远洋船舶NOx废气处理系统SCR选型及实船安装

2019-04-25殷华兵王伟彬

船舶与海洋工程 2019年1期

殷华兵，王伟彬

（中远海运特种运输股份有限公司，广东广州 510623）

0 引言

远洋船舶须满足国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）制定的MARPOL公约附则VI对船舶NOx和SOx的排放要求[1]，以有效约束船舶尾气排放对大气造成的污染（见表1和表2）。该公约规定的船舶NOx和SOx第3阶段控制标准（TierⅢ）已正式施行，在排放控制区域内航行的船舶面临严格的排放限制要求。

表1 MARPOL73/78公约附则VI中关于船舶燃油含硫量的控制标准

表2 MARPOL73/78公约附则VI中关于NOx的控制标准单位：g/(kW·h)

我国针对沿海船舶和内河船舶排放控制的法规也日趋严格，其中 2016年正式生效的珠三角、长三角和环渤海水域船舶排放控制区实施方案（中国版排放控制区）针对船舶NOx和SOx等污染物排放制订了分阶段的控制目标，以改善这些区域的空气质量；同时，我国首部专门针对船舶大气污染物排放控制的强制性标准《船舶压燃式发动机排气污染物排放限制及测量方法（中国第一、二阶段）》对船舶NOx和SOx等多种污染物排放做出了明确限制，对在我国排放控制区内航行的船舶提出了更高的要求。

无限航区的远洋船舶，尤其是在SOx排放控制区（SECA）和NOx排放控制区（ECA）航行的船舶，将来面对的局面是必须对尾气排放进行控制，以满足越来越严格的污染物排放限制要求。选择和安装船舶废气（NOx、SOx）处理系统成为新造船舶要解决的问题。

1 远洋船舶废气处理系统设备选型原则

1.1 安全性原则

安全是远洋船舶设备选型最重要、最基本的原则。对于一项新技术或新设备而言，技术的成熟性非常重要，尚处在研发阶段且未经实船检验的产品不作为营运船舶考虑的对象。

此外，安全性还体现在潜在风险的大小上，一项成熟的技术也有可能对船舶核心安全设备的运行工况产生较大的影响，若废气处理系统对主机的工况影响较大，在使用之前需进行潜在风险系数评估，评估不达标的不能采用。

1.2 技术经济性原则

技术经济性主要体现在初置成本和维护管理成本2个方面。一般设备成本中有很大一部分来自研发成本，这部分成本最终会转嫁给用户，故选用技术和市场开发均较为成熟的产品有利于降低初置成本。当然，即使初置成本不高，维护管理成本提高也会使整体运营成本提高，该产品的技术经济性也会降低。

1.3 工程实现可行性原则

当前建造的远洋商船在设计上越来越多重视适货性和经济性，船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index, EEDI）的提出在技术经济性上对船舶设计提出了更高的要求。新设计的船舶将尽可能多的空间留给货舱区域使得机舱、生活区和烟囱棚等区域的空间变得越来越小，甚至已影响到机舱正常的通风和散热需求。安装和布置废气处理系统必须考虑该情况，工程实现的可行性是主要考量的技术指标之一。

1.4 便于维护管理原则

远洋船舶在大洋中航行期间无法得到很好的岸基支持，可靠性高、易于维护管理、互换性高及耗费品易于获得的船用产品将是优先选用的产品。

2 船舶废气处理技术研究现状

船舶废气处理技术主要针对的是NOx和SOx的排放限制，目前市面上的SOx处理技术主要有采用洗涤塔和直接燃用低硫燃油2种。由于洗涤技术不仅需要采用体积庞大的洗涤塔，还需用海水和有腐蚀性的碱对废气中的硫化物进行洗涤和中和，且在处理完之后会产生对环境造成二次污染的洗涤副产物，故洗涤塔对船舶的安装和设计提出较大的挑战，维护和管理也较为困难。与之相比，低硫燃油易于获取，且随着燃油提炼技术的发展，低硫燃油的采购成本会有所降低，故洗涤塔除硫技术不作为本文研究的重点。

