还原（SCR）被认为是能使船用柴油机NOX排放满足未来相关法规的主要技术手段。
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.
反应器是船用中高速柴油机SCR系统的核心部件，它由催化剂、反应器本体、混合导流结构和吹灰器等组成。废气通过反应器中的催化剂时，有害物质NOX在催化剂的作用下和NH3反应生成无害的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主要技术指标
SCR反应器主要性能指标如表1所示：
表1  SCR反应器主要性能指标

序号	项目	单位	数值/规格	备注
	NOX转化率	/	≥80%
	NH3漏泄量	ppm	≤10
	压力损失	Pa	≤1200	最大适用流量情况时
	催化剂寿命	h	工作寿命≥16000	使用指定含硫量的燃油
	隔热	-	符合排气管隔热安全防护要求

1.3组成
反应器由催化剂、反应器本体、混合导流结构和吹灰器等组成，各部件的结构图见图1所示。
 
 
 
 
 
图1  反应器结构图
1）催化剂
反应器选用V2O5/TiO2催化剂。V2O5/TiO2催化剂以TiO2作为载体，V2O5为主要活性成分。其优点是：表面呈酸性，容易结合碱性的氨，使其在催化剂表面进行反应；活性温度区间与船用柴油机排气温度区间匹配佳；抗SO2 中毒能力较强，能够适应船用燃油的含硫特性，能够长期稳定工作；成本较低，适合广泛应用。    a）催化剂的理化指标如表2所示。
表2  催化剂的理化指标

名称		单位	检测值
几何特性	孔数	/
	断面横向长度	mm
	断面纵向长度	mm
	单元体长度	mm
	内壁厚度	mm
	外壁厚度	mm
	孔径	mm
	节距	mm
	开孔率	%
	几何比表面积	m2/m3
微观比表面积	BET	m2/g
强度	轴向抗压强度	kg/ cm2
	径向抗压强度	kg/ cm2
	抗磨强度 （质量损失方式）	g
化学成分	TiO2	%
	WO3	%
	SiO2	%
	CaO	%
	Al2O3	%

b）催化剂寿命
船用燃料质量一般较差，废气中硫、杂质、颗粒物含量很高。硫、杂质、颗粒物对催化剂寿命、催化效果等影响极大。安装SCR系统的柴油机使用的燃油应当满足GB/T 17411-2012《船用燃料油》的要求。若柴油机使用的燃油不能满足SCR系统要求，废气中硫、杂质或颗粒物含量比约定的值还要高，长期使用将影响催化剂寿命和催化效果。此时可以采用定期抽样单个载体进行检测和分析的方法，确保反应装置的可用性。
催化剂活性低于70%时应更换，通常情况下（柴油机使用含硫量1%的燃油），建议在使用16000h后更换。
2）反应器本体
反应器本体由进出口法兰、锥壳、SCR段壳体、催化剂框架、支座、吊环、泄水组件、加强筋等组成。
反应器本体主要由不锈钢焊接而成，反应器本体主要起支持固定催化剂的作用，同时反应器本体能耐受一定的内压和废气管路的拉力和压力，下图为经过有限元强度计算的反应器本体应力和安全系数图，其最大应力为96.52MPa，相应的安全系数最小值为2.36。
 
 
 
 
图2 反应器应力和安全系数图

1. 进出口法兰

反应器进出口法兰使用CB/T3766《船用排气管法兰》AS型标准法兰，公称压力0.1MPa，可以满足反应器的所有工况下的工作压力，并与船上管路法兰相互配合。

2. 锥壳

反应器锥壳的作用是将柴油机废气流速降低，以使废气进入催化剂时达到额定流速。入口锥壳内布置混合导流结构，使废气均匀的分布在反应器截面上，从而使废气充分接触催化剂，确保NOx转化率达到设计要求。

