遠洋船舶NOx廢氣處理系統(tǒng)SCR選型及實船安裝

殷華兵，王偉彬

（中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引 言

遠洋船舶須滿足國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）制定的MARPOL公約附則VI對船舶NOx和SOx的排放要求[1]，以有效約束船舶尾氣排放對大氣造成的污染（見表1和表2）。該公約規(guī)定的船舶NOx和SOx第3階段控制標準（TierⅢ）已正式施行，在排放控制區(qū)域內(nèi)航行的船舶面臨嚴格的排放限制要求。

表1 MARPOL73/78公約附則VI中關于船舶燃油含硫量的控制標準

表2 MARPOL73/78公約附則VI中關于NOx的控制標準 單位：g/(kW·h)

我國針對沿海船舶和內(nèi)河船舶排放控制的法規(guī)也日趨嚴格，其中 2016年正式生效的珠三角、長三角和環(huán)渤海水域船舶排放控制區(qū)實施方案（中國版排放控制區(qū)）針對船舶NOx和SOx等污染物排放制訂了分階段的控制目標，以改善這些區(qū)域的空氣質量；同時，我國首部專門針對船舶大氣污染物排放控制的強制性標準《船舶壓燃式發(fā)動機排氣污染物排放限制及測量方法（中國第一、二階段）》對船舶NOx和SOx等多種污染物排放做出了明確限制，對在我國排放控制區(qū)內(nèi)航行的船舶提出了更高的要求。

無限航區(qū)的遠洋船舶，尤其是在SOx排放控制區(qū)（SECA）和NOx排放控制區(qū)（ECA）航行的船舶，將來面對的局面是必須對尾氣排放進行控制，以滿足越來越嚴格的污染物排放限制要求。選擇和安裝船舶廢氣（NOx、SOx）處理系統(tǒng)成為新造船舶要解決的問題。

1 遠洋船舶廢氣處理系統(tǒng)設備選型原則

1.1 安全性原則

安全是遠洋船舶設備選型最重要、最基本的原則。對于一項新技術或新設備而言，技術的成熟性非常重要，尚處在研發(fā)階段且未經(jīng)實船檢驗的產(chǎn)品不作為營運船舶考慮的對象。

此外，安全性還體現(xiàn)在潛在風險的大小上，一項成熟的技術也有可能對船舶核心安全設備的運行工況產(chǎn)生較大的影響，若廢氣處理系統(tǒng)對主機的工況影響較大，在使用之前需進行潛在風險系數(shù)評估，評估不達標的不能采用。

1.2 技術經(jīng)濟性原則

技術經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在初置成本和維護管理成本2個方面。一般設備成本中有很大一部分來自研發(fā)成本，這部分成本最終會轉嫁給用戶，故選用技術和市場開發(fā)均較為成熟的產(chǎn)品有利于降低初置成本。當然，即使初置成本不高，維護管理成本提高也會使整體運營成本提高，該產(chǎn)品的技術經(jīng)濟性也會降低。

1.3 工程實現(xiàn)可行性原則

當前建造的遠洋商船在設計上越來越多重視適貨性和經(jīng)濟性，船舶能效設計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index, EEDI）的提出在技術經(jīng)濟性上對船舶設計提出了更高的要求。新設計的船舶將盡可能多的空間留給貨艙區(qū)域使得機艙、生活區(qū)和煙囪棚等區(qū)域的空間變得越來越小，甚至已影響到機艙正常的通風和散熱需求。安裝和布置廢氣處理系統(tǒng)必須考慮該情況，工程實現(xiàn)的可行性是主要考量的技術指標之一。