NOx减排技术[2]主要有机内控制技术和机外控制技术2种，其中：机内控制技术主要通过推迟喷油、进气加湿、废气再循环和均质预混合燃烧等方式降低柴油机燃烧火焰的温度及减少高温停留时间，从而实现NOx的减排；机外控制技术主要通过选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）等技术，根据催化还原原理，在柴油机废气端实现NOx的减排[3]。

目前，柴油机缸内的 NOx机内控制技术主要有推迟喷油技术、进气系统改进技术、进气加湿技术（Humid Air Motor, HAM）、燃油乳化技术（Fuel Water Emulsification, FWE）、均质预混合燃烧技术（Homogeneous Charge Compression Ignition,DF）等。相关学者[4]对已有减排技术的效果进行调查研究，给出各减排技术的减排效果潜力及IMO标准对比见图1。从图1中可看出，随着Tier Ⅲ法规的实施，机内控制技术已不满足排放要求，只有废气再循环技术（Exhaust Gas Recirculation, EGR）[5]、DF和 SCR才能满足Tier III的排放要求。本文主要从实船安装研究的目的出发，分析EGR、SCR和DF技术的可行性和优劣。

图1 各减排技术的减排效果潜力及IMO标准对比

2.1 双燃料发动机技术

为满足 Tier III的排放要求，通过将双燃料发动机的工作模式由燃烧重油切换为燃烧液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）来实现，试验证明双燃料发动机可满足排放控制要求。

双燃料发动机在船舶上使用时，其LNG供气系统尤为重要。图2为典型双燃料发动机的LNG动力燃料系统图，由于LNG燃料需储存在极低的温度下，因此与一般的柴油动力船相比，LNG动力船往往需安装特别复杂的气体存储装置，在 LNG进入发动机燃烧之前需将其蒸发气化为气体，并由主阀控制气体的量，在气体进入发动机之后燃烧产生动能。

2.2 废气再循环技术

EGR技术的主要原理是将部分废气引入进气道，与空气混合之后重新参与燃烧。由于废气中N2和CO2等气体所占的比例较高，与进气混合之后可降低进气的氧浓度。氧浓度的降低有利于减缓燃料的前期化学反应速率，在预混合燃烧过程中减少缸内高温富氧区域NOx的生成；同时，废气中的H2O和CO2有着更高的热容，在压缩过程中能吸收较多的热量，在燃烧过程中可降低缸内的温度，同样有利于降低NOx的排放；另外，废气中的某些部分既可参与燃烧，也会影响到整个燃烧过程。当柴油机处于低负荷状态时，过量空气系数较大，采用EGR技术不仅不会影响其燃烧效率，还可有效降低NOx的含量，同时因布置简单而得到广泛应用。MAN B&W公司推出的EGR产品工作原理图见图3。

图2 典型双燃料发动机的LNG动力燃料系统图

2.3 SCR船舶柴油机NOx减排后处理技术

SCR技术是目前主流的船用柴油机NOx减排后处理技术，在催化剂的作用下，通过往排气管路喷入一定量的尿素溶液，使尿素在废气高温的作用下热解、水解生成NH3并与废气中的NOx发生还原反应，从而降低柴油机废气中的NOx含量，其主要反应如下。

1) 尿素热解反应：CO(NH2)2→ NH3+ HNCO。

2) 尿素水解反应：HNCO + 2H2O → NH3+ CO2。

3) 标准SCR反应：4NH3+ 4NO + O2→ 4N2+ 6H2O。

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

以上选择性催化还原反应需在一定的高温下发生，且发生反应的气体与催化剂需充分接触。为增大催化剂的接触面积，一般采用多层蜂窝结构的催化剂，废气流体只有在一定的高温下与多层孔状结构的催化剂表面充分接触之后才能与NH3发生化学反应生成N2、H2O和O2（见图4）。

