淺談船用低速柴油機SCR后處理系統發展現狀與趨勢

郭忠華

摘 要：本文介紹了國際法規對SCR系統發展的推動作用，詳述了SCR高壓和低壓系統的原理及其優缺點，并通過市場調研簡述了SCR系統的發展現狀，預測了未來SCR的發展方向和市場前景，可為企業發展SCR系統提供一定的參考。

關鍵詞：Tier III；船用低柴油機；SCR系統；現狀；趨勢

中圖分類號：U664.122 文獻標識碼：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

隨著國際航運業及遠洋船舶運輸的發展，以柴油為燃料的船舶發動機所產生的廢氣排放已成為沿海地區尤其是港口的主要污染源。

為了限制船舶柴油機排放對環境的污染，各國政府和國際組織相繼制定了相關的船舶柴油機排放限制法規。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中對船用發動機的NOx排放作了明確規定，其具體的限值如圖1所示。該附則的規定已于2005年5月19日對所有協議簽署國的船舶正式生效[1-2]。

MARPOL 73/78公約規定的排放標準分三個階段實施，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，見圖2。在排放控制區內航行時，應符合Tier III排放標準。

目前，減排技術大體可分為兩類：一類是通過控制柴油機缸內燃燒的方法降低NOx排放，目前比較成熟的技術是使廢氣再循環（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，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。

2 SCR系統基本原理

2.1 SCR系統反應基本原理

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），反應方程式為：

同時，也會發生硫化物SOx的還原反應，產生附加產物硫酸氫氨NH4HSO3。該物質低溫下容易沾附在催化劑表面使其失去活性，反應方程式為：

2.2 SCR系統基本布置方案

根據布置方式不同可分為兩種形式：高壓SCR系統和低壓SCR系統。

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

低壓SCR系統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系統發展現狀

3.1 國外發展現狀

上世紀九十年代，SCR系統已經逐漸安裝于船舶柴油機上，主要為增壓器后布置的SCR系統，其生產公司為瑞典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系統安裝在航行于港口、排放控制區的豪華游艇上。

隨著IMO排放控制區域的擴大化，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系統的研發力度。

WinGD公司一直致力于降低船舶SCR系統的研究，先后開發出高壓和低壓SCR系統。WinGD公司開發的高壓SCR系統，安裝在6RTA52U柴油機上，測試結果表明，NOx減排量超過90%，E3測試循環下NOx排放量小于2 g/kW · h。2015年WinGD與滬東重機合作開發了基于5RT-flex58T-D機型高壓SCR系統，其NOx排放量達2.56 g/kW · h，應用于22 100 DWT 多用途船上。據稱WinGD公司目前正在進行主機機內SCR的開發工作，計劃直接將SCR反應器集成在排氣集管上，目的是為了減少SCR系統占用空間，便于布置。該方案現處于初期研發階段，預計未來5～10年才能有實船應用。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公司合作開發的高壓SCR系統，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，當負荷在40%～100%這一范圍時，SCR系統啟動運行；當負荷低于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。endprint

日本日立公司成功開發了高壓SCR系統，并于2011年應用在MAN B&W 6S46MC-C8.1主機上，通過實際驗證，可以滿足IMO Tier III排放標準。2014年，日立公司成為目前唯一獲得德國MAN B&W公司FTPA認證的船用SCR系統生產商。

韓國現代公司目前研發的高壓SCR系統，取得WinGD和MAN B&W臨時證書，并通過了DNV、ABS、BV等多家船級社認證。

韓國斗山發動機2015年研發了低壓SCR系統，并獲得GL船級社認證。該SCR系統也可以滿足IMO Tier III排放標準。與現有SCR系統只應用于高溫廢氣，受安裝地點和空間限制相比，該SCR系統在增壓器后增加了廢氣加熱裝置，使其反應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點，但該系統運營費用較高壓SCR系統高。

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

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

從以上情況來看，兩大專利方WinGD和MAN均有成熟的技術儲備，并有實船應用。日本日立公司開發的SCR產品唯一取得MAN B&W公司FTPA認證，而韓國現代和斗山都分別開發出高壓和低壓SCR系統，并正在項目實施當中?？偠灾?，國外船舶柴油機SCR系統已有成熟的產品，并已經產業化。

3.2 國內發展現狀

在國內，一些高校和研究機構早已看好船舶柴油機Tier III減排裝置潛在市場，均已開始SCR系統研發；滬東重機聯合哈爾濱工程大學研發了船舶低速二沖程柴油機低壓SCR系統；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小組，目前正在開展船用低中高速柴油機SCR系統開發。

滬東重機是國內船用低速柴油機生產的領頭羊，2015年1月23日，它率先發布了國內首款船用低速柴油機高壓SCR系統。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年共同開發了一款高壓SCR系統。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聯合承擔了國家高技術船舶科研項目-“船用低速柴油機尾氣NOx后處理裝置研究與開發”，共同開發一款具有自主知識產權低壓SCR系統，目前該項目已經結題。滬東重工以此項目為基礎，已接單生產了低壓SCR后處理系統，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，聯合開發船用SCR系統，711所于2014年開始介入低速機SCR系統，進行了概念設計及實驗室臺架試驗，目前據稱已成功開發出了船用低速柴油機高壓SCR系統，臺架試驗能夠滿足Tier Ⅲ標準。近期711所又聯合大柴開發的低壓SCR系統順利通過各項測試，臺架試驗也能夠滿足Tier Ⅲ標準。

此外，青島雙瑞海洋環境工程有限公司在WinGD的技術支持下正在開展SCR研發工作，目前處于實驗階段。國內對柴油機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、催化劑等關鍵性零部件受制于國外供應商。

4 SCR系統未來發展趨勢

目前SCR系統有高壓和低壓兩種方案，從市場選擇和技術發展角度來看，低壓方案未來將占主導地位。

（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，其發展方向是開發高效催化劑以降低催化劑的體積，增加其布置的靈活性，降低整個系統的成本；

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

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

5 結論

綜上所述，隨著環保法規越來越嚴格，以及SCR各項技術逐漸發展成熟，SCR系統必將在船舶Tier Ⅲ排放解決方案中大有所為。

參考文獻

[1] 范云志. 如何面對船舶大氣污染 [J]. 中國船檢， 2004（10）.

[2] 張杰，楊傳富，于軍. 世界船舶排放法規的進展及其主要配套技術探

討 [J]. 柴油機，2007，29（5）.

[3] IMO MEPC 177（58）決議“船用氮氧化物排放控制技術規則修正案”[S].

人民交通出版社，2009.

[4] 黃萬能. 船用柴油機降低NOx排放措施的方法 [J]. 中國修船，2007，20

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