1.4 便于維護管理原則

遠洋船舶在大洋中航行期間無法得到很好的岸基支持，可靠性高、易于維護管理、互換性高及耗費品易于獲得的船用產(chǎn)品將是優(yōu)先選用的產(chǎn)品。

2 船舶廢氣處理技術研究現(xiàn)狀

船舶廢氣處理技術主要針對的是NOx和SOx的排放限制，目前市面上的SOx處理技術主要有采用洗滌塔和直接燃用低硫燃油2種。由于洗滌技術不僅需要采用體積龐大的洗滌塔，還需用海水和有腐蝕性的堿對廢氣中的硫化物進行洗滌和中和，且在處理完之后會產(chǎn)生對環(huán)境造成二次污染的洗滌副產(chǎn)物，故洗滌塔對船舶的安裝和設計提出較大的挑戰(zhàn)，維護和管理也較為困難。與之相比，低硫燃油易于獲取，且隨著燃油提煉技術的發(fā)展，低硫燃油的采購成本會有所降低，故洗滌塔除硫技術不作為本文研究的重點。

NOx減排技術[2]主要有機內(nèi)控制技術和機外控制技術2種，其中：機內(nèi)控制技術主要通過推遲噴油、進氣加濕、廢氣再循環(huán)和均質預混合燃燒等方式降低柴油機燃燒火焰的溫度及減少高溫停留時間，從而實現(xiàn)NOx的減排；機外控制技術主要通過選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）等技術，根據(jù)催化還原原理，在柴油機廢氣端實現(xiàn)NOx的減排[3]。

目前，柴油機缸內(nèi)的 NOx機內(nèi)控制技術主要有推遲噴油技術、進氣系統(tǒng)改進技術、進氣加濕技術（Humid Air Motor, HAM）、燃油乳化技術（Fuel Water Emulsification, FWE）、均質預混合燃燒技術（Homogeneous Charge Compression Ignition,DF）等。相關學者[4]對已有減排技術的效果進行調查研究，給出各減排技術的減排效果潛力及IMO標準對比見圖1。從圖1中可看出，隨著Tier Ⅲ法規(guī)的實施，機內(nèi)控制技術已不滿足排放要求，只有廢氣再循環(huán)技術（Exhaust Gas Recirculation, EGR）[5]、DF和 SCR才能滿足Tier III的排放要求。本文主要從實船安裝研究的目的出發(fā)，分析EGR、SCR和DF技術的可行性和優(yōu)劣。

圖1 各減排技術的減排效果潛力及IMO標準對比

2.1 雙燃料發(fā)動機技術

為滿足 Tier III的排放要求，通過將雙燃料發(fā)動機的工作模式由燃燒重油切換為燃燒液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）來實現(xiàn)，試驗證明雙燃料發(fā)動機可滿足排放控制要求。

雙燃料發(fā)動機在船舶上使用時，其LNG供氣系統(tǒng)尤為重要。圖2為典型雙燃料發(fā)動機的LNG動力燃料系統(tǒng)圖，由于LNG燃料需儲存在極低的溫度下，因此與一般的柴油動力船相比，LNG動力船往往需安裝特別復雜的氣體存儲裝置，在 LNG進入發(fā)動機燃燒之前需將其蒸發(fā)氣化為氣體，并由主閥控制氣體的量，在氣體進入發(fā)動機之后燃燒產(chǎn)生動能。

2.2 廢氣再循環(huán)技術

EGR技術的主要原理是將部分廢氣引入進氣道，與空氣混合之后重新參與燃燒。由于廢氣中N2和CO2等氣體所占的比例較高，與進氣混合之后可降低進氣的氧濃度。氧濃度的降低有利于減緩燃料的前期化學反應速率，在預混合燃燒過程中減少缸內(nèi)高溫富氧區(qū)域NOx的生成；同時，廢氣中的H2O和CO2有著更高的熱容，在壓縮過程中能吸收較多的熱量，在燃燒過程中可降低缸內(nèi)的溫度，同樣有利于降低NOx的排放；另外，廢氣中的某些部分既可參與燃燒，也會影響到整個燃燒過程。當柴油機處于低負荷狀態(tài)時，過量空氣系數(shù)較大，采用EGR技術不僅不會影響其燃燒效率，還可有效降低NOx的含量，同時因布置簡單而得到廣泛應用。MAN B&W公司推出的EGR產(chǎn)品工作原理圖見圖3。

