淺談船用低速柴油機SCR后處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

郭忠華

摘 要：本文介紹了國際法規(guī)對SCR系統(tǒng)發(fā)展的推動作用，詳述了SCR高壓和低壓系統(tǒng)的原理及其優(yōu)缺點，并通過市場調(diào)研簡述了SCR系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，預(yù)測了未來SCR的發(fā)展方向和市場前景，可為企業(yè)發(fā)展SCR系統(tǒng)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：Tier III；船用低柴油機；SCR系統(tǒng)；現(xiàn)狀；趨勢

中圖分類號：U664.122 文獻標(biāo)識碼：A

Developing and Tendency of Marine Low-speed Diesel SCR System

GUO Zhonghua

（ Yuchai Marine Power Co.， Ltd. Zhuhai 519175 ）

Abstract： This paper introduces how the international rules promote the development of the SCR system， the merit and demerit of the high and low-pressure SCR system， analyzes the developing status of the SCR system by market survey and forecasts the development tendency of the SCR system.

Key words： Tier III； Marine Low-speed Diesel； SCR； Status； Tendency

1 前言

隨著國際航運業(yè)及遠洋船舶運輸?shù)陌l(fā)展，以柴油為燃料的船舶發(fā)動機所產(chǎn)生的廢氣排放已成為沿海地區(qū)尤其是港口的主要污染源。

為了限制船舶柴油機排放對環(huán)境的污染，各國政府和國際組織相繼制定了相關(guān)的船舶柴油機排放限制法規(guī)。1997年9月27日，IMO通過國際防止船舶造成大氣污染公約，并作為MARPOL 73/78公約的附則VI頒布。MARPOL附則VI中對船用發(fā)動機的NOx排放作了明確規(guī)定，其具體的限值如圖1所示。該附則的規(guī)定已于2005年5月19日對所有協(xié)議簽署國的船舶正式生效[1-2]。

MARPOL 73/78公約規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)分三個階段實施，其中第三階段（Tier III）的NOx排放限值已于2016年1月1日實施[3]，其僅適用于IMO指定的NOx排放控制區(qū)，見圖2。在排放控制區(qū)內(nèi)航行時，應(yīng)符合Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前，減排技術(shù)大體可分為兩類：一類是通過控制柴油機缸內(nèi)燃燒的方法降低NOx排放，目前比較成熟的技術(shù)是使廢氣再循環(huán)（EGR）；另一類是通過對柴油機的尾氣進行處理降低NOx排放，主要是采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，這一方法理論上可以把尾氣的NOx含量降至最低。本文將重點介紹SCR技術(shù)。

2 SCR系統(tǒng)基本原理

2.1 SCR系統(tǒng)反應(yīng)基本原理

SCR為選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction）的簡稱，其原理是在柴油機尾氣管道中噴入還原劑40%尿素溶液，然后在催化劑的作用下將尾氣中的NOx還原為N2和水，從而達到降低尾氣中氮氧化物含量的目的（見圖3），反應(yīng)方程式為：

同時，也會發(fā)生硫化物SOx的還原反應(yīng)，產(chǎn)生附加產(chǎn)物硫酸氫氨NH4HSO3。該物質(zhì)低溫下容易沾附在催化劑表面使其失去活性，反應(yīng)方程式為：

2.2 SCR系統(tǒng)基本布置方案

根據(jù)布置方式不同可分為兩種形式：高壓SCR系統(tǒng)和低壓SCR系統(tǒng)。

高壓SCR系統(tǒng)為催化劑安裝在增壓器之前，以充分提高催化劑反應(yīng)溫度（見圖4）。這種SCR系統(tǒng)布局緊湊，廢氣能量利用率高，技術(shù)較為成熟；其缺點是反應(yīng)器安裝在柴油機內(nèi)，不利于主機在機艙的布置，同時SCR反應(yīng)器對增壓器有一定影響，主機也要作相應(yīng)修改才能與其匹配使用。

低壓SCR系統(tǒng)為催化劑安裝在增壓器之后，布置較為靈活，對增壓器和柴油機影響較?。ㄒ妶D5）。但是由于增壓器后廢氣溫度較低，降低了催化劑效率，且容易導(dǎo)致催化劑硫中毒。目前市場上還沒有成功使用低溫催化劑的案例，故均使用后加熱裝置提高廢氣溫度，如此又增加了低壓SCR的運營費用。

