淺述船用SCR技術(shù)及應(yīng)用

徐文 蔣大偉 丁樂(lè)中 李俊鵬

摘 要：隨著排放法規(guī)要求的日益嚴(yán)格，船用柴油機(jī)上配備排放后處理裝置已成為大勢(shì)所趨。選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是目前最流行和成熟的機(jī)外凈化技術(shù)，國(guó)際海事組織（IMO）已于2011年7月將這一技術(shù)列為了船舶柴油機(jī)NOX排放控制技術(shù)導(dǎo)則方案。本文主要介紹了船用柴油機(jī)SCR技術(shù)及其應(yīng)用?？梢灶A(yù)測(cè)，船用SCR系統(tǒng)在未來(lái)的全球市場(chǎng)前景將極為廣闊。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī) SCR技術(shù) 排放控制

1.引言

隨著世界貿(mào)易的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)一步深度融合，船舶對(duì)大氣和海洋環(huán)境的污染也日益加劇。為減少海洋污染、維護(hù)地球環(huán)境，IMO于2008年10月正式通過(guò)了MARPOL 73/78公約附則VI的修正案《NOX技術(shù)規(guī)則》，對(duì)船用NOX的排放標(biāo)準(zhǔn)和排放控制區(qū)域進(jìn)行了規(guī)定，提出了3個(gè)階段的NOX排放限值要求，其中第三階段的NOX排放限值要求為3.4 g/kW?h，這意味著第三階段排放物限值的降低量要達(dá)到第一階段的80%以上。為應(yīng)對(duì)如此嚴(yán)格的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)，降低NOX排放已成為船用柴油機(jī)制造廠(chǎng)商和科研人員的關(guān)注重點(diǎn)，而在船用柴油機(jī)上配備排放后處理裝置已成為大勢(shì)所趨。SCR系統(tǒng)是目前最流行和成熟的排放后處理裝置之一，IMO已于2011年7月將這一技術(shù)列為了船舶柴油機(jī)NOX排放控制技術(shù)導(dǎo)則方案。

2.船用SCR技術(shù)

2.1船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)

船用SCR系統(tǒng)主要由還原劑存儲(chǔ)及供給系統(tǒng)、計(jì)量供給單元、混合裝置、SCR反應(yīng)器、催化劑載體、吹灰裝置、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。根據(jù)布置方式不同可分為高壓和低壓系統(tǒng)兩類(lèi)，高壓系統(tǒng)催化劑反應(yīng)器布置在增壓器之前，而低壓系統(tǒng)布置在增壓器之后。

還原劑存儲(chǔ)及供給系統(tǒng)主要是指尿素罐、尿素噴射泵、噴嘴、尿素供應(yīng)管等，尿素泵將尿素罐中存儲(chǔ)的尿素還原劑打入還原劑加料供給裝置中，還原劑加料供給裝置根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行狀況調(diào)整進(jìn)入噴嘴的尿素流量。計(jì)量供給單元主要包括壓差計(jì)量裝置、尿素/壓縮空氣轉(zhuǎn)換裝置、控制裝置和壓力緩沖裝置等。尿素/壓縮空氣轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)需要轉(zhuǎn)換內(nèi)管介質(zhì)，SCR工作時(shí)內(nèi)管介質(zhì)為尿素溶液，SCR旁通模式時(shí)內(nèi)管介質(zhì)為壓縮空氣，以此避免尿素噴射器過(guò)熱損壞。混合裝置的設(shè)計(jì)是SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，在進(jìn)入反應(yīng)器之前，尿素還原劑通過(guò)壓縮空氣被噴射進(jìn)入混合裝置，在混合管路中與廢氣混合。壓縮空氣與尿素溶液在噴嘴的噴頭末端混合，將尿素溶液霧化后噴射進(jìn)入廢氣中，尿素在混合管路中轉(zhuǎn)化為氨水，在到達(dá)反應(yīng)器前與廢氣均質(zhì)混合。整個(gè)混合裝置主要包括尿素噴嘴、靜/動(dòng)態(tài)混合器、混合管路等。

