مع التوسع المستمر في منطقة التحكم العالمية في انبعاثات أكاسيد النيتروجين الغازية البحرية (NOx) من المستوى الثالث، حظي تصميم وتركيب وتشغيل وتطبيق أنظمة الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) على السفن باهتمام متزايد. ويتزايد عدد السفن المجهزة بأنظمة الاختزال التحفيزي الانتقائي.

يتم استخدام نظام SCR بشكل أساسي لتحييد وتقليل أكاسيد النيتروجين تحفيزيًا في غازات عادم محرك الديزل، مما يضمن أن انبعاثات العادم تلبي متطلبات الانبعاثات.

I. مبدأ التفاعل الكيميائي لنظام الاختزال الانتقائي التحفيزي

تتضمن تقنية الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR) استخدام محفز الأمونيا للتفاعل مع أكاسيد النيتروجين لإزالة النتروجين، مما يؤدي إلى إنتاج النيتروجين والماء (ماء الأمونيا + أكاسيد النيتروجين = النيتروجين + الماء)، بحيث يتوافق محتوى أكاسيد النيتروجين في غاز العادم مع المتطلبات التنظيمية (<2.41 [g/(kW·h)]) [1].

عملية العمل الأساسية:

المحلول اليوريا (40%)يُرسل اليوريا المُخزّن في خزان السفينة إلى وحدة قياس اليوريا عبر مضخة إمداد اليوريا. تُضيف وحدة القياس هواءً مضغوطًا وتخلطه بمحلول اليوريا، الذي يُرشّ بعد ذلك في أنبوب خلط العادم. بعد امتزاج محلول اليوريا تمامًا مع غاز العادم في أنبوب الخلط، يدخل إلى جهاز تفاعل الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR)، حيث يحدث تفاعل اختزال حفزي في وحدة المحفز. أخيرًا، تُحوّل أكاسيد النيتروجين الموجودة في غاز العادم إلى نيتروجين وماء، وتُفرّغ في الغلاف الجوي.

الصيغ الكيميائية الرئيسية لتفاعل الاختزال التحفيزي SCR هي كما يلي:

NO + NO₂ + 2NH₃ = 2N₂ + 3H₂O،

4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O،

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ = 3N₂ + 6H₂O.

ثانيًا: اختيار مُخفِّضات الضغط الانتقائية عالية ومنخفضة الضغط ومقارنة مزاياها وعيوبها

وفقًا لموقع تركيب المعدات، يمكن تقسيم نظام SCR إلى نظام SCR عالي الضغط ونظام SCR منخفض الضغط.

يحتوي نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي عالي الضغط على مفاعل تحفيزي مُركّب بين مشعب عادم محرك الديزل الرئيسي والشاحن التوربيني. يعمل نظام عادم التخفيض الانتقائي التحفيزي بغازات عالية الحرارة والضغط، ولذلك يُطلق عليه اسم نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي عالي الضغط، ويُستخدم بشكل رئيسي في نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي للمحرك الرئيسي.

يحتوي نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR) منخفض الضغط على مفاعل تحفيزي مُركّب خلف شاحن توربيني لمحرك الديزل. يعمل نظام عادم التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR) بغازات منخفضة الضغط ودرجة الحرارة، ولذلك يُطلق عليه اسم نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي منخفض الضغط، ويُستخدم بشكل رئيسي في نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي للمحرك الرئيسي ونظام التخفيض الانتقائي التحفيزي للمولد [2].

يوضح الجدول 1 اختيار أنظمة التخفيض الانتقائي التحفيزي ذات الضغط العالي والمنخفض ومقارنة مزاياها وعيوبها الرئيسية.

ثالثًا. تعليمات تطبيق نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي البحري

1. تركيب النظام ومبدأ العمل

يتكون نظام SCR بشكل أساسي من خزان محلول اليوريا في هيكل السفينة، ووحدة مضخة إمداد اليوريا، ووحدة قياس اليوريا ومسدس الحقن، وأنبوب خلط SCR، ومفاعل SCR الحفاز، والمعدات المساعدة، وأنظمة الأنابيب ذات الصلة، وملحقات الصمامات، ونظام التحكم الكهربائي، إلخ. يظهر الرسم التخطيطي للنظام ذي الصلة في الشكل 1.

