ERCS 旨在根据 2016 年 1 月起生效的 IMO Tier III 要求减少废气中的氮氧化物 (NOx) 排放。减少 NOx 的技术多种多样，包括废气再循环 (EGR)、选择性催化还原 (SCR)、甲醇水 (LGIM-W) 和低压燃气主机 (ME-GA)。笔者只接触过选择性催化还原 (SCR) 技术。
SCR（选择性催化还原）是一种用于减少主机废气中氮氧化物（NOx）的技术。NOx包括二氧化氮（NO2）和氮氧化物（NO），它们会导致地面臭氧的形成和酸雨，并造成其他环境影响。
SCR 的工作原理是利用催化剂和还原剂将废气中的氮氧化物 (NOx) 分解成氮气和水。常见的还原剂包括无水氨 (NH3)、氨水 (NH4OH) 和尿素 (CO(NH2)2)。
事实上，SCR并非一项新技术。它自1957年左右就已在美国和日本的发电厂、锅炉和工厂中使用。其在船舶上的应用始于1980年左右。
自2016年IMO Tier III氮氧化物减排法规生效以来，SCR在船舶上的应用日益广泛，SCR可将尾气中的氮氧化物减少90%以上。
SCR 的工作原理
我所描述的SCR系统使用尿素作为还原剂。该SCR系统类型为现代的NO NOx催化剂，并使用柱撑层间粘土（PILC）（Pillared Inter-Layered Clay）作为催化剂。该催化剂位于反应室内。
SCR 反应器中的催化剂图像
主机的 SCR 为高压型 (HP-SCR)，而发电机的 SCR 为低压型 (LP-SCR)。区别在于位置：HP-SCR 位于涡轮增压器之前，而 LP-SCR 位于涡轮增压器之后。然而，两者的氮氧化物 (NOx) 还原原理相同。
高压SCR（HP-SCR）
HP-SCR示意图
当主机以 TIER III 模式运行时，废气不会进入涡轮增压器，而是直接从排气歧管流入 SCR 反应室。在进入反应室之前，液态尿素会通过汽化器/混合器的喷嘴喷入废气管路。尿素会在废气温度的作用下转化为氨。
当含有氨的废气进入反应室时，氨在催化剂的作用下与氮氧化物发生反应，将氮氧化物转化为氮气和水。这一过程减少了从反应室排出的废气中的氮氧化物含量，使其在进入涡轮增压器并最终排放到外部大气之前就被去除。
在SCR工艺中，最关键的因素是废气温度。废气温度不足会导致SCR反应器中形成硫酸氢铵(ABS)，如果温度低于200°C，硫酸就会凝结。相反，废气温度过高会增加反应器内SO3的形成。
SCR控制系统
SCR控制系统可分为ERCS（减排控制系统）和SCR控制站两部分。
ERCS 由 MAN B&W 提供，并与主机控制系统 (ECS) 协同运行。本文讨论的 SCR 控制系统是现代的 NO NOx 系统。它同时控制主机的 HP-SCR 和发电机的 LP-SCR。对于 LP-SCR，它独立运行；而对于 HP-SCR，它与 ERCS 协同运行。
ERCS 包含两个 MPC（多用途控制器）：SCR I1 和 SCR CU。SCR I1 负责与 ERCS MOP和 ECS（主机控制系统）连接。ECS 向 SCR I1 提供主机负载和燃油数据，SCR I1 计算并确定 SCR 系统所需的必要温度值和最小温差。然后，SCR I1 设置阀门的开启和关闭点，以将所需的温差保持在规定范围内。此外，它还设置尿素的喷射率。
SCR CU 负责根据 SCR I1 指定的设定值操作阀门。SCR CU 接收来自 SCR I1 的设定值数据以及系统内压力和温度传感器的数据。然后，它将 SCR 过程的指令发送到 SCR 控制站。
ME-ECS、ERCS 和 EMS 之间的接口
SCR 本地控制
HP-SCR
SCR 管线布置
SCR 操作
为了操作 SCR，需要使用以下阀门：
反应器旁通阀（Reactor Bypass Valve）
反应器节流阀（Reactor Throttle Valve）
反应器密封阀（Reactor Sealing Valve）
气缸旁通阀（Cylinder Bypass Valve）