SCR反應(yīng)器是SCR系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它是廢氣與催化劑發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)的場(chǎng)所。反應(yīng)室多采用固定床式，根據(jù)不同要求，反應(yīng)器可采用水平或垂直方式布置。催化劑作為SCR系統(tǒng)的核心，其活性和結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能，目前采用的SCR催化劑大多為V2O5-WO3/TiO2載體型催化劑。在設(shè)計(jì)和選擇SCR催化劑載體時(shí)需綜合考慮催化劑的活性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以最大限度優(yōu)化SCR系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)尺寸。

為減少灰塵在催化劑表面的沉積，有效提高NOX的脫除率，通常在SCR反應(yīng)器內(nèi)部安裝吹灰裝置。目前應(yīng)用較廣的吹灰裝置是壓縮空氣式吹灰器，該裝置利用壓縮空氣管路上的噴孔實(shí)現(xiàn)吹灰。整個(gè)裝置主要由壓縮空氣儲(chǔ)存罐、空壓機(jī)、吹灰噴嘴及氣動(dòng)流量閥等組成。SCR控制系統(tǒng)主要包括還原劑噴射控制、廢氣旁通控制和吹灰控制三大部分，根據(jù)主機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)尿素的供給量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴入所需還原劑量的有效控制。同時(shí)，也對(duì)旁通系統(tǒng)和吹灰系統(tǒng)的壓縮空氣量進(jìn)行控制，此外，還包括對(duì)全工作過(guò)程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

2.2應(yīng)用

2.2.1 國(guó)外應(yīng)用

在船用SCR系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用方面，國(guó)外的研發(fā)更早，應(yīng)用更多。早在1989年，MAN B&W公司就已在6S50MC船用柴油機(jī)上安裝了SCR系統(tǒng)。2011年，MAN公司研發(fā)了緊湊型SCR系統(tǒng)，并首次將其應(yīng)用在6S46MC-C8型船用柴油機(jī)上。2015年，CCS船級(jí)社向MAN公司頒發(fā)了首張適用于MAN 21/31柴油機(jī)組、滿(mǎn)足IMO Tier III排放要求的EIAPP證書(shū)，以及全球首張船用中速柴油機(jī)全系列SCR系統(tǒng)原理認(rèn)可證書(shū)（AIP）。

1992年，瓦錫蘭公司第一次在船用柴油機(jī)上配置并安裝了SCR系統(tǒng)。此后，該公司對(duì)船用SCR系統(tǒng)持續(xù)投入研發(fā)，至2006年已在100多臺(tái)船機(jī)上安裝了SCR系統(tǒng)。2008年，瓦錫蘭公司又開(kāi)發(fā)了低溫SCR系統(tǒng)，使得柴油機(jī)在較低排氣溫度時(shí)也可達(dá)到較高的脫硝率。2011年，該公司又與ABB公司聯(lián)合瑞士Hug Engineering公司共同研發(fā)出了新型SCR系統(tǒng)，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)SCR系統(tǒng)體積小80%，在節(jié)省成本的同時(shí)更便于船上安裝布置。

2011年，韓國(guó)現(xiàn)代重工首次發(fā)布了其自主開(kāi)發(fā)的SCR系統(tǒng)，并通過(guò)了KR船級(jí)社的認(rèn)證。2013年，韓國(guó)Doosan公司發(fā)布了其自主研發(fā)的低溫SCR系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在較低的柴油機(jī)排氣溫度下降低90%以上的NOX排放量，完全符合IMO Tier III排放要求。2014年，該公司簽訂了8臺(tái)配備低溫SCR系統(tǒng)的船用低速柴油機(jī)供應(yīng)合同，實(shí)現(xiàn)了低溫SCR系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用。

2010年，日本日立公司在6S46MC-C8船用低速柴油機(jī)上安裝應(yīng)用了全球首臺(tái)滿(mǎn)足IMO Tier III要求的船用SCR系統(tǒng)。2011年，日本NPS公司對(duì)裝船測(cè)試滿(mǎn)足Tier III要求的船用SCR技術(shù)進(jìn)行了研究。同年，日立公司的SCR系統(tǒng)獲得了NK船級(jí)社的許可，在之后的3年里對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)船實(shí)海域調(diào)試，2014年該系統(tǒng)獲得了MAN Diesel & Turbo公司的首次許可，并成為德國(guó)指定的唯一船用SCR系統(tǒng)供應(yīng)商。

