淺述船用SCR技術及應用

徐文 蔣大偉 丁樂中 李俊鵬

摘 要：隨著排放法規要求的日益嚴格，船用柴油機上配備排放后處理裝置已成為大勢所趨。選擇性催化還原（SCR）技術是目前最流行和成熟的機外凈化技術，國際海事組織（IMO）已于2011年7月將這一技術列為了船舶柴油機NOX排放控制技術導則方案。本文主要介紹了船用柴油機SCR技術及其應用。可以預測，船用SCR系統在未來的全球市場前景將極為廣闊。

關鍵詞：船用柴油機 SCR技術 排放控制

1.引言

隨著世界貿易的不斷發展和經濟全球化的進一步深度融合，船舶對大氣和海洋環境的污染也日益加劇。為減少海洋污染、維護地球環境，IMO于2008年10月正式通過了MARPOL 73/78公約附則VI的修正案《NOX技術規則》，對船用NOX的排放標準和排放控制區域進行了規定，提出了3個階段的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到第一階段的80%以上。為應對如此嚴格的NOX排放標準，降低NOX排放已成為船用柴油機制造廠商和科研人員的關注重點，而在船用柴油機上配備排放后處理裝置已成為大勢所趨。SCR系統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月將這一技術列為了船舶柴油機NOX排放控制技術導則方案。

2.船用SCR技術

2.1船用柴油機SCR系統

船用SCR系統主要由還原劑存儲及供給系統、計量供給單元、混合裝置、SCR反應器、催化劑載體、吹灰裝置、控制系統等組成，如圖1所示。根據布置方式不同可分為高壓和低壓系統兩類，高壓系統催化劑反應器布置在增壓器之前，而低壓系統布置在增壓器之后。

還原劑存儲及供給系統主要是指尿素罐、尿素噴射泵、噴嘴、尿素供應管等，尿素泵將尿素罐中存儲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柴油機的運行狀況調整進入噴嘴的尿素流量。計量供給單元主要包括壓差計量裝置、尿素/壓縮空氣轉換裝置、控制裝置和壓力緩沖裝置等。尿素/壓縮空氣轉換裝置根據需要轉換內管介質，SCR工作時內管介質為尿素溶液，SCR旁通模式時內管介質為壓縮空氣，以此避免尿素噴射器過熱損壞。混合裝置的設計是SCR系統設計的重要組成部分，在進入反應器之前，尿素還原劑通過壓縮空氣被噴射進入混合裝置，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入廢氣中，尿素在混合管路中轉化為氨水，在到達反應器前與廢氣均質混合。整個混合裝置主要包括尿素噴嘴、靜/動態混合器、混合管路等。

SCR反應器是SCR系統的關鍵設備，它是廢氣與催化劑發生選擇性催化還原反應的場所。反應室多采用固定床式，根據不同要求，反應器可采用水平或垂直方式布置。催化劑作為SCR系統的核心，其活性和結構參數直接決定著整個系統的性能，目前采用的SCR催化劑大多為V2O5-WO3/TiO2載體型催化劑。在設計和選擇SCR催化劑載體時需綜合考慮催化劑的活性參數和結構參數，以最大限度優化SCR系統的性能和結構尺寸。

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反應器內部安裝吹灰裝置。目前應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現吹灰。整個裝置主要由壓縮空氣儲存罐、空壓機、吹灰噴嘴及氣動流量閥等組成。SCR控制系統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，根據主機的負荷及轉速調節尿素的供給量，從而實現對噴入所需還原劑量的有效控制。同時，也對旁通系統和吹灰系統的壓縮空氣量進行控制，此外，還包括對全工作過程的狀態監測和報警。