排气旁通阀（Exhaust Bypass Valve）
如果船舶位于排放控制区 (ECA) 之外，且主机处于 TIER II 模式，废气将绕过 SCR 反应器，直接进入涡轮增压器。此时，反应器旁通阀 (RBV) 将完全打开，而反应器密封阀和反应器节流阀将关闭。
IER II SCR 脱离
RSV 至 SCR 反应器
要进入排放控制区 (ECA) 并切换到 TIER III 模式，必须在到达 ECA 之前准备好 SCR 系统。要从 TIER II 过渡到 TIER III，必须从 ECR控制主机。将车钟设置为与驾驶室匹配，更改指令，然后从主机控制系统主操作面板 (MOP) 切换到 TIER III。
如上所述，保持 SCR 反应室内的正确温度对于有效减排至关重要。在过渡到 TIER III 时，SCR 系统最初会允许部分废气通过反应室，以便在尿素喷射开始前提供热量。反应室还包含一个电加热器，以确保温度升至 200°C 以上。
SCR 反应器室
SCR 加热
切换到TIER III时，反应室密封阀（RSV）和反应室节流阀（RTV）都会打开。RSV是完全开启/关闭型，而RTV则根据需要调整其位置进行开启和关闭。
为了确保SCR反应室达到足够的温度，从歧管到反应室的废气温度必须保持在ERCS规定的温差范围内。因此，RTV会监测SCR反应室入口和涡轮增压器入口之间的温差，并相应地调整其开启和关闭，以维持所需的温度。
SCR 加热过程中的 ERCS MOP 视图
上图显示了 SCR MOP。图中可以看出，SCR 设置为 TIER III 自动模式。SCR 状态为加热。RTV 开启 36%，RBV 完全开启 100%。涡轮入口温度为 378 华氏度（约 174 摄氏度），SCR 出口温度为 139 华氏度（约 53 摄氏度）。系统规定 SCR 入口和 TC 入口之间的温差应低于 60 华氏度（约 15 摄氏度）。为了达到此目的，需要调节 RTV 以保持此温度范围，并相应提高 SCR 出口温度。
当SCR出口温度升高时，系统保持RTV开启度为100%，此时RBV开始关闭。
RTV 完全打开且 RBV 开始关闭
当主机低负荷运转且废气温度较低时，反应室可能没有足够的热量。为了解决这个问题，安装了气缸旁通阀 (CBV)。该阀将扫气从气缸单元重新引导回涡轮增压器进气口。当废气温度较低时，CBV 会根据需要打开，以减少扫气量，从而有助于提高废气温度。在 SCR 运行期间，CBV 会调节其开合，以保持稳定的温度水平，即使主机负荷发生变化。
气缸旁通阀
如上所述，反应器节流阀 (RTV) 根据 SCR 入口和涡轮增压器 (TC) 入口温度之间的温差来调整其运行。当 CBV 打开时，扫气会进入 TC 入口，这会影响 TC 入口温度测量的准确性。因此，在此期间，RTV 会切换到使用 SCR 出口温度而不是 TC 入口温度。它会比较 SCR 出口温度和 SCR 入口温度来调整其开启和关闭。此变化可在 SCR MOP 面板上的拨动开关显示屏上看到。
ERCS MOP 上的 CBV 打开状态
反应器密封阀、反应器节流阀、反应器旁通阀和气缸旁通阀均由 SCR-CU MPC（多用途控制器）控制。SCR-CU MPC 还负责管理整个 SCR 工艺过程中的温度设定值。这些设定值并非固定不变，会根据主机运行状况而变化。
除了这些阀门外，另一个关键阀门是EGB（排气旁通阀）。与其他阀门不同，EGB由主机控制系统的SCU（扫气控制单元）而非SCR系统管理。在主机低负荷工况下，EGB阀门保持关闭。当主机负荷增加时，EGB阀门打开，将废气从涡轮增压器排出，直接输送至涡轮增压器出口。这有助于防止涡轮增压器过压，并有助于控制流向SCR系统的废气流量和温度。
EGB 布置
当反应器节流阀 (RTV) 完全打开至 100% 时，反应器旁通阀会逐渐完全关闭。此时，如果进入反应器的温度过高，反应器旁通阀可能会再次打开，而反应器节流阀则会关闭。一旦温度稳定并处于可接受的范围内，反应器旁通阀将完全关闭，使废气完全流入反应器腔室。这标志着尿素喷射开始。