الشكل 1 مبدأ نظام SCR البحري

مبدأ العمل الرئيسي لـ SCR:

عندما يعمل محرك الديزل على وقود زيت الغاز البحري (MGO) ويتم تنشيط وضع تشغيل SCR، يكتشف نظام SCR ويتحكم تلقائيًا. عندما تصل درجة حرارة العادم إلى درجة حرارة التشغيل، تبدأ وحدة مضخة اليوريا في توفير محلول اليوريا. يُخلط محلول اليوريا بشكل متناسب مع الهواء المضغوط في وحدة القياس ثم يُرش في أنبوب خلط SCR معًا. بعد خلط محلول اليوريا بالكامل مع غاز العادم، يدخل إلى مفاعل SCR. مفاعل SCR مزود بوحدة محفز. يخضع الأمونيا (NH₃) في محلول اليوريا وأكاسيد النيتروجين في غاز العادم لتفاعل كيميائي كامل للاختزال التحفيزي في وحدة المحفز، مما يؤدي في النهاية إلى توليد النيتروجين والماء، اللذين يتم تصريفهما في الغلاف الجوي من خلال المدخنة [3].

2. النقاط الرئيسية للتصميم الأولي لنظام SCR

يتضمن التصميم الأولي لنظام SCR بشكل أساسي اختيار أنظمة SCR ذات الضغط العالي والمنخفض، والتخطيط المكاني للمعدات الرئيسية لنظام SCR، وتصميم نظام SCR المساعد، واختبار نظام SCR والحصول على الشهادات ذات الصلة.

1) اختيار أنظمة التخفيض الانتقائي التحفيزي ذات الضغط العالي والمنخفض.

إجراء اختيار أولي وفقًا لمعايير محرك الديزل. وفي الوقت نفسه، الجمع بين مساحة غرفة المحرك ومساحة هيكل غلاف غرفة المحرك للاختيار بين أنظمة الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR) عالية ومنخفضة الضغط، وإجراء اختيار شامل مع مراعاة أسعار المعدات.

حاليًا، بالنسبة لنظام SCR للمحركات المساعدة البحرية، يتوفر فقط نظام SCR منخفض الضغط للاختيار، والذي يتم تحديده بشكل أساسي من خلال خصائص الطاقة الصغيرة للمحركات المساعدة ومساحة نماذج المحركات المساعدة.

بالنسبة للمحرك الرئيسي، تتوفر أنظمة SCR عالية ومنخفضة الضغط للاختيار من بينها. في مرحلة التصميم الأولى، يمكن اختيار نوع نظام SCR بدقة بناءً على توصيات الشركة المصنعة للمحرك الرئيسي، بالإضافة إلى معايير المحرك الرئيسي، ومساحة غرفة المحرك، ومساحة غلاف غرفة المحرك، والسعر.

عند اختيار نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR) منخفض الضغط، يجب زيادة الضغط الخلفي لعادم محرك الديزل. على سبيل المثال، يُرفع الضغط الخلفي التصميمي لعادم الشاحن التوربيني لمحرك الديزل من 300 مم إلى 450 مم.

2) التخطيط المكاني للمعدات الرئيسية لنظام SCR.

تشتمل المعدات الرئيسية لنظام SCR على أسطوانة خلط SCR، ومفاعل SCR، وأنابيب العادم وصمامات العادم المتصلة، وما إلى ذلك.

يتم عادةً تثبيت أسطوانة الخلط SCR ومفاعل المحرك المساعد بشكل عمودي في غلاف غرفة المحرك، ويتم ترتيب المعدات الكهربائية المقابلة في مكان قريب.