3. SCR段壳体

SCR段壳体内布置催化剂和吹灰器，在检修端设置检修口，用来检修和更换催化剂使用。

4. 催化剂框架

    催化剂框架安装在SCR段壳体内，用来支撑催化剂，确保在船舶横向、纵向最大倾斜角度时，催化剂稳固没有晃动。

5. 支座

    根据SCR系统反应器的安装方式，可以选择卧式支座或立式支座，支座焊接在反应器的加强结构上。

6. 吊环

吊环在SCR系统反应器装卸时吊装使用，吊环的承载能力大于反应器重量，吊环安装在反应器的加强结构上。

7. 泄水组件

泄水组件用来泄放反应器中的水，正常情况下泄水组件只用来排放反应器内的冷凝水，泄水组件需接至污水槽。

8. 加强筋

由于反应器是薄板壳体焊接结构，反应器外部的筋加强可以增强反应器相对薄弱位置。
3）混合导流结构
反应器混合导流结构由导流环、导流板、前支撑板和后支撑板组成，混合导流机构安装在SCR系统反应器内，导流装置将扩张腔划分为多个流动通道，废气等速度进入每个通道，由于每个通道出口面积和入口面积比相同，所以废气等速度流出每个通道，从而保证进入催化剂的废气流速相同，提高NOx转化效率。
4）吹灰器
SCR系统反应器使用的固定旋转式吹灰器，该型吹灰器主要由阀门、空心轴、吹灰枪管、减速传动机构、电气控制箱、接口装置等组成，各部件的主要结构和功能如下：

• 阀门

阀门用于控制吹灰介质，是吹灰器的主要部件，位于吹灰器下部，因其形如鹅颈，俗称鹅颈阀。吹灰器的大部分部件都支撑在此阀门上。
阀门有压力调节装置，可以根据现场的吹灰要求进行压力调节，阀门上装有启动臂，由凸轮操作，开启和关闭阀门。
阀门上装有单向空气阀。

• 空气轴

空气轴将吹灰介质从阀门导入吹灰枪管。空气轴键联在前端大齿轮上，与大齿轮一起转动。其一端伸在阀门出口侧的填料孔内，由填料密封其与阀门间的转动部分，另一端通过管接头与吹灰枪管对接。

• 吹灰枪管

吹灰器的吹灰枪管根据安装部位反应器的催化剂布置专门设计，上面装有多个喷嘴，故又称多孔管。吹灰枪管前端为旋压封头或堵板封头，后端加工有螺纹，与空心轴对接。

• 减速传动机构

减速传动机构由电动机、蜗杆箱（一般减速比为1:60）和一组开式传动的齿轮组成。开式齿轮副上设有齿轮罩。空心轴和操作阀门的凸轮装在末级大齿轮上，随其一起转动。

• 电气控制箱

电气控制箱位于吹灰器后端，箱内装有一个行程开关，行程开关由蜗轮轴传动的齿轮控制。出厂时，控制齿轮上装有两个弹性销，设定吹扫一圈。当只装一弹性销时，则每次吹扫两圈。
为适应不同的控制要求，控制箱有两种形式。一类只装有行程开关盒按钮，控制箱外形尺寸较小。另一类装有交流接触器、空气开关等电气元件，控制箱尺寸较大。

• 接口装置

接口装置是吹灰器与反应器预留口连接的密封接口装置，同时也是将吹灰器固定在反应器的支撑点上。
2功能原理
SCR系统是以NH3（尿素水溶液）为还原剂，利用其对NOX的高选择还原性，将有害的NOX优先还原为无害的N2和H2O。SCR系统反应器内进行的主要化学反应如下：
O

反应器是SCR系统反应进行的场所，其功能是通过催化剂的催化作用，将氮氧化物快速还原成氮气和水。反应器本体起支撑催化剂并保持一定的反应条件的作用。吹灰器起保持催化剂表面的清洁的作用。混合导流结构起保持排气流动均匀的作用。
3安装布置
3.1外形尺寸
反应器外形图及相关尺寸见图3和表3。
 
图3 反应器外形图
表3 反应器尺寸重量表

反应器 型号	适用柴油机		外形接口尺寸					重量（t）
	功率 （kW）	废气流量 （kg/h）	出口D2 （mm）	入口D1 （mm）	L (mm)	W (mm)	H (mm)

