滿足Tier III的船舶氮氧化物排放控制方法簡析

（上海熔圣船舶海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200444）

0 引言

船舶柴油機(jī)排放廢氣中的 NOx對環(huán)境的影響已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)引起了普遍關(guān)注。國際海事組織（IMO）推出了Tier III標(biāo)準(zhǔn)，其中對NOx排放的規(guī)定是：2016年1月1日或之后建造的船舶上安裝的船用柴油機(jī)的氮氧化物排放在指定的氮氧化物排放控制區(qū)（NOxECA）內(nèi)運(yùn)行時(shí)不得超過所謂的第三級別[1]。對于轉(zhuǎn)速低于130 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，Tier III規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)是3.4g/kWh，其在NOxECA以外運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須符合Tier II的限值14.4 g/kWh。對于轉(zhuǎn)速高于130 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)，其NOx排放必須達(dá)到更低的值[2]。面對如此苛刻的限制條件，船舶柴油機(jī)需要加裝額外設(shè)備或經(jīng)過特殊復(fù)雜的設(shè)計(jì)改造才能達(dá)到要求。

1 滿足Tier III的NOx排放控制方法

目前，技術(shù)相對成熟、實(shí)船應(yīng)用廣泛并得到業(yè)界認(rèn)可的3種NOx排放控制方法[3]為：1）主輔機(jī)加裝選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)；2）主機(jī)加裝廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）裝置+輔機(jī)加裝SCR技術(shù)；3）使用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。這3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 NOx排放控制方法的對比表

1.1 選擇性催化還原法

選擇性催化還原法[4]的基本原理是在適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境下，廢氣在SCR催化劑表面與噴入的尿素或氨水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，氮氧化物（NOx）被還原為氮?dú)猓∟2）和水蒸氣（H2O），如圖1所示。

主要組成部件包括SCR反應(yīng)器、尿素噴射裝置、吹灰系統(tǒng)、尿素艙、控制單元以及相關(guān)閥，另外，配備于二沖程主機(jī)的低壓SCR還配有燃燒器、尿素分解單元和鼓風(fēng)機(jī)。

圖1 SCR反應(yīng)原理示意圖

根據(jù) SCR系統(tǒng)的布置方案的不同，可分為高壓SCR和低壓SCR。

1）高壓SCR。高壓SCR系統(tǒng)中，SCR反應(yīng)器布置在柴油機(jī)增壓器前。高壓SCR應(yīng)用廣泛、技術(shù)相對成熟，安裝高壓SCR的主機(jī)要改動(dòng)增壓器，所以一般SCR由主機(jī)廠家打包提供，取證手續(xù)也相對簡單，不需要在船上做模型試驗(yàn)。高壓SCR安裝于主機(jī)廢氣集氣管和增壓器之間，通常安裝在機(jī)艙里，占用空間大。

2）低壓SCR。低壓SCR系統(tǒng)中，SCR反應(yīng)器布置在柴油機(jī)增壓器后。由于低壓SCR是安裝在增壓器之后的，所以其安裝位置相對靈活，可以選擇安放在煙囪里。

對于二沖程主機(jī)而言，配備低壓SCR系統(tǒng)時(shí)，會(huì)比配備高壓SCR系統(tǒng)時(shí)多配1一個(gè)氨噴射裝置和1個(gè)分解單元（包含1臺(tái)引風(fēng)機(jī)、1臺(tái)小燃燒器和1個(gè)蒸發(fā)器），如圖2所示。尿素被噴入蒸發(fā)器形成混合的氨蒸汽，通過引風(fēng)機(jī)吹入SCR反應(yīng)器。二沖程主機(jī)中，經(jīng)過增壓器后的廢氣溫度有所降低，主機(jī)低負(fù)荷時(shí)廢氣溫度太低，尿素在低溫廢氣環(huán)境下容易產(chǎn)生NH4HSO4，這時(shí)候需要啟動(dòng)燃燒器，把循環(huán)廢氣加熱升溫來消除NH4HSO4。