يقع أسطوانة الخلط ومفاعل نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي عالي الضغط للمحرك الرئيسي بالقرب من المحرك الرئيسي في غرفة المحرك. في المرحلة الأولى من التصميم، يجب تصميم أنبوب عادم المحرك الرئيسي مع أسطوانة الخلط ومفاعل الاختزال الانتقائي التحفيزي. يتراوح قطر أسطوانة الخلط عادةً بين 1 و2 متر، وطولها بين 4 و5 أمتار.

يتراوح قطر مفاعل الاختزال الانتقائي التحفيزي بين 2 و3 أمتار، ويتراوح طوله بين 5 و7 أمتار. لذلك، ينبغي مراعاة التوزيع المكاني لأنبوب العادم بدقة في المرحلة الأولى من التصميم.

طور بعض مصنعي المحركات الرئيسيين نظام SCR عالي الضغط مدمجًا مع المحرك، وتُركّب معداته بالكامل على المحرك الرئيسي. يوفر هذا التصميم مساحة غرفة المحرك في حوض بناء السفن. مع ذلك، سيشغل نظام SCR المدمج مع المحرك مساحة مشعب عادم المحرك الرئيسي، مما يُقلل من مساحة صيانة مكونات نظام SCR، كما أن تكلفة المحرك الرئيسي بهذا التكوين أعلى حاليًا.

بالنسبة لنظام SCR منخفض الضغط للمحرك الرئيسي، يجب أن يؤخذ في الاعتبار بشكل أساسي المساحة خلف الشاحن التوربيني في غرفة المحرك أو مساحة غلاف غرفة المحرك، خاصة بالنسبة للسفن ذات المتطلبات العالية لمساحة غلاف غرفة المحرك، مثل سفن الدحرجة وسفن الدحرجة للركاب.

تشتمل المعدات الأخرى في نظام SCR بشكل أساسي على وحدة مضخة إمداد اليوريا ووحدة قياس اليوريا وصندوق التحكم الكهربائي وما إلى ذلك. تتميز هذه المعدات بمساحة صغيرة وحمل طاقة منخفض، ويمكن اعتبارها عمومًا في المرحلة المبكرة.

3) يستخدم نظام SCR أيضًا بشكل شائع أنظمة مساعدة، مثل نظام الهواء،AUS40 (محلول اليوريا المائي 40٪) نظام الإمداد، ونظام المياه العذبة، ونظام التحكم والمراقبة الكهربائية.

ينقسم نظام الهواء بشكل رئيسي إلى نظام هواء مضغوط بضغط يتراوح بين 0.7 و0.9 ميجا باسكال، ونظام هواء للتحكم الآلي بضغط 0.7 ميجا باسكال. يُستخدم نظام الهواء المضغوط بشكل رئيسي لخلط هواء وحدة قياس الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR) بمحلول اليوريا، ونفخ الغبار في مفاعل الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR) باستخدام الهواء المضغوط، وتوفير الغاز للتفاعل الحفزي، وغيرها. نظرًا لارتفاع استهلاك الهواء المضغوط نسبيًا، يلزم تجهيز ضاغط هواء SCR خاص، وأسطوانة هواء SCR، ونظام الهواء المضغوط المناسب.

يتم اختيار معلمات ضاغط الهواء SCR وأسطوانة الهواء SCR وفقًا لمعلمات استهلاك الغاز في أنظمة SCR للمحرك الرئيسي والمحرك المساعد. عادةً، تتراوح إزاحة ضاغط الهواء SCR بين 50 و300 نيوتن متر مكعب/ساعة، ويتراوح حجم أسطوانة الهواء SCR بين 3 و5 أمتار مكعبة.

يُستخدم نظام التحكم الآلي SCR بشكل رئيسي للتحكم في فتح وإغلاق صمامات العادم الهوائية لنظام SCR. ونظرًا لانخفاض استهلاك الغاز، يمكن توصيله مباشرةً بنظام التحكم الهوائي في السفينة.

محلول اليوريا هو المادة الخام الرئيسية للتفاعل التحفيزي الاختزالي الانتقائي (SCR). تحتاج السفينة إلى تصميم حجرة هيكلية (حوالي 30-100 متر مكعب) لتخزين محلول اليوريا بنسبة 40%. ونظرًا للتكلفة، عادةً ما تكون مادة خزان اليوريا حجرة هيكلية فولاذية مطلية بطلاء خاص. كما يمكن استخدام حجرة هيكلية من الفولاذ المقاوم للصدأ 304، ولكن تكلفتها أعلى.