注：由于不同柴油机的功率和废气流量关系不同，表中所列功率仅供参考，反应器选型时以废气流量为参考依据。
3.2安装布置要求
SCR系统反应器中的吹灰器和其他部件分别包装，验收时请您根据装箱清单核对各个部分是否齐备完好，并与您所订购产品一致。
在拆除反应器包装和两端入口的挡板后，我们建议使用单位应该首先检查部套的外观，特别注意是否存在因运输引起的损坏以及部套进出口管的清洁度。每个部套都配带铭牌，其上标明了型号、尺寸、制造商、出厂日期和重量等。请您根据铭牌核对各项参数是否与您所订购产品一致。
1）反应器安装位置
SCR系统反应器一般安装在船舶排气管围井中。它在柴油机的排气管系中的位置，一般处于柴油机涡轮增压器之后，并且在余热锅炉和消音器之前。
2）反应器安装支撑
为了使反应器得到充分支撑，建议支撑结构与反应器自带安装支座配对加工。考虑到系统反应器存在加工误差，支撑结构最好选用椭圆型安装孔。为了减小振动对系统反应器的破坏，应使用弹性连接作为反应器支撑，其中反应器和排气管之间必须使用波形膨胀节。
注意！错误的支撑方式可能会损坏SCR反应器的结构。
 
 
图4  反应器与膨胀节配合使用
3）反应器安装
通常情况下，反应器的催化剂和隔热包覆已经安装完毕，反应器会整体运送到船厂。安装反应器前必须关闭柴油机，反应器整体安装在支座上，再将反应器前后的排气管和波形膨胀节安装完毕，最后安装反应器吹灰器。
a）壳体安装
安装SCR反应器时，需检查密封垫片是否完好。建议在密封垫片表面和六角螺栓上涂抹耐高温石墨润滑油。SCR反应器法兰的连接首先需要进行预紧，然后才能最终紧固。
SCR反应器的排污口需要引出，以便及时排出反应器内冷凝水，从而保证其干燥性，防止其影响催化剂使用寿命。
SCR反应器的检修面板侧应该保留有600mm空间，以便打开检修面板，装拆催化剂模块。SCR反应器的窥测孔侧应保留有单人操作空间，以便观察催化剂表面状况和积灰情况，并进行手动压缩空气清灰。建议在窥测孔附近预留一个压缩空气接口。窥测孔位置见图5。
 
 
 
图5 反应器窥测孔位置图
b）催化剂更换
催化剂使用到达寿命时需更换催化剂，更换前需检查新催化剂模块是否完好，特别注意是否存在催化剂单体的破损。如果发现该情况的存在，请及时联系我们。建议在检修盖板密封垫片表面和六角螺栓上涂抹耐高温石墨润滑油。且检修盖板的连接首先需要进行预紧，然后才能最终紧固。
注意！催化剂的安装过程中应轻拿轻放，任何碰撞和摔落对会造成催化剂不可修复的破坏。
c）隔热包覆
SCR系统反应器更换催化剂前需拆掉检修口的隔热包覆。更换催化剂后，需将隔热包覆复原。隔热包覆推荐采用厚100mm岩棉板毡（密度＞80kg/m3），其外包覆0.7mm镀锌铁皮，隔热包覆结构需避免热桥。隔热包覆需满足船级社和IMO相关规定。
d）吹灰器安装
在反应器绝热包覆完成后进行吹灰器的安装。吹灰器安装在反应器检修面板侧，重合使用部分检修空间。
注意！SCR系统反应器的安装过程中应避免雨水进入。
4使用维护
4.1一般故障分析及排除
反应器是由催化剂、混合导流结构、反应器本体和吹灰器等组成。混合导流结构和反应器本体为钢结构，一般不会产生故障。催化剂为蜂窝状陶瓷结构，当长期使用时，特别是排气中灰分比例高，沥青质比例高，容易造成催化剂表面积灰，部分蜂窝孔堵塞，造成压力损失升高，反应器性能下降。SCR系统反应器的一般故障分析及其排除方法见表4。
表4一般故障分析及其排除方法