尿素喷射启动状态
为了防止反应器室内因废气而形成烟灰，安装了吹灰装置。反应器密封阀 (RSV)、反应器节流阀 (RTV)、反应器旁通阀 (RBV) 和气缸旁通阀 (CBV) 由 MAN B&W ERCS 的MPC控制，而吹灰系统则由现代的无氮氧化物 SCR 控制系统管理。
吹灰过程在尿素投加开始前开始。吹灰系统空气消耗率高，因此安装了两台SCR压缩机。如果SCR压缩机发生故障，则有一条备用管路从主空气瓶中抽取空气。
吹灰器通过依次打开电磁阀进行吹灰。有时，如果阀门密封不良，可能会出现漏气，导致气瓶压力持续下降。这会导致喷射空气不足，吹灰空气压力下降，从而导致系统跳掉。
反应器上的吹灰装置
一旦 SCR 室内的温度稳定，达到足够的热量，整个 SCR 系统的温度差异最小化，并且吹灰过程完成，就开始尿素喷射。
开始加注前，用气压清洁加注管路。之后，ERCS 指定加注速率，尿素加注单元根据该速率通过喷嘴分配尿素。
HP-SCR 上的 SCR 啮合
尿素加药站
尿素由泵从尿素储罐输送至加药站。在加药站，尿素流量控制器按照ERCS规定的尿素加药速率，将尿素与空气混合，然后喷射到废气中。
尿素供应及相关组件
排气管上的 SCR 喷嘴
尿素喷射（SCR 激活）
在上图中，一旦开始尿素喷射，SCR MOP 将显示 SCR 状态为“喷射（SCR 激活）”并且 TIER III 操作已经开始。
正如本文开头所述，尿素与废气接触后会转化为氨。氨随后进入反应室，在催化剂的作用下，废气中的氮氧化物（NOx）被转化为氮气和水。最终，还原了氮氧化物的废气从反应器排出，进入涡轮增压器。
HP-SCR的NOx传感器
为了监测氮氧化物的减排效果，在涡轮增压器入口处安装了一个氮氧化物传感器。由于成本高昂且传感器的运行寿命限制为2000小时，我运营的船舶使用了TIER II传感器，当其发生故障时，需要更换新的传感器。对于TIER III，在涡轮增压器处安装了一个氮氧化物传感器。
据 MAN B&W 介绍，这款氮氧化物传感器最初设计用于重型卡车发动机，但也兼容二冲程发动机，并符合海事法规。由于该传感器经常暴露在废气中，且使用寿命有限，因此使用了两个传感器。使用两个传感器可以比较它们的数值，并有助于检测传感器漂移或故障。
NOx 传感器组件
NOx 传感器使用 CAN 总线进行数据传输。由于 SCR CU MPC 无法直接处理 CAN 总线，因此使用 PLC 控制单元进行信号转换。PLC 将来自 NOx 传感器的 CAN 总线信号转换为 4-20 mA 信号，然后发送至 SCR CU。
NOx 传感器接线盒
主机排气口上的 NH3 传感器
为了检测潜在的氨过量添加，或氨在反应器内残留且未被充分利用（即氨泄漏），在主机排气口处安装了氨传感器。如果氨浓度超过设定限值，就会触发警报。
在我的船上，我们使用可调谐二极管激光光谱仪来测量氨浓度。主机排气管的一侧安装了一个激光发射器。不同的气体会吸收特定波长的光。激光发射器发射的光的波长与氨的吸收波长相匹配。这些光随后被排气管另一侧的激光接收器接收。传感器根据接收到的光计算出氨的浓度。
有时，激光发射器和接收器的玻璃上可能存在污垢，导致传感器出现错误。使用合适的清洁剂清洁玻璃通常可以解决这些问题。
NH3 传感器
NH3 传感器内部的玻璃
通风系统
当 SCR 系统处于停机状态时，会安装一个排气系统，以防止反应室内形成硫酸。该系统确保新鲜空气在反应器内循环，防止废气回流，并在 SCR 停止运行期间保持反应器清洁。该排气系统仅适用于 HP-SCR 系统，LP-SCR 系统不安装。
通风供气系统
过压控制
为了防止 SCR 管路内压力过高，安装了过压控制系统。该系统仅适用于 HP-SCR 系统，不适用于 LP-SCR 系统。如前所述，反应器节流阀按比例运行。为了应对涡轮增压器和 SCR 出口之间压力差异过大的情况，该系统设计为打开反应器密封阀来弥补压力差异。