تحتاج حجرة محلول اليوريا عادة أيضًا إلى التبريد والتسخين لمنع تبلور وتجميد محلول اليوريا.

أنابيبAUS40 (محلول اليوريا المائي 40٪)عادةً ما تُصنع أنظمة الإمداد من أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304. كما يجب مراعاة عملية تعبئة محلول اليوريا وتخزينه وتوريده وتصريفه ونقله، بالإضافة إلى معدات الوقاية الشخصية، مثل معدات الوقاية الشخصية وأجهزة غسل العينين.

يتم استخدام نظام المياه العذبة بشكل أساسي لتنظيف نظام اليوريا وتزويد جهاز غسل عيون الدش بالمياه.

يأخذ النظام المساعد الكهربائي لنظام SCR في الاعتبار بشكل أساسي تخطيط صندوق التحكم الكهربائي، وتطبيق المراقبة والإنذار، والنظر في حمل الطاقة، وما إلى ذلك.

4) بعد اختبار المطابقة بين نظام SCR ومحرك الديزل، من الضروري تقديمه إلى هيئة التصنيف للمراجعة وأخيراً الحصول على شهادة EIAPP لمستوى الانبعاثات الثالث من هيئة التصنيف.

هناك طريقتان للحصول على الشهادة، وهما: المخطط أ والمخطط ب. المخطط أ هو الحصول على الشهادة من خلال اختبار قبول المصنع (FAT) لنظام التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR) ومحرك الديزل. المخطط ب هو إجراء اختبار اعتماد على متن السفينة بعد تركيب محرك الديزل ونظام التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR).

من حيث تكلفة ووقت البناء، تُعتمد السفن الجديدة عادةً وفق المخطط أ. بالنسبة للسفن التي تحمل نفس سلسلة المحركات الرئيسية لنفس مالك السفينة، يكفي إجراء اختبار مطابقة نظام SCR مع محرك الديزل الخاص بالسفينة الأولى. تُرسل معدات نظام SCR الخاصة بالسفينة الأولى إلى الشركة المصنعة لمحركات الديزل لإجراء اختبار FAT والحصول على شهادة. لا تحتاج السفن اللاحقة إلى إجراء اختبار FAT مرة أخرى. بعد تركيب معدات SCR ومحرك الديزل مباشرةً على السفينة، يكفي إجراء اختبار مطابقة وظيفة النظام فقط.

تختار السفن المُجدَّدة نموذج SCHEME B للحصول على الشهادة. بعد تركيب المعدات على السفينة، يُجرى اختبار مطابقة الشهادة بين محرك الديزل ونظام التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR)، مثل: اختبارات نقاط الإنذار المختلفة؛ واختبارات إيقاف تشغيل نقاط الإنذار؛ واختبارات التفاعل التحفيزي لحقن اليوريا تحت أحمال مختلفة لمحرك الديزل؛ واختبارات انبعاثات العادم (EIAPP)، وغيرها.

تُجرى تجارب حوض بناء السفن على الرصيف وفي البحر بشكل رئيسي لاختبار التحقق من وظيفة نظام SCR. تجدر الإشارة إلى أن الوقود المستخدم في اختبار SCR خلال التجربة البحرية هو MGO. لذلك، عادةً ما يكون اختبار نظام SCR خلال التجربة البحرية هو المرحلة الأخيرة، أي بعد اكتمال جميع مراحل التجربة البحرية للسفينة وتغيير الوقود إلى MGO، يُجرى اختبار نظام SCR. في هذه المرحلة، يُعد اختبار نظام SCR اختبارًا وظيفيًا لنظام SCR. في ظل ظروف تشغيل حمولة المحرك الرئيسي بنسبة 25% و50% و75% و100% على التوالي، تعمل كل حالة تشغيل لمدة 15-30 دقيقة للتحقق من وظيفة نظام SCR.