低壓SCR主機(jī)的油耗比高壓SCR主機(jī)的高，另外還需增加 1個(gè)小燃燒器，因此船舶運(yùn)營成本也相對較高。另外，低壓SCR主機(jī)若需滿足Tier III排放，則只能使用低硫油。

1.2 廢氣再循環(huán)裝置法

廢氣再循環(huán)裝置法的基本原理是將定量廢氣經(jīng)過冷卻和清洗后，引入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，再循環(huán)到燃燒室。這個(gè)過程中，掃氣系統(tǒng)中的一部分O2被燃燒過程產(chǎn)生的CO2所代替，這個(gè)替代過程降低了O2的濃度，增加了參與反應(yīng)物質(zhì)的熱容量，從而降低了燃燒的最高溫度，減少了 NOx的生成。NOx的減少幾乎與循環(huán)廢氣的比例成線性關(guān)系。

主要組成部件包括EGR單元（包括冷卻器、清洗裝置、鼓風(fēng)機(jī)、分配腔、進(jìn)出口管等）、水處理單元、收集柜單元、NaOH柜、控制單元以及相關(guān)閥件。

圖2 帶低壓SCR的低速機(jī)和中速機(jī)

EGR單元本身不需要消耗任何化學(xué)物質(zhì)。為了防止硫物質(zhì)損壞主機(jī)，循環(huán)廢氣需要先清洗，所以在這過程中需要加入淡水并通過冷卻器和清洗裝置進(jìn)行冷卻清洗。為了使淡水可以循環(huán)利用，必須安裝廢水處理裝置，而且廢水處理系統(tǒng)還必須確保能清除在水中累積的顆粒物和處理水中所含的酸性硫化物，確保供應(yīng)足夠量和壓力的淡水到 EGR單元。另外，如果要將廢氣清洗裝置清洗廢氣后產(chǎn)生的廢水排出舷外，必須滿足《廢氣清洗系統(tǒng)導(dǎo)則(2015)》(MEPC.259(68)決議)的規(guī)定。

1.3 雙燃料柴油機(jī)

圖3 雙燃料柴油機(jī)燃?xì)猓↙NG）模式下與燃油（MDO）模式下排氣物對比圖

雙燃料柴油機(jī)（主機(jī)和輔機(jī)）可以在燃?xì)?燃油模式下切換運(yùn)行[5]。燃用天然氣時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣中污染物少，圖3給出了雙燃料柴油機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较屡c燃油模式下的排氣物對比。另外，使用雙燃料柴油機(jī)要同時(shí)安裝一套天然氣供氣系統(tǒng)，這是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及LNG罐的類型選擇和安放位置設(shè)計(jì)、LNG系統(tǒng)其他附屬設(shè)備的布置、雙壁管的合理設(shè)計(jì)以及 LNG系統(tǒng)有關(guān)的危險(xiǎn)區(qū)域的劃分等。

2 船東的選擇和船廠訂貨考慮

船東更多關(guān)注初始投資和運(yùn)行成本的高低、操作的方便性和系統(tǒng)的可靠性等。

安裝SCR方式雖然運(yùn)營成本相對較高（消耗尿素成本高），但因?yàn)槠涑跏纪顿Y成本相對較低，實(shí)船應(yīng)用也較多，技術(shù)相對成熟，比較受船東青睞；選用EGR方式的初始成本相對高，運(yùn)營成本相對低（消耗的氫氧化鈉溶液成本較尿素低），另外它集成于主機(jī)上，操作管理方便，但是其運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生廢渣，而且消耗的氫氧化鈉溶液為強(qiáng)堿，管理費(fèi)用和操作要求相對較高，目前船舶柴油機(jī)配套較少；使用雙燃料柴油機(jī)可以同時(shí)滿足SOx和NOx的排放控制要求，且液化天然氣價(jià)格也相對合理，但LNG系統(tǒng)初始投資成本很高，LNG罐會(huì)占用貨艙空間，而且LNG的加注受限，船東要綜合考慮貨物運(yùn)輸以及船舶的航線最終確定，隨著LNG供應(yīng)的日趨完善，雙燃料柴油機(jī)的應(yīng)用也在慢慢增加。