2.2應用

2.2.1 國外應用

在船用SCR系統研發和應用方面，國外的研發更早，應用更多。早在1989年，MAN B&W公司就已在6S50MC船用柴油機上安裝了SCR系統。2011年，MAN公司研發了緊湊型SCR系統，并首次將其應用在6S46MC-C8型船用柴油機上。2015年，CCS船級社向MAN公司頒發了首張適用于MAN 21/31柴油機組、滿足IMO Tier III排放要求的EIAPP證書，以及全球首張船用中速柴油機全系列SCR系統原理認可證書（AIP）。

1992年，瓦錫蘭公司第一次在船用柴油機上配置并安裝了SCR系統。此后，該公司對船用SCR系統持續投入研發，至2006年已在100多臺船機上安裝了SCR系統。2008年，瓦錫蘭公司又開發了低溫SCR系統，使得柴油機在較低排氣溫度時也可達到較高的脫硝率。2011年，該公司又與ABB公司聯合瑞士Hug Engineering公司共同研發出了新型SCR系統，該系統比傳統SCR系統體積小80%，在節省成本的同時更便于船上安裝布置。

2011年，韓國現代重工首次發布了其自主開發的SCR系統，并通過了KR船級社的認證。2013年，韓國Doosan公司發布了其自主研發的低溫SCR系統，該系統可在較低的柴油機排氣溫度下降低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臺配備低溫SCR系統的船用低速柴油機供應合同，實現了低溫SCR系統的商業化應用。

2010年，日本日立公司在6S46MC-C8船用低速柴油機上安裝應用了全球首臺滿足IMO Tier III要求的船用SCR系統。2011年，日本NPS公司對裝船測試滿足Tier III要求的船用SCR技術進行了研究。同年，日立公司的SCR系統獲得了NK船級社的許可，在之后的3年里對該系統進行了實船實海域調試，2014年該系統獲得了MAN Diesel & Turbo公司的首次許可，并成為德國指定的唯一船用SCR系統供應商。

挪威YARA公司作為一家SCR系統和零件的專業供應商，可滿足SCR控制系統、催化劑、泵站、吹灰系統等方面的眾多需求，2016年為韓國現代公司提供了SCR系統中的大部分零件。2015年，菲亞特動力科技在第十四屆中國（上海）國際動力設備及發電機組展覽會上展示了其高效SCR后處理系統（HI-eSCR）發動機，該系統為目前全世界唯一滿足Tier 4B排放標準的系統。2015年，卡特彼勒公司制造了CatTier4FinalC280-16發電機組，該發電機組為該公司制造的使用柴油電推的最大發電機組，使用SCR技術使得運營成本降至最低，同時也充分考慮了船艙結構，尺寸緊湊便于布置。

2.2.2國內應用

相較于國外，國內對船用SCR系統的研究應用起步較晚。2001年，廣船國際有限公司在船舶主機上引入了德國西門子公司研發的SCR系統。2004年和2010年，南京金陵船廠分別使用了Munters公司的SCR系統。2015年，中船重工711研究所獲得了CCS頒發的國內首張滿足IMO Tier III排放限值要求的SCR產品AIP證書。

廣西玉柴經過大量實驗研究，于2014年1月成功研發出國內首套滿足IMO Tier III排放限值要求的柴油機系統。該系統將SCR系統與電控單體泵燃油系統相結合，在不影響柴油機性能的情況下，可較大程度減少柴油機NOX排放。

滬東重機有限公司與上海中船三井造船柴油機有限公司于2012年開始開發SCR系統，于2015年成功研制出世界首套WINGD低速柴油機高壓SCR系統（HP-SCR）及國內首套MDT低速柴油機HP-SCR系統。隨后的兩年多里，經過一系列實船測試，于2017年8月順利完成七大船級社型式認可試驗，并提交首臺商業訂單。2018年9月，又全新發布了低壓LP-SCR系統產品，截止2018年12月，已手持SCR系統訂單60余套。

2016年12月，大連船柴集團與中船重工第711研究所聯合開發的LP-SCR系統順利通過各項測試。試驗結果表明：在滿足最大氨逃逸率限值的情況下，該LP-SCR系統可以使目標柴油機的NOx減排率達到80%以上，完全滿足IMO Tier III的排放限值要求。