3. تعليمات تصميم الإنتاج والتركيب لكل جهاز من أجهزة نظام SCR

يعد تركيب كل جهاز من أجهزة نظام SCR النقطة الأساسية في تصميم الإنتاج والشرط الأساسي أيضًا للتشغيل الآمن للمعدات.

١) يُعد تصميم أنبوب العادم هو الشاغل الرئيسي لنظام التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR). صُمم نظام التخفيض الانتقائي التحفيزي منخفض الضغط وفقًا للمتطلبات العامة لأنبوب العادم خلف محرك الديزل. عادةً ما يتم ترتيب أسطوانة الخلط ومفاعل التخفيض الانتقائي التحفيزي (SCR) في النظام وفقًا لأنبوب العادم، وتُعتبر مساحة صيانة المعدات عاملًا أساسيًا.

في نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي منخفض الضغط، عادةً ما يُصنع أنبوب العادم بين أسطوانة الخلط ومفاعل الاختزال الانتقائي التحفيزي من أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 304، بينما تُصمم الأنابيب الأخرى وفقًا لأنابيب الفولاذ العادية. صُممت البراغي وعزل الأنابيب وفقًا لمعايير أنابيب العادم الشائعة.

تعليمات تصميم أنبوب العادم SCR عالي الضغط.

يشير أنبوب عادم SCR عالي الضغط بشكل أساسي إلى أنبوب العادم لنظام SCR عالي الضغط للمحرك الرئيسي، وهو ما يمثل صعوبة في التصميم.

تتراوح درجة حرارة تصميم أنبوب عادم الضغط العالي للمحرك الرئيسي عادةً بين 450 و500 درجة مئوية، وضغط التصميم 0.5 ميجا باسكال. يكون التشوه الحراري لأنابيب الفولاذ العادية كبيرًا جدًا في درجات الحرارة والضغط العاليين، لذا يجب تصميم أنبوب العادم بشكل معقول؛ ويجب أن يتحمل دعامة كوع العادم تأثير القوة الناتجة عن تدفق العادم في اتجاهات متعددة.

يجب تحديد مادة وسمك أنبوب العادم، وكثافة وسمك القطن العازل للحرارة، وتحليل إجهاد التمدد الحراري لأنبوب العادم وقوس أنبوب العادم، واختيار وتخطيط مفصل تمدد العادم، كل ذلك بعد حساب المحاكاة والتحليل بواسطة برنامج خاص.

تم إنشاء نموذج العناصر المحدودة باستخدام برنامج ANSYS الشائع الاستخدام، وتمت محاكاة وحساب انتقال الحرارة في الحالة الحرارية، وتحليل الاقتران، وقوة رد فعل الدعم، وعزم رد فعل الدعم للأنابيب. وأخيرًا، تم تحديد التصميم العام لأنبوب العادم، وحامل أنبوب العادم، ووصلة التمدد. ومن خلال تحليل وحساب وتحسين كل قسم من أنبوب العادم، تم الانتهاء من تصميم مخطط أنبوب عادم نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي عالي الضغط بالكامل.

أخذ تصميم أنبوب العادم لنظام التخفيض الانتقائي التحفيزي عالي الضغط للمحرك الرئيسي لسفينة يبلغ وزنها 62000 طن كمثال.

أنبوب عادم SCR عالي الضغط للمحرك الرئيسي وحامله مصنوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ 304. يبلغ سمك أنبوب العادم 12 مم، وسمك لوحة حامله 15 مم. يُدعم حامل العادم بدقة في الاتجاه المعاكس لنقطة القوة الناتجة لاتجاه تدفق الغاز. يبلغ سمك القطن العازل 150 مم.

يخضع كل قسم من أنبوب العادم لاختبار ضغط هيدروليكي قدره 1.0 ميجا باسكال في الورشة. بعد تركيب جميع أنابيب عادم SCR عالية الضغط على السفينة، يُجرى اختبار إحكام غلقها بضغط 0.75 ميجا باسكال، بما في ذلك أنبوب خلط نظام SCR، ومفاعل SCR الحفزي، ووصلة التمدد المتصلة به، والتي توفرها الشركة المصنعة، وغيرها. تخضع جميع هذه الأنابيب لاختبار إحكام الغلق.