序号	故障现象	故障 分析	排除方法
1	有气体或液体泄露	反应器焊缝开裂	关闭阀门或排净液体，补焊漏液焊缝
		法兰松动	密封圈更换、螺栓紧固
		螺纹松动	拆卸螺纹件，检查螺纹是否损坏，如损坏需更换配件；检查螺纹密封胶
2	压力损失过高	催化剂堵塞	检查吹灰器是否正常工作，检查催化剂堵塞情况，如催化剂使用时间超过16000小时需更换催化剂
		反应器内有杂物	检查反应器内是否有杂物，去除影响压力损失的杂物
3	吹灰器不能启动	保险丝烧断	更换保险丝
		接触器启动故障	检查控制电源，检查启动按钮接触情况，检查热继电器触点
4	吹灰器不能停止	控制转数的齿轮折断或脱落	更换或复原齿轮
		撞销没装	安装撞销
		行程开关失灵	更换行程开关
5	吹灰器电动机过载	吹灰枪管被卡死	检查反应器内吹灰枪管运动情况
		吹灰枪管严重变形	更换枪管

4.2安全保护
使用维护保养过程中，工作人员应遵守以下安全保护要求：

• 未经培训的人员禁止使用、维护和保养SCR系统反应器。
• 维护和更换催化剂、吹灰器等反应器内部部件时，柴油机必须关闭，待高温部件冷却后实施操作，以免烫伤。
• 实施电气操作的工作人员必须持相应电工证，操作前应仔细检查操作工具的绝缘性能，绝缘鞋、绝缘手套等安全用具的绝缘性能是否良好，有问题应立即更换，并定期进行检查。
• 在电气设备10m内进行焊接工作时，必须将电气设备电源切断；
• SCR系统启动前，先确保所有维护和修理工作已经结束，所有运动部件上的所有松散零件全部清除，所有人员应离开运动部位的危险区域。
• 反应器应运行在设计参考值范围内，如反应器超过设计参考值运行，需通知设备厂商。
• 除以上要求外，工作人员需遵守国家相关的安全要求和标准。

4.3维护保养
反应器的日常维护与保养是非常重要的，它不仅能够保证设备运转正常，而且使所有元器件有序可查。日常维护工作需要每个操作和维护人员尽心尽责来完成，以此保证该设备的长期正常运行。具体维护保养工作如下：

1. 催化剂更换

SCR系统催化剂在运行额定时间或检测失效后需要进行更换。若反应器至柴油机之间的管路没有弯头及除灰/雨水收集口，需要在拆卸催化剂时在入口法兰处衬以隔板，防止掉落的积灰沿排气管路进入柴油机的涡轮增压器。建议重新安装入口法兰和检修面板时，需要在法兰孔和螺栓上涂抹耐热石墨润滑油。

2. 失效催化剂处理

SCR系统失效催化剂中含有大量重金属，而且其表面会附着或沉积危险污染物，因此，失效催化剂属于危险固体废物。对失效催化剂可采取集中填埋处理。由于其属于危险固体废物，必须在获得许可的危险废弃物处理厂进行处理。

3. 手动除灰

排气中的灰分会堵塞反应器内部分催化剂孔道，造成反应器压力损失增大，影响柴油机的正常工作。当SCR系统控制单元发出压损报警时，柴油机需停机，在反应器冷却后进行手动除灰。手动除灰时，首先拆除窥测孔处的隔热包覆，然后打开窥测闷盖，观察催化剂端面的积灰状况，接着引入一路压缩空气，对催化剂端面进行手动除灰。手动除灰完成后恢复闷盖及绝热包覆。若反应器至柴油机之间的管路没有弯头及除灰/雨水收集口，需要在手动清灰时在入口法兰处衬以隔板，防止掉落的积灰沿排气管路进入柴油机的涡轮增压器。建议重新安装窥测闷盖时，需要在法兰孔和螺栓上涂抹耐热石墨润滑油。
注意！只有在反应器冷却后，才能进行手动除灰。

4. 吹灰器

维修吹灰器前需切断电源和气源，以防吹灰器意外启动和吹灰器阀门开启。蜗杆减速箱需要润滑，添加润滑油约0.25升。蜗轮箱上有两个油嘴，用来润滑蜗杆两端的轴承。电动机轴承已预润滑和密封。

5. 日常维护

对压缩空气压力及设备运行状态进行每日检查，观察是否有异常现象。每周进行管路泄漏的检查，确保没有漏液漏气现象。
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