圖2 典型雙燃料發(fā)動機的LNG動力燃料系統(tǒng)圖

2.3 SCR船舶柴油機NOx減排后處理技術

SCR技術是目前主流的船用柴油機NOx減排后處理技術，在催化劑的作用下，通過往排氣管路噴入一定量的尿素溶液，使尿素在廢氣高溫的作用下熱解、水解生成NH3并與廢氣中的NOx發(fā)生還原反應，從而降低柴油機廢氣中的NOx含量，其主要反應如下。

1) 尿素熱解反應：CO(NH2)2→ NH3+ HNCO。

2) 尿素水解反應：HNCO + 2H2O → NH3+ CO2。

3) 標準SCR反應：4NH3+ 4NO + O2→ 4N2+ 6H2O。

4) 快速SCR反應：4NH3+ 2NO2+2NO → 4N2+ 6H2O。

以上選擇性催化還原反應需在一定的高溫下發(fā)生，且發(fā)生反應的氣體與催化劑需充分接觸。為增大催化劑的接觸面積，一般采用多層蜂窩結構的催化劑，廢氣流體只有在一定的高溫下與多層孔狀結構的催化劑表面充分接觸之后才能與NH3發(fā)生化學反應生成N2、H2O和O2（見圖4）。

圖3 MAN B&W 公司EGR產(chǎn)品工作原理圖

圖4 廢氣在多層孔狀結構的催化劑表面發(fā)生反應

3 NOx船舶廢氣處理系統(tǒng)選型及實船安裝

3.1 NOx船舶廢氣處理系統(tǒng)選型分析

3.1.1 雙燃料發(fā)動機實船安裝存在的問題

DF技術被認為是最節(jié)能環(huán)保的技術，從MAN B&W公司和WINGD公司推出的主流LNG發(fā)動機的技術參數(shù)來看，該技術已較為成熟并被推向市場。但是，從目前遠洋船舶廢氣處理系統(tǒng)的設備選型原則來看，DF技術還存在以下問題亟待解決：

1) 全球有LNG加氣站的港口很少，基礎設施建設遠不能滿足船舶營運的需要，這給遠洋船舶日常營運的便利性和經(jīng)濟性帶來挑戰(zhàn)。

2) 與船舶加裝LNG燃料相關的安全操作程序、規(guī)范和港口國檢查（Port State Control, PSC）要求尚待明確。

3) 船載LNG儲罐的技術要求和制作成本較高；同時，由于LNG加氣站少，必然要求遠洋船舶具有較強的續(xù)航力，這就意味著LNG儲罐需具有更大的艙容，技術經(jīng)濟性有待考證。

4) 滿足Tier III排放要求并獲得EIAPP證書的DF需對零部件進行監(jiān)控，目前全球維護保養(yǎng)體系中針對DF的服務體系尚不完善，維護保養(yǎng)較為困難。船員不熟悉DF，對LNG在船的安全性、LNG逃逸及DF爆燃現(xiàn)象的理解和應急處理沒有經(jīng)驗。

以上問題需在試驗中不斷尋找解決方法，是否選擇在商船上應用DF技術有待進一步觀察。

3.1.2 EGR技術實船應用存在的問題

目前市面上的EGR產(chǎn)品主要以MAN B&W公司推出的EGR產(chǎn)品為主，EGR技術已較為成熟并已得到實船應用，但在進行設備選型時還存在以下問題：

1) EGR技術主要針對的是大功率的低速柴油機，對于中高速機而言，EGR不具備優(yōu)勢，一般不采用。小功率主機選用EGR技術的經(jīng)濟性也不高。

2) 若主機選用EGR，整船滿足Tier III排放要求，則發(fā)電機組原動機只能選用LP-SCR，這樣的配置會使產(chǎn)品的互換性較低，增加很多維護管理的工作量；

3) EGR設備要求安裝在主機增壓器前端，安裝布置的靈活性受到限制，在主機一側布置較為困難，且EGR工況對增壓器的影響較大，對設備的可靠性要求極高；

4) 目前主機EGR只由MAN B&W公司提供，包括WTU處理分離單元、洗滌單元等，設備初值費用較高，技術經(jīng)濟性較差，同時冷卻系統(tǒng)、NAOH中和系統(tǒng)等會產(chǎn)生新的污染環(huán)境的副產(chǎn)品。