2) تصميم الإنتاج وتركيب SCRAUS40 (محلول اليوريا المائي 40٪) نظام التخزين والتوريد.

يشتمل نظام اليوريا SCR بشكل أساسي على نظام حقن محلول اليوريا، ونظام تخزين محلول اليوريا، ونظام النقل والإمداد الذي يتركز حول خزان تخزين محلول اليوريا.

محلول اليوريا المستخدم في نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي هو عادة محلول بنسبة 40%، وهو قلوي ضعيف وغير سام وله قدرة معينة على التآكل.

درجة الحرارة الموصى بها لتخزين محلول اليوريا هي 0-35 درجة مئوية.

إذا تجاوزت درجة حرارة غرفة المحرك 45 درجة مئوية أو كانت أقل من 0 درجة مئوية لفترة طويلة، فيجب ترتيب ملف تبريد أو ملف تسخين في خزان تخزين محلول اليوريا.

يمكن أن تكون مادة خزان محلول اليوريا من الفولاذ المقاوم للصدأ أو صفيحة فولاذية مطلية بطلاء خاص. يُغلَّف خزان محلول اليوريا بقطن عازل للحرارة، ويُضاف مستشعر إنذار تسرب إلى صينية تجميع المياه في الخزان.

خزان تخزين محلول اليوريا مُجهّز بأجهزة إنذار لارتفاع وانخفاض مستوى السائل، ودرجات الحرارة، وجميعها متصلة بنظام مراقبة وإنذار نظام الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR). جميع مواد الاستشعار مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 على الأقل.

تُصنع أنابيب نظام اليوريا بشكل رئيسي من الفولاذ المقاوم للصدأ 304. يجب أن تكون صمامات النظام ومسامير التركيب مصنوعة على الأقل من الفولاذ المقاوم للصدأ 304. تُصنع حشوات الأنابيب عادةً من حشوات بولي تترافلوروإيثيلين. صواني تصريف مياه المعدات مصنوعة من صواني مياه من الفولاذ المقاوم للصدأ أو صواني مياه طلاء فولاذية.

أثناء عملية ملء واستخدام محلول اليوريا، هناك حاجة إلى تدابير وقائية كافية، مثل ملابس العمل الشاملة، والمآزر، والأقنعة، والنظارات المقاومة للمواد الكيميائية، والأقنعة الواقية، وقطرات العين، وأجهزة غسل العين في حالات الطوارئ، وما إلى ذلك.

رابعًا: الخاتمة

في السنوات الأخيرة، قامت العديد من أحواض بناء السفن بتصميم وتركيب أنظمة SCR على السفن حديثة البناء. ويشهد تصميم وتطبيق أنظمة SCR تطورًا متزايدًا، ويزداد وعي أحواض بناء السفن ومالكي السفن بتكنولوجيا SCR ويتبنونها.

على الرغم من التطور السريع لسفن الوقود الجديدة، المتمثلة في الغاز الطبيعي المسال (LNG) والميثانول، إلا أن تقنية الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR) لن تُهمل في الوقت الحالي. بل ستتعايش مع أنواع الوقود والتقنيات الجديدة. والآن، تُجهّز العديد من السفن التي تعمل بالغاز الطبيعي المسال بأنظمة الاختزال الانتقائي التحفيزي (SCR) في الوقت نفسه.

مع ظهور اللوائح البحرية الجديدة بشكل مستمر، فإن منطقة التحكم في انبعاثات الغاز ستستمر في التوسع، كما ستستمر تكنولوجيا نظام SCR البحرية في التغير أيضًا.

من الضروري تجميع الخبرة بشكل مستمر ووضع مجموعة كاملة من معايير التطبيق لتكنولوجيا SCR البحرية لجعل تطبيق أنظمة SCR على السفن أكثر أمانًا وصديقًا للبيئة.