图3 MAN B&W 公司EGR产品工作原理图

图4 废气在多层孔状结构的催化剂表面发生反应

3 NOx船舶废气处理系统选型及实船安装

3.1 NOx船舶废气处理系统选型分析

3.1.1 双燃料发动机实船安装存在的问题

DF技术被认为是最节能环保的技术，从MAN B&W公司和WINGD公司推出的主流LNG发动机的技术参数来看，该技术已较为成熟并被推向市场。但是，从目前远洋船舶废气处理系统的设备选型原则来看，DF技术还存在以下问题亟待解决：

1) 全球有LNG加气站的港口很少，基础设施建设远不能满足船舶营运的需要，这给远洋船舶日常营运的便利性和经济性带来挑战。

2) 与船舶加装LNG燃料相关的安全操作程序、规范和港口国检查（Port State Control, PSC）要求尚待明确。

3) 船载LNG储罐的技术要求和制作成本较高；同时，由于LNG加气站少，必然要求远洋船舶具有较强的续航力，这就意味着LNG储罐需具有更大的舱容，技术经济性有待考证。

4) 满足Tier III排放要求并获得EIAPP证书的DF需对零部件进行监控，目前全球维护保养体系中针对DF的服务体系尚不完善，维护保养较为困难。船员不熟悉DF，对LNG在船的安全性、LNG逃逸及DF爆燃现象的理解和应急处理没有经验。

以上问题需在试验中不断寻找解决方法，是否选择在商船上应用DF技术有待进一步观察。

3.1.2 EGR技术实船应用存在的问题

目前市面上的EGR产品主要以MAN B&W公司推出的EGR产品为主，EGR技术已较为成熟并已得到实船应用，但在进行设备选型时还存在以下问题：

1) EGR技术主要针对的是大功率的低速柴油机，对于中高速机而言，EGR不具备优势，一般不采用。小功率主机选用EGR技术的经济性也不高。

2) 若主机选用EGR，整船满足Tier III排放要求，则发电机组原动机只能选用LP-SCR，这样的配置会使产品的互换性较低，增加很多维护管理的工作量；

3) EGR设备要求安装在主机增压器前端，安装布置的灵活性受到限制，在主机一侧布置较为困难，且EGR工况对增压器的影响较大，对设备的可靠性要求极高；

4) 目前主机EGR只由MAN B&W公司提供，包括WTU处理分离单元、洗涤单元等，设备初值费用较高，技术经济性较差，同时冷却系统、NAOH中和系统等会产生新的污染环境的副产品。

3.1.3 SCR船舶柴油机NOx减排后处理设备选型

SCR技术已成为船用柴油机满足Tier Ⅲ对NOx排放控制要求的主流技术手段。与其他机内控制技术相比，SCR技术具有NOx转化效率高、不影响柴油机原有的特性、技术成熟和应用广泛等优势，得到越来越多船东和柴油机厂商的认可。目前全球主要SCR供应商研发进度汇总见表3。

表3 全球主要SCR供应商研发进度汇总

目前国内外还没有满足实船应用需求的完全成熟的产品出现，只有日立造机厂的HP -SCR产品较为成熟，但没有长时间实船应用的经验。

SCR技术可分为高压HP-SCR和低压LP-SCR，主要区别在于高压HP-SCR安装在增压器的前端，低压LP-SCR安装在增压器的后端。SCR反应要求温度达到300℃以上，若温度较低，比如主机在船舶进出港作业期间处于较低排温状态的情况下，NH3易与废气中的SOx反应产生ABS黏附在催化剂的表面而难以去除，废气中的PM杂质易导致催化剂表面脏堵，HP-SCR因反应器单元布置在增压器前端，一旦催化剂层失效或脏堵，会直接影响增压器的工作效率，进而使主机的工况恶化，带来极大的安全风险。

由于发电机组排烟温度较高，发电机SCR一般采用LP-SCR更为经济。若主机选择HP-SCR，则在同一艘船上同时具有主机的HP-SCR和发电机组的LP-SCR，不利于船舶维护保养工作的开展，故主机和辅机均采用LP- SCR技术的NOx尾气后处理设备更理想。