3.1.3 SCR船舶柴油機NOx減排后處理設備選型

SCR技術已成為船用柴油機滿足Tier Ⅲ對NOx排放控制要求的主流技術手段。與其他機內(nèi)控制技術相比，SCR技術具有NOx轉化效率高、不影響柴油機原有的特性、技術成熟和應用廣泛等優(yōu)勢，得到越來越多船東和柴油機廠商的認可。目前全球主要SCR供應商研發(fā)進度匯總見表3。

表3 全球主要SCR供應商研發(fā)進度匯總

目前國內(nèi)外還沒有滿足實船應用需求的完全成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，只有日立造機廠的HP -SCR產(chǎn)品較為成熟，但沒有長時間實船應用的經(jīng)驗。

SCR技術可分為高壓HP-SCR和低壓LP-SCR，主要區(qū)別在于高壓HP-SCR安裝在增壓器的前端，低壓LP-SCR安裝在增壓器的后端。SCR反應要求溫度達到300℃以上，若溫度較低，比如主機在船舶進出港作業(yè)期間處于較低排溫狀態(tài)的情況下，NH3易與廢氣中的SOx反應產(chǎn)生ABS黏附在催化劑的表面而難以去除，廢氣中的PM雜質易導致催化劑表面臟堵，HP-SCR因反應器單元布置在增壓器前端，一旦催化劑層失效或臟堵，會直接影響增壓器的工作效率，進而使主機的工況惡化，帶來極大的安全風險。

由于發(fā)電機組排煙溫度較高，發(fā)電機SCR一般采用LP-SCR更為經(jīng)濟。若主機選擇HP-SCR，則在同一艘船上同時具有主機的HP-SCR和發(fā)電機組的LP-SCR，不利于船舶維護保養(yǎng)工作的開展，故主機和輔機均采用LP- SCR技術的NOx尾氣后處理設備更理想。

低壓LP-SCR廣泛應用于電廠等工業(yè)領域，技術成熟且零備件（如催化劑）有很好的工業(yè)應用基礎，便于采購，成本低。LP-SCR安裝在增壓器后端，不會對柴油機的運營工況產(chǎn)生直接影響，且布置極其靈活。

綜上，認為船舶廢氣排放控制技術采用低硫燃油+LP-SCR的整體技術解決方案是當前最佳的選擇。

3.2 船舶廢氣處理系統(tǒng)實船安裝

以某遠洋船舶為例，闡述船舶廢氣處理系統(tǒng)（低硫燃油+ LP-SCR）方案在該船上的具體安裝布置方案。該船的動力系統(tǒng)由1臺主機（低速機）和3臺輔機（中速機）組成，柴油機機型及主要參數(shù)見表4。柴油機原始NOx排放達到Tier II標準，擬通過安裝船舶LP-SCR系統(tǒng)，降低機組NOx排放并滿足Tier III要求，該船將獲得中國船級社NEC(III)船級符號。

表4 某船柴油機機型及主要參數(shù)

主機LP-SCR系統(tǒng)包含混合管路、反應器、供給噴射單元、控制單元和尿素存儲單元（見圖5）。由于該船主機采用的是MAN 6S35ME-B9.5電噴柴油機，MAN公司要求SCR排放控制系統(tǒng)ERCS（ERCS系統(tǒng)有單獨的MOP)必須由柴油機廠（MDT license）控制，這其中包含尿素的噴射控制和NOx傳感器控制等，此外還有一些系統(tǒng)接口和部件供應方面的要求。

圖5 主機SCR系統(tǒng)方案示意

由于SCR要求NOx和NH3混合氣體與多層蜂窩狀催化劑充分接觸，足夠的接觸面積成為重要的技術指標，設備廠家提供的SCR設備（尤其是反應器）的尺寸比較大（見表5）。雖然LP-SCR設備在布置上有較大的靈活性，可在機艙煙囪棚區(qū)域根據(jù)實際情況進行布置，但在布置過程中需考慮催化劑的檢修和更換空間，且主機、輔機、廢氣鍋爐及旁通管路、消音器等設備需布置在有限的空間內(nèi)，這與煙囪棚的散熱和換氣需要形成較大的沖突，給實際工程布置提出較大的挑戰(zhàn)。