3 SCR系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)九十年代，SCR系統(tǒng)已經(jīng)逐漸安裝于船舶柴油機上，主要為增壓器后布置的SCR系統(tǒng)，其生產(chǎn)公司為瑞典STT Emtec公司、美國RJM公司、加拿大DCL國際公司和挪威YARA公司。這些SCR系統(tǒng)安裝在航行于港口、排放控制區(qū)的豪華游艇上。

隨著IMO排放控制區(qū)域的擴大化，大型貨運船舶等也開始迫切需求降低NOx的后處理裝置。為此世界各大船舶動力裝置供應(yīng)商和后處理方案解決提供商，也相繼增加了船用低速柴油機SCR系統(tǒng)的研發(fā)力度。

WinGD公司一直致力于降低船舶SCR系統(tǒng)的研究，先后開發(fā)出高壓和低壓SCR系統(tǒng)。WinGD公司開發(fā)的高壓SCR系統(tǒng)，安裝在6RTA52U柴油機上，測試結(jié)果表明，NOx減排量超過90%，E3測試循環(huán)下NOx排放量小于2 g/kW · h。2015年WinGD與滬東重機合作開發(fā)了基于5RT-flex58T-D機型高壓SCR系統(tǒng)，其NOx排放量達2.56 g/kW · h，應(yīng)用于22 100 DWT 多用途船上。據(jù)稱WinGD公司目前正在進行主機機內(nèi)SCR的開發(fā)工作，計劃直接將SCR反應(yīng)器集成在排氣集管上，目的是為了減少SCR系統(tǒng)占用空間，便于布置。該方案現(xiàn)處于初期研發(fā)階段，預(yù)計未來5～10年才能有實船應(yīng)用。另外，受限于目前催化劑的效率，該方案可能只能降低部分NOx，無法直接滿足TierⅢ。

MAN B&W公司與丹麥Topsoe公司合作開發(fā)的高壓SCR系統(tǒng)，安裝在MAN B&W 6S35MC柴油機上。通過測試，氮氧化物排放量下降88%。柴油機使用的是含硫量達2.4%的重油，當(dāng)負(fù)荷在40%～100%這一范圍時，SCR系統(tǒng)啟動運行；當(dāng)負(fù)荷低于40%時，由于廢氣溫度較低，停止噴入尿素，以避免硫酸氨的凝聚堵塞SCR系統(tǒng)。endprint

日本日立公司成功開發(fā)了高壓SCR系統(tǒng)，并于2011年應(yīng)用在MAN B&W 6S46MC-C8.1主機上，通過實際驗證，可以滿足IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。2014年，日立公司成為目前唯一獲得德國MAN B&W公司FTPA認(rèn)證的船用SCR系統(tǒng)生產(chǎn)商。

韓國現(xiàn)代公司目前研發(fā)的高壓SCR系統(tǒng)，取得WinGD和MAN B&W臨時證書，并通過了DNV、ABS、BV等多家船級社認(rèn)證。

韓國斗山發(fā)動機2015年研發(fā)了低壓SCR系統(tǒng)，并獲得GL船級社認(rèn)證。該SCR系統(tǒng)也可以滿足IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。與現(xiàn)有SCR系統(tǒng)只應(yīng)用于高溫廢氣，受安裝地點和空間限制相比，該SCR系統(tǒng)在增壓器后增加了廢氣加熱裝置，使其反應(yīng)器可使用中溫催化劑，還具備易于安裝、易于選擇安裝地點以提高空間效率的優(yōu)點，但該系統(tǒng)運營費用較高壓SCR系統(tǒng)高。

挪威YARA公司是一家專業(yè)SCR系統(tǒng)和零件供應(yīng)商，可提供尿素噴射、劑量、泵站、存儲單元，吹灰系統(tǒng)，控制系統(tǒng)、NOx測量裝置，并可提供催化劑的設(shè)計。2015-2016年它為現(xiàn)代公司生產(chǎn)的多臺主機提供了SCR系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件，這些主機分別應(yīng)用在多用途船和油船上。同時它為國內(nèi)多家SCR集成廠提供關(guān)鍵零部件。