對船廠來說，設(shè)計(jì)考慮的因素更多，如設(shè)備的布置、電力消耗、更低的壓力損失、系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)等。

無論是SCR、ECR或是雙燃料主機(jī)（LNG系統(tǒng)），其附屬設(shè)備都很多，各種設(shè)備的布置是船廠首先要考慮的問題。SCR安裝于主機(jī)外部，占用空間大，而且它還有高壓和低壓之分，選用之前必須核查其尺寸和機(jī)艙空間的大小；ECR集成于主機(jī)上，結(jié)構(gòu)相對緊湊；雙燃料主機(jī)則要考慮LNG罐的類型選用和安放空間。其次考慮的是電力消耗，這 3種系統(tǒng)的電力消耗都較大，所以必須通過電力負(fù)荷計(jì)算檢查船舶所配輔機(jī)是否合理。

無論是SCR、EGR，還是雙燃料主機(jī)（LNG系統(tǒng)）系統(tǒng)，都會(huì)對船舶空船重量控制、電力負(fù)荷、船上的排氣、淡水、海水、壓縮空氣、油渣等系統(tǒng)以及相關(guān)系統(tǒng)管路材料選擇產(chǎn)生影響。安裝 SCR需增加一個(gè)SCR工作空壓機(jī)，會(huì)使壓縮空氣系統(tǒng)變復(fù)雜；安裝EGR則要涉及淡水、油渣等系統(tǒng)的改動(dòng)；而雙燃料主機(jī)涉及的系統(tǒng)更多，還要考慮通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)等等。

3 其他減少NOx排放的技術(shù)探索及Tier III未來發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展以及市場的需求，造船也進(jìn)入了新的時(shí)代。造船規(guī)范日趨嚴(yán)格，為了滿足新規(guī)范的要求，減少柴油機(jī) NOx排放的方法不斷推陳出新，例如進(jìn)氣濕化技術(shù)、油水乳化技術(shù)、直接噴水技術(shù)、提高燃油十六烷值等方法或還處于模型研究和試驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段，或限制排放效果不佳，其進(jìn)入工程應(yīng)用還需要很長一段時(shí)間。

排放控制區(qū)的范圍越來越廣，限制要求越來越高，滿足Tier III排放要求的船舶數(shù)量也在不斷增加，而且運(yùn)用Tier III合規(guī)技術(shù)還可能帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，因?yàn)槿绻胺系谌江h(huán)境計(jì)劃，許多重要港口都將為合規(guī)船舶的港口使費(fèi)提供大幅折扣。

4 結(jié)論

本文通過對比 NOx排放控制的幾種方法，認(rèn)為其技術(shù)手段雖多種多樣，然而利弊還需仔細(xì)權(quán)衡。SCR適用于主輔機(jī)，運(yùn)營成本高；ECR占用面積小，但運(yùn)營過程中產(chǎn)生廢渣；雙燃料柴油機(jī)排氣中污染物少，但初始投資成本大。所以，需要結(jié)合船東和船廠的自身需求和設(shè)計(jì)要求來確定選用何種方法。

排放控制法規(guī)越來越嚴(yán)格，排放控制方法將隨著更新?lián)Q代。本文剖析了 NOx排放控制的方法，可為船東和船廠的決策提供一定的參考。

[1] IMO. MARPOL 73/78防污公約附則VI[S]. 2015.

[2] IMO. MEPC 53/24/Add.1氮氧化物技術(shù)規(guī)則[S].2008.

[3] MAN Diesel & Turbo. Emission Project Guide[Z].2015.

[4] 中國船級社. 船舶選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)預(yù)設(shè)指南[S]. 2016.

[5] 周龍寶. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2006.