表5 某船主機SCR和輔機SCR設備的尺寸 單位：mm×mm×mm

假定該船經(jīng)常在北美和美國加勒比海區(qū)域作業(yè)，同時大部分時間航行在非 ECA區(qū)域?？紤]到航行的經(jīng)濟性和維護管理的便利性，決定采用廢氣旁通布置的方案，即在大部分時間內(nèi)將主輔機SCR系統(tǒng)旁通掉，燃用380cSt的重油，廢氣通過廢氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽，達到廢熱利用的目的，降低SCR反應器催化劑單元臟堵的可能性和船舶運營成本；在船舶進入 ECA區(qū)域之前，通過操作自動控制的高溫煙氣閥，將燃油模式切換到LP-SCR+低硫燃油工作模式，以滿足ECA區(qū)域對排放控制的要求，此時廢氣鍋爐被旁通，以免逃逸的NH3腐蝕廢氣鍋爐的煙管；SCR和廢氣鍋爐并聯(lián)的設置雖然會增加布置的難度，但對柴油機工作的背壓控制和設備的維護管理有很大好處。該船SCR系統(tǒng)實船布置見圖6。

圖6 某船SCR系統(tǒng)實船布置

實船安裝調試后的主機SCR系統(tǒng)，按照IMO對NOx排放標定的方法及現(xiàn)場中國船級社工程師的具體要求，主要對主機在25% CSR（Continuous Service Rating）、50%CSR、75%CSR和100%CSR等4個工況點下的NOx排放進行測試[6]，同時對其他工況點進行抽樣測量，結果見圖7，其中：上表是傳感器實測的 NOx值（1ppm=1×10-6）；中間表格是體積分數(shù)為 40%的尿素溶液噴射消耗量；下表是 NH3逃逸量的實測數(shù)據(jù)。每個工況點的測試時間都嚴格遵照規(guī)范的要求執(zhí)行。第三方檢驗機構根據(jù)對試驗環(huán)境的壓力、溫度和濕度等參數(shù)的修正，對各工況下的 NOx排放值進行加權平均計算，得出主機試驗結果滿足 NOx排放＜3.4g/(kW·h)、NH3的逃逸＜10×10-6的技術要求，取得中國船級社的認可，最終取得該型主機的EIAPP證書。

圖7 某船主機SCR系統(tǒng)實船測試數(shù)據(jù)圖

由于該設備還需進行實船耐久性試驗，在實際運營過程中還會不斷出現(xiàn)新的問題，需在生產(chǎn)實際中通過不斷積累經(jīng)驗加以完善。

4 結 語

船舶控制廢氣的要求越來越高，未來不僅對NOx、SOx和PM有限排要求，對碳排放的控制要求也會越來越高。這就要求人們不僅要在廢氣處理技術方面投入更多的研究，而且要對新能源（如風能、太陽能、核能）、新技術（如電池技術）等在船舶上的應用進行研究。

【 參 考 文 獻 】

[1] IMO. Resolution MEPC 176(58), revised MARPOL ANNEX VI[S]. 2008.

[2] 馮志明. 船舶柴油機排放控制技術的新發(fā)展[J]. 柴油機，2010, 32 (1): 13-17.

[3] 張東明，平濤，閆萍，等. 船舶柴油機應對 IMO Tier III排放法規(guī)的技術措施[J]. 柴油機，2011, 33 (4): 29-33.

[4] 胡必柱. 廢氣再循環(huán)對船用中速柴油機性能及排放的影響研究[D]. 武漢：中國艦船研究院，2013.

[5] 李文祥. 內(nèi)部EGR在增壓器柴油機的應用[J]. 內(nèi)燃機工程，2006 (6): 43-46.

[6] 中國船級社. 船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南：GD13—2015[S]. 2015.