低压LP-SCR广泛应用于电厂等工业领域，技术成熟且零备件（如催化剂）有很好的工业应用基础，便于采购，成本低。LP-SCR安装在增压器后端，不会对柴油机的运营工况产生直接影响，且布置极其灵活。

综上，认为船舶废气排放控制技术采用低硫燃油+LP-SCR的整体技术解决方案是当前最佳的选择。

3.2 船舶废气处理系统实船安装

以某远洋船舶为例，阐述船舶废气处理系统（低硫燃油+ LP-SCR）方案在该船上的具体安装布置方案。该船的动力系统由1台主机（低速机）和3台辅机（中速机）组成，柴油机机型及主要参数见表4。柴油机原始NOx排放达到Tier II标准，拟通过安装船舶LP-SCR系统，降低机组NOx排放并满足Tier III要求，该船将获得中国船级社NEC(III)船级符号。

表4 某船柴油机机型及主要参数

主机LP-SCR系统包含混合管路、反应器、供给喷射单元、控制单元和尿素存储单元（见图5）。由于该船主机采用的是MAN 6S35ME-B9.5电喷柴油机，MAN公司要求SCR排放控制系统ERCS（ERCS系统有单独的MOP)必须由柴油机厂（MDT license）控制，这其中包含尿素的喷射控制和NOx传感器控制等，此外还有一些系统接口和部件供应方面的要求。

图5 主机SCR系统方案示意

由于SCR要求NOx和NH3混合气体与多层蜂窝状催化剂充分接触，足够的接触面积成为重要的技术指标，设备厂家提供的SCR设备（尤其是反应器）的尺寸比较大（见表5）。虽然LP-SCR设备在布置上有较大的灵活性，可在机舱烟囱棚区域根据实际情况进行布置，但在布置过程中需考虑催化剂的检修和更换空间，且主机、辅机、废气锅炉及旁通管路、消音器等设备需布置在有限的空间内，这与烟囱棚的散热和换气需要形成较大的冲突，给实际工程布置提出较大的挑战。

表5 某船主机SCR和辅机SCR设备的尺寸单位：mm×mm×mm

假定该船经常在北美和美国加勒比海区域作业，同时大部分时间航行在非 ECA区域。考虑到航行的经济性和维护管理的便利性，决定采用废气旁通布置的方案，即在大部分时间内将主辅机SCR系统旁通掉，燃用380cSt的重油，废气通过废气锅炉产生蒸汽，达到废热利用的目的，降低SCR反应器催化剂单元脏堵的可能性和船舶运营成本；在船舶进入 ECA区域之前，通过操作自动控制的高温烟气阀，将燃油模式切换到LP-SCR+低硫燃油工作模式，以满足ECA区域对排放控制的要求，此时废气锅炉被旁通，以免逃逸的NH3腐蚀废气锅炉的烟管；SCR和废气锅炉并联的设置虽然会增加布置的难度，但对柴油机工作的背压控制和设备的维护管理有很大好处。该船SCR系统实船布置见图6。

图6 某船SCR系统实船布置

实船安装调试后的主机SCR系统，按照IMO对NOx排放标定的方法及现场中国船级社工程师的具体要求，主要对主机在25% CSR（Continuous Service Rating）、50%CSR、75%CSR和100%CSR等4个工况点下的NOx排放进行测试[6]，同时对其他工况点进行抽样测量，结果见图7，其中：上表是传感器实测的 NOx值（1ppm=1×10-6）；中间表格是体积分数为 40%的尿素溶液喷射消耗量；下表是 NH3逃逸量的实测数据。每个工况点的测试时间都严格遵照规范的要求执行。第三方检验机构根据对试验环境的压力、温度和湿度等参数的修正，对各工况下的 NOx排放值进行加权平均计算，得出主机试验结果满足 NOx排放＜3.4g/(kW·h)、NH3的逃逸＜10×10-6的技术要求，取得中国船级社的认可，最终取得该型主机的EIAPP证书。