2017年6月28日，中船動力有限公司引進瑞士Hug公司技術生產的船用中速柴油機低溫SCR系統完成了臺架測試和驗收試驗，并順利通過了BV和DNV-GL的認證。該型SCR系統具有高度自動化的特點，可根據柴油機的不同工況自動調節尿素溶液的噴射量，且集控室的顯示屏能夠隨時調看SCR系統各部分的運行狀態參數，同時兼具監測和報警作用，這是我國生產的首套滿足IMO Tier III排放標準的低溫SCR系統，也是我國生產的首套高度自動化的SCR設備。其后，又先后分別取得CCS、BV、DNV-GL、KR、LR等各大船級社頒發的帶SCR的Tier III排放證書。目前，公司已完成和手持SCR訂單數量已近150臺/套，已成為國內最大的船用中速機低壓SCR系統配套生產廠商。

2017年11月，青島雙瑞公司在中國船舶重工集團柴油機有限公司（中國船柴）完成了滿足IMO Tier III標準的MDT柴油機FTA臺架試驗，并順利通過了CCS、DNV-GL、LR三大船級社的認證。該系統針對船舶設備的特殊運行環境進行了量身設計，適用于高硫或低硫燃油工況。系統充分考慮了操作維護的便利性，大幅減輕了船員的工作負擔。同年12月26日，青島雙瑞公司舉行首個船用低速機高壓SCR系統合同簽字儀式，標志著青島雙瑞公司正式進軍船舶SCR系統市場。

2018年3月，由中國船柴大柴公司進行生產的第一臺帶高壓SCR系統的6S35ME-B MK9.5智能型主機成功交驗。該主機通過配置高壓SCR系統，保證了主機在使用高硫燃油的情況下，氮氧化物排放仍能滿足IMO Tier III限值要求。據悉，這是世界首套將SCR旁通閥布置在排氣定壓管內的SCR系統，技術難度高、要求嚴格。

總體來看，當前國內船用SCR系統的研究開發應用已取得了一定進展。隨著2016年IMO Tier III的正式實施，可以預見，未來全球船用SCR系統的市場前景將極為廣闊。因此，各科研院所、生產企業應加快研發速度并加大投入，以期讓我國的船用SCR系統在國際市場上能占據一席之地。

3.結論

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

船用柴油機SCR系統的主要構成包括還原劑存儲及供給系統、計量供給單元、混合裝置、SCR反應器、催化劑載體、吹灰裝置、控制系統等，根據布置方式不同主要可分為高壓和低壓系統兩類。在船用SCR系統研發和應用方面，國外的研發更早，應用更多。MAN B&W公司、瓦錫蘭公司、韓國的現代重工和Doosan公司、日本的日立公司和NPS公司、挪威YARA公司、菲亞特動力科技及卡特彼勒公司等眾多國外公司在船用柴油機SCR技術應用領域均有所建樹。國內對船用SCR系統的研究應用則相對起步較晚，但也已取得一定進展，一些科研所、造船廠和主機廠在船用柴油機SCR技術上也都有了一定的研究應用，未來全球船用SCR系統的市場前景將極為廣闊。

參考文獻：

[1]吳哲，陳永艷，曹林.船用柴油機應對IMO Tier Ⅲ排放法規的路線選擇[J].船舶工程，2015，37，25-29.

[2]HERDZIK J.Emissions from Marine Engines versus IMO Certification and Requirements of Tier 3[J].Journal of KONES Powertrain and Transport，2011，18，161-167.

[3]王耀霖.船舶尾氣高效脫硝系統的開發與優化[D].浙江大學，2017.

[4]郭忠華.淺談船用低速柴油機SCR后處理系統發展現狀與趨勢[J].廣東造船，2017，156，78-80.

[5]徐飛.船舶柴油機SCR系統閉環控制策略研究[D].哈爾濱工程大學，2017.