此外，韓國大宇、日本三井、三菱等公司均在爭相開發(fā)船用SCR系統(tǒng)，并取得了一定的成果。

從以上情況來看，兩大專利方WinGD和MAN均有成熟的技術(shù)儲備，并有實船應(yīng)用。日本日立公司開發(fā)的SCR產(chǎn)品唯一取得MAN B&W公司FTPA認(rèn)證，而韓國現(xiàn)代和斗山都分別開發(fā)出高壓和低壓SCR系統(tǒng)，并正在項目實施當(dāng)中?？偠灾?，國外船舶柴油機SCR系統(tǒng)已有成熟的產(chǎn)品，并已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，一些高校和研究機構(gòu)早已看好船舶柴油機Tier III減排裝置潛在市場，均已開始SCR系統(tǒng)研發(fā)；滬東重機聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)了船舶低速二沖程柴油機低壓SCR系統(tǒng)；中船重工集團711研究所早已成立船舶柴油機尾氣后處理裝置研發(fā)小組，目前正在開展船用低中高速柴油機SCR系統(tǒng)開發(fā)。

滬東重機是國內(nèi)船用低速柴油機生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊，2015年1月23日，它率先發(fā)布了國內(nèi)首款船用低速柴油機高壓SCR系統(tǒng)。滬東與W?rtsil?公司合作，以5RT-flex58T-D（10 000 kW/105 r/min）為主機，耗時近1年共同開發(fā)了一款高壓SCR系統(tǒng)。該項目主機入級LR，安裝于22 100 DWT多用途船上。

另外，滬東重機與哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合承擔(dān)了國家高技術(shù)船舶科研項目-“船用低速柴油機尾氣NOx后處理裝置研究與開發(fā)”，共同開發(fā)一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)低壓SCR系統(tǒng)，目前該項目已經(jīng)結(jié)題。滬東重工以此項目為基礎(chǔ)，已接單生產(chǎn)了低壓SCR后處理系統(tǒng)，目前正在臺架試驗階段。

賽林德/711所與威海中遠科技、南通遠洋船舶配套有限公司合作，聯(lián)合開發(fā)船用SCR系統(tǒng)，711所于2014年開始介入低速機SCR系統(tǒng)，進行了概念設(shè)計及實驗室臺架試驗，目前據(jù)稱已成功開發(fā)出了船用低速柴油機高壓SCR系統(tǒng)，臺架試驗?zāi)軌驖M足Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。近期711所又聯(lián)合大柴開發(fā)的低壓SCR系統(tǒng)順利通過各項測試，臺架試驗也能夠滿足Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。

此外，青島雙瑞海洋環(huán)境工程有限公司在WinGD的技術(shù)支持下正在開展SCR研發(fā)工作，目前處于實驗階段。國內(nèi)對柴油機NOx排放后處理的研究起步相對較晚，整體水平落后于國外廠商，尤其是高溫閥、尿素噴射單元、催化劑等關(guān)鍵性零部件受制于國外供應(yīng)商。

4 SCR系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

目前SCR系統(tǒng)有高壓和低壓兩種方案，從市場選擇和技術(shù)發(fā)展角度來看，低壓方案未來將占主導(dǎo)地位。

（1）高壓方案目前存在對柴油機性能影響較大和布置不靈活的問題，其發(fā)展方向是開發(fā)高效催化劑以降低催化劑的體積，增加其布置的靈活性，降低整個系統(tǒng)的成本；

（2）低壓方案雖然反應(yīng)器布置方便，但由于反應(yīng)環(huán)境溫度低，催化劑活性不夠，還原反應(yīng)效率低，且容易產(chǎn)生硫酸鹽使催化劑失效。其發(fā)展方向是開發(fā)抗硫性好的低溫高效催化劑，如此低壓方案可直接應(yīng)用于舊船排放升級改造，將具有更廣闊的市場前景；

（3）SCR系統(tǒng)目前仍然處于發(fā)展的初級階段，催化劑、耐高溫閥等關(guān)鍵零部件制造商較少，其成本居高不下，致使SCR系統(tǒng)價格過高，甚至達到主機價格50%以上，從而影響SCR的推廣應(yīng)用。未來隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，SCR市場逐漸擴大成熟，相信SCR系統(tǒng)集成商、零件制造商將會越來越多，其成本也會隨之降低。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著環(huán)保法規(guī)越來越嚴(yán)格，以及SCR各項技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，SCR系統(tǒng)必將在船舶Tier Ⅲ排放解決方案中大有所為。

參考文獻

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