挪威YARA公司作為一家SCR系統(tǒng)和零件的專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商，可滿(mǎn)足SCR控制系統(tǒng)、催化劑、泵站、吹灰系統(tǒng)等方面的眾多需求，2016年為韓國(guó)現(xiàn)代公司提供了SCR系統(tǒng)中的大部分零件。2015年，菲亞特動(dòng)力科技在第十四屆中國(guó)（上海）國(guó)際動(dòng)力設(shè)備及發(fā)電機(jī)組展覽會(huì)上展示了其高效SCR后處理系統(tǒng)（HI-eSCR）發(fā)動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)為目前全世界唯一滿(mǎn)足Tier 4B排放標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。2015年，卡特彼勒公司制造了CatTier4FinalC280-16發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組為該公司制造的使用柴油電推的最大發(fā)電機(jī)組，使用SCR技術(shù)使得運(yùn)營(yíng)成本降至最低，同時(shí)也充分考慮了船艙結(jié)構(gòu)，尺寸緊湊便于布置。

2.2.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)船用SCR系統(tǒng)的研究應(yīng)用起步較晚。2001年，廣船國(guó)際有限公司在船舶主機(jī)上引入了德國(guó)西門(mén)子公司研發(fā)的SCR系統(tǒng)。2004年和2010年，南京金陵船廠(chǎng)分別使用了Munters公司的SCR系統(tǒng)。2015年，中船重工711研究所獲得了CCS頒發(fā)的國(guó)內(nèi)首張滿(mǎn)足IMO Tier III排放限值要求的SCR產(chǎn)品AIP證書(shū)。

廣西玉柴經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，于2014年1月成功研發(fā)出國(guó)內(nèi)首套滿(mǎn)足IMO Tier III排放限值要求的柴油機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將SCR系統(tǒng)與電控單體泵燃油系統(tǒng)相結(jié)合，在不影響柴油機(jī)性能的情況下，可較大程度減少柴油機(jī)NOX排放。

滬東重機(jī)有限公司與上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司于2012年開(kāi)始開(kāi)發(fā)SCR系統(tǒng)，于2015年成功研制出世界首套WINGD低速柴油機(jī)高壓SCR系統(tǒng)（HP-SCR）及國(guó)內(nèi)首套MDT低速柴油機(jī)HP-SCR系統(tǒng)。隨后的兩年多里，經(jīng)過(guò)一系列實(shí)船測(cè)試，于2017年8月順利完成七大船級(jí)社型式認(rèn)可試驗(yàn)，并提交首臺(tái)商業(yè)訂單。2018年9月，又全新發(fā)布了低壓LP-SCR系統(tǒng)產(chǎn)品，截止2018年12月，已手持SCR系統(tǒng)訂單60余套。

2016年12月，大連船柴集團(tuán)與中船重工第711研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的LP-SCR系統(tǒng)順利通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：在滿(mǎn)足最大氨逃逸率限值的情況下，該LP-SCR系統(tǒng)可以使目標(biāo)柴油機(jī)的NOx減排率達(dá)到80%以上，完全滿(mǎn)足IMO Tier III的排放限值要求。

2017年6月28日，中船動(dòng)力有限公司引進(jìn)瑞士Hug公司技術(shù)生產(chǎn)的船用中速柴油機(jī)低溫SCR系統(tǒng)完成了臺(tái)架測(cè)試和驗(yàn)收試驗(yàn)，并順利通過(guò)了BV和DNV-GL的認(rèn)證。該型SCR系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，可根據(jù)柴油機(jī)的不同工況自動(dòng)調(diào)節(jié)尿素溶液的噴射量，且集控室的顯示屏能夠隨時(shí)調(diào)看SCR系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)兼具監(jiān)測(cè)和報(bào)警作用，這是我國(guó)生產(chǎn)的首套滿(mǎn)足IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的低溫SCR系統(tǒng)，也是我國(guó)生產(chǎn)的首套高度自動(dòng)化的SCR設(shè)備。其后，又先后分別取得CCS、BV、DNV-GL、KR、LR等各大船級(jí)社頒發(fā)的帶SCR的Tier III排放證書(shū)。目前，公司已完成和手持SCR訂單數(shù)量已近150臺(tái)/套，已成為國(guó)內(nèi)最大的船用中速機(jī)低壓SCR系統(tǒng)配套生產(chǎn)廠(chǎng)商。

