以SCR系统为基础的船舶排放设计和测试分析

摘要：现代航运业，国际海事组织IMO以立法的形式制定了《国际防止船舶污染公约》以降低船舶对海洋和大气环境的污染，全球各国家科学文明的发展对环境保护越来越重视，海运作为主要的客运、货运方式之一，需要重视排放和做好监管治理，这为其动力系统以及有关尾气处理技术的发展、运用提供了应用技术和广阔市场空间。本文以SCR系统为中心，首先分析其原理、优势，在此基础上研究以SCR系统为基础的船舶排放设计和测试方法，包括基本思路、关键实现技术、智能测试等内容，最后通过未来工作需求，对上述理论进行佐证，以服务未来船舶排放有关管理活动，匹配可持续发展、碳排放控制大环境要求。

关键词：SCR系统；船舶排放设计；测试分析；智能技术

前言：船舶是重要的客运、货运工具，在海运、内河航运方面均发挥重要作用，我国对外贸易、沿海省份贸易活动，均依赖海运提供支持，从船舶制造及尾气排放控制的角度出发，2018年中国交通运输部印发了《船舶大气污染物排放控制区实施方案的通知》，改善碳排放，控制污染，保护海洋生态环境，法律法规生效。SCR（Selective Catalytic Reduction；SCR）系统以及对应技术在此背景下应运而生。从特点上看，SCR系统可以直接减少温室气体排放（重点关注对氮氧NOx化合物排放控制）。以转速低于130 rpm的低速柴油机为例，在国际控制标准上，Tire III模式下NOx化合物排放水平不高于3.4 g/kW.h。在不影响船舶基本性能、动力系统工作质量的情况下，提升环保能力[1]。进一步分析又可发现，当前针对SCR系统的研究已经较多，对有关信息进行汇总，探讨以SCR系统为基础的船舶排放设计和测试系统，有助于进一步彰显技术优势，服务其运用，提高船舶设计水平和环保效应。

1.SCR系统及其应用优势

SCR（Selective Catalytic Reduction）系统，即选择性催化还原技术系统，主要针对柴油动力系统排放的氧化氮类气体进行处理，借助催化剂，将尿素、还原剂氨等与高温高压状态的尾气充分混合，在反应装置快速完成还原作业，将NOx化合物气体转化为无污染的气态H2O（即水）、N2（氮气），控制柴油系统对空气的污染。目前主要催化剂包括贵金属和非贵金属两类。近5年，SCR系统在各类柴油动力系统中的已普遍运用，其工作效果比较理想，但由于成本、工艺管理、机械设计因素的影响，仍有进一步改善、优化的空间和必要性。SCR系统的应用优势主要为控制温室气体排放，进而减少柴油动力系统的污染问题，降低酸雨等环保问题的发生率，削减环保方面的开支和管理难度，也有助于在维持以柴油为航运动力的同时实现碳中和[2]。SCR技术是一种环境友好型的减排技术。

2.以SCR系统为基础的船舶排放设计和测试方法

2.1基本设计思路

从思路上看，当前船舶的动力系统以及其工作机理并无变化，为发挥SCR系统的作用，加以在常规柴油动力系统之外建设反应区，独立进行尾气排放处理，该系统的设计见图1：

按照图1所示模式，船舶的柴油动力系统进入工作状态后，产生各类废气，其中含氮废气通过采集系统完成采集，并集中输入反应区，同步启动SCR系统，利用控制阀将催化剂、尿素、还原剂氨等投入反应区，实现各类气体的混合和催化反映，生成的气态H2O（即水）、N2（氮气）等，集中接受检测，根据其成分构成情况，分析反应是否充分，评估待排放的混合物是否满足环保要求，根据分析结果确定后续处理方式，符合排放标准可允许排放，反之则进行重复处理，直到满足排放要求。

2.2实现关键点

图1设计的实现，关键点在于三个方面，一是封闭性较强耐腐蚀耐高温的反应空间，二是合理的工作参数，三是较强的终端、次终端和远程控制能力。反应空间的建设根据船舶工作需求具体确定，排放废气较多的船舶，其反应区间也应较大，完成建设后通过气密性测试分析其封闭效应，封堵可能漏气的区域。在此基础上确定工作参数，避免催化剂、反应气体过量投入或投放不足的情况，可以采用模拟分析的方式确定作业需要，必要时借助现场分析的方式加以论证，并考虑纠偏需求，如气体或催化剂的合理损耗与补充等等。终端、次终端和远程控制方面需求各有差异，终端控制应以机械设备和智能技术为主，提升工作效率、避免安全问题。次终端和远程管理均依赖人工提供支持，包括控制阀的启闭、程序的设定以及工作系统软件硬件的配置等等。

2.3测试方法

按照图1所示模式，系统工作效果需要利用技术设备和工作程序进行测试，以评估反应效果，分析SCR系统是否发挥了预期作用，船舶柴油机排放的废气是否满足环保要求。该系统可以采用智能作业技术，配置智能评估模块、传感器模块以及其他辅助系统，利用实时采集、实时对照、实时分析相结合的方式，进行信息评估，服务后续作业。

按照图1所示模式，SCR系统启动后，利用催化剂以及尿素等，完成与柴油机废气的混合与反应。反应完成后，其生成后由传感器进行采集，根据排放量设置采样周期T获取每一份样本，送交智能仪器检测中心。传感器采集的实时信息，以混合物中不同物质的比例为中心，包括氮气、水分子等。根据图2，在反应充分、彻底的情况下，氮气、水分子含量之和应达到100%，考虑到反应过程可能出现一些动态因素，可设定其“合格范围”标准为氮气、水分比例之和达到95%以上，允许混合的生成物中含有其他杂质（极少量氧化硫）以及少量的未反应物（氧化氮等）。智能系统完成判断后，结合结果给出处理意见，当测试结果表明混合物中各类物质含量合格，可允许排放，反之则进行记录、发出警报，组织后续处理。

未来也应建设反馈机制，对既有工作系统功能进行分析和优化，持续改善SCR系统应用质量，服务船舶设计以及废气排放管理。

结论

综上所述，以SCR系统为基础的船舶排放设计、测试分析，应关注合理进行工作逻辑设定，以及机械方面的必要调整提供辅助。实际工作中，考虑到SCR系统对环保工作、航海排放管理的积极价值，应重视其应用设计，提供完善、简练的机械模型，通过智能技术进行工作状态的监测，并做必要的反馈和优化。以智能技术为中心、机械调整为辅助的思路适用性广，有助于改善船舶排放管理质量，未来工作中可加以重视、寻求推广。

参考文献

[1]李佳妮，唐秋来，丁扬，等. 船舶涂装VOCs无组织排放治理装置的改进设计 [J]. 机电设备， 2024， 41 （06）： 9-12+36.

[2]陈继峰，张卓. 满足2050温室气体排放的船舶燃料舱舱容设计分析 [J]. 船舶设计通讯， 2024， （01）： 74-81.

[3]中国船舶高压SCR系统原理和设计篇 2023