HP-SCR 上的过压控制
反应器节流阀监测一侧的压力。如果压力超过设定点，反应器密封阀就会打开。该设定点的推荐值在0.5至0.8bar之间。如果设定点过低，反应器密封阀可能会间歇性打开，导致SCR运行不稳定。相反，如果设定点过高，则可能危及SCR的安全性。
SCR压力控制气动图
在SCR压力控制气动图上，P1 和 P2 之间的压差触发阀门 A。阀门 A 切断控制方向阀 B 和 C 的先导空气供应，这两个方向阀控制着反应堆密封阀 (RSV)。RSV 的设计使其在控制空气压力损失时打开至故障安全位置。一旦压力平衡，阀门 A 就会停止工作，先导空气将恢复至阀门 B 和 C，从而关闭 RSV。
进入ECA前，应做好以下准备：
1、反应室温度：如前所述，反应室温度应高于200℃。为了减少SCR进入排放 控制区前的准备时间，反应室的电加热器应手动开启三天。
2、尿素加药喷嘴：尿素加药喷嘴在进入 ECA 之前应进行清洁。
3、尿素加药管线过滤器：尿素加药管线中的过滤器在进入 ECA 之前也应进行清洁。
尿素喷嘴
4、检查反应室吹灰器阀门是否密封良好，是否有漏气现象。同时，检查SCR空气瓶是否能维持压力，并评估吹灰器是否有足够的空气供应。
吹灰器维护
安装 DP 变送器来监测 CR 阀门两侧的压力。如果阀门堵塞或管线关闭，DP 变送器将触发警报。有时，压力传感管线可能会堵塞，导致误报，因此建议定期清洁管线。
由于NOx传感器持续暴露在废气流中，因此定期维护和清洁这些传感器也是必要的。
NOx 传感器维护
由于 SCR 仅在排放控制区 (ECA) 使用，因此长途航行或在排放控制区 (ECA) 以外航行的船舶不得长时间使用 SCR。在这种情况下，阀门可能会堵塞或加药管线可能会堵塞。MAN B&W 建议定期对系统进行测试和运行，以防止此类问题。
低压SCR（LP-SCR）
LP-SCR 安装在涡轮增压器排气口下游。与 HP-SCR 相比，它的设计更简单。但原理相同。与 HP-SCR 不同的是，它没有与 ME 的 ERCS（减排控制系统）集成，而是直接由现代的 NO-NOX 系统控制。
LP-SCR示意图
在进入 SCR 反应堆腔室之前，有两个阀门：反应器旁通阀 (RBV) 和反应器密封阀 (RSV)。RBV 允许废气绕过反应器腔室并直接排放到大气中，而 RSV 则确保废气在排出之前先通过反应器腔室。
LP-SCR 的 RBV 和 RSV
进入ECA并启动发电机的选择性催化还原 (SCR) 系统后，系统将打开反应器密封阀 (RSV) 并关闭反应器旁通阀 (RBV)。这允许废气流过反应器腔室，并对反应器进行初始加热。一旦达到足够的温度（例如，我的船上温度为 330°C）且发电机负荷超过 10%，尿素喷射就开始进行，氮氧化物还原过程也随之启动。
LP SCR 反应器室
空气废气旁通阀
如前所述，维持适当的SCR反应器温度对于NOx减排至关重要。在HP-SCR系统中，气缸旁通阀 (CBV) 和排气旁通阀 (EGB) 负责控制反应器温度。在LP-SCR系统中，此功能由空气废气旁通阀(AWG) 执行。
空气废气旁通阀
带空气废气旁通阀的燃烧空气系统
空气废气旁通阀 (AWG) 将进气从空气冷却器转移到外部，绕过涡轮增压器。此过程会降低增压空气压力，从而提高废气温度。该机制有助于提高废气温度，以便 SCR 运行，同时还能保护涡轮增压器免受过高的增压空气压力影响。
LP SCR的NOx传感器
LP-SCR 中使用的氮氧化物传感器是丹佛斯的 IXA 型号。该传感器可以测量二氧化硫、氨氮和氮氧化物，但本例中专门用于测量氮氧化物。它的工作原理是让紫外线穿过废气来测量氮氧化物的含量。对于这种类型的传感器，压缩空气对于冷却和密封都至关重要。
DANFOSS NOx 传感器框图
DANFOSS IXA 氮氧化物含量传感器
如果镜片受到污染，可能会触发镜片污染警报。