2017年11月，青島雙瑞公司在中國(guó)船舶重工集團(tuán)柴油機(jī)有限公司（中國(guó)船柴）完成了滿(mǎn)足IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)的MDT柴油機(jī)FTA臺(tái)架試驗(yàn)，并順利通過(guò)了CCS、DNV-GL、LR三大船級(jí)社的認(rèn)證。該系統(tǒng)針對(duì)船舶設(shè)備的特殊運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了量身設(shè)計(jì)，適用于高硫或低硫燃油工況。系統(tǒng)充分考慮了操作維護(hù)的便利性，大幅減輕了船員的工作負(fù)擔(dān)。同年12月26日，青島雙瑞公司舉行首個(gè)船用低速機(jī)高壓SCR系統(tǒng)合同簽字儀式，標(biāo)志著青島雙瑞公司正式進(jìn)軍船舶SCR系統(tǒng)市場(chǎng)。

2018年3月，由中國(guó)船柴大柴公司進(jìn)行生產(chǎn)的第一臺(tái)帶高壓SCR系統(tǒng)的6S35ME-B MK9.5智能型主機(jī)成功交驗(yàn)。該主機(jī)通過(guò)配置高壓SCR系統(tǒng)，保證了主機(jī)在使用高硫燃油的情況下，氮氧化物排放仍能滿(mǎn)足IMO Tier III限值要求。據(jù)悉，這是世界首套將SCR旁通閥布置在排氣定壓管內(nèi)的SCR系統(tǒng)，技術(shù)難度高、要求嚴(yán)格。

總體來(lái)看，當(dāng)前國(guó)內(nèi)船用SCR系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用已取得了一定進(jìn)展。隨著2016年IMO Tier III的正式實(shí)施，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)全球船用SCR系統(tǒng)的市場(chǎng)前景將極為廣闊。因此，各科研院所、生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加快研發(fā)速度并加大投入，以期讓我國(guó)的船用SCR系統(tǒng)在國(guó)際市場(chǎng)上能占據(jù)一席之地。

3.結(jié)論

隨著排放要求的日益嚴(yán)格，在船用柴油機(jī)上配備排放后處理裝置已成為大勢(shì)所趨。在眾多排放后處理技術(shù)中，目前最流行和成熟的技術(shù)為選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，IMO已于2011年7月將這一技術(shù)列為了船舶柴油機(jī)NOX排放控制技術(shù)導(dǎo)則方案。因此，本文主要介紹了船用SCR技術(shù)及其應(yīng)用。

船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括還原劑存儲(chǔ)及供給系統(tǒng)、計(jì)量供給單元、混合裝置、SCR反應(yīng)器、催化劑載體、吹灰裝置、控制系統(tǒng)等，根據(jù)布置方式不同主要可分為高壓和低壓系統(tǒng)兩類(lèi)。在船用SCR系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用方面，國(guó)外的研發(fā)更早，應(yīng)用更多。MAN B&W公司、瓦錫蘭公司、韓國(guó)的現(xiàn)代重工和Doosan公司、日本的日立公司和NPS公司、挪威YARA公司、菲亞特動(dòng)力科技及卡特彼勒公司等眾多國(guó)外公司在船用柴油機(jī)SCR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域均有所建樹(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)船用SCR系統(tǒng)的研究應(yīng)用則相對(duì)起步較晚，但也已取得一定進(jìn)展，一些科研所、造船廠(chǎng)和主機(jī)廠(chǎng)在船用柴油機(jī)SCR技術(shù)上也都有了一定的研究應(yīng)用，未來(lái)全球船用SCR系統(tǒng)的市場(chǎng)前景將極為廣闊。

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