大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 李 斌

2008年10月，IMO海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）對(duì)MARPOL公約附則VI進(jìn)行了修正，要求2016年1月1日或以后建造的船上安裝的柴油機(jī)，當(dāng)船舶在排放限制區(qū)內(nèi)航行時(shí)，其NOx排放量的限制值按第三層次標(biāo)準(zhǔn)要求。

SCR技術(shù)是目前船舶柴油機(jī)達(dá)到第三層次排放標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)措施之一，但對(duì)于這一技術(shù)在船舶柴油機(jī)上的使用在許多方面需要探討。

一、IMO的排放標(biāo)準(zhǔn)和排放控制區(qū)

根據(jù)2008年10月通過的修訂的MARPOL公約附則VI第13條的要求，對(duì)于每臺(tái)安裝于船上的輸出功率超過130 kW的船用柴油機(jī)，和每臺(tái)2000年1月1日或以后經(jīng)重大改裝的、輸出功率超過130 kW的船用柴油機(jī)，其NOx排放都要進(jìn)行限制，但不同時(shí)期建造的船舶以及柴油機(jī)的NOx排放的限制值有不同的規(guī)定。如圖1所示。

對(duì)2000年1月1日或以后至2011年1月1日以前建造的船上安裝的船用柴油機(jī)，其NOx排放量的限制值按第一層次標(biāo)準(zhǔn)要求，即：

（1）17.0 g/kWh，當(dāng)n小于130 r/min；

（2）45·n-0.2g/kWh，當(dāng)n等于或大于130 r/min，但小于2000 r/min；

（3）9.8 g/kWh，當(dāng)n等于或大于2000 r/min。

對(duì)2011年1月1日或以后建造的船上安裝的船用柴油機(jī)，其NOx排放量的限制值按第二層次標(biāo)準(zhǔn)要求，第二層次NOx排放量的限制值約為第一層次標(biāo)準(zhǔn)的80%，即：

（1）14.4 g/kWh，當(dāng)n小于130 r/min；

（2）44·n-0.23g/kWh，當(dāng)n等于或大于130 r/min，但小于2000 r/min；

（3）7.7 g/kWh，當(dāng)n等于或大于2000 r/min。

對(duì)2016年1月1日或以后建造的船上安裝的柴油機(jī)，當(dāng)船舶在排放限制區(qū)內(nèi)航行時(shí)，其NOx排放量的限制值按第三層次標(biāo)準(zhǔn)要求，第三層次NOx排放量的限制值約為第一層次標(biāo)準(zhǔn)的20%，即：

（1）3.4 g/kWh，當(dāng)n小于130 r/min；

（2）9·n-0.2g/kWh，當(dāng)n等于或大于130 r/min，但小于2000 r/min；和

（3）2.0 g/kWh，當(dāng)n等于或大于2000 r/min。

第三層次的排放標(biāo)準(zhǔn)不是全球排放標(biāo)準(zhǔn)，只要求在排放限制區(qū)內(nèi)實(shí)施。世界主要工業(yè)國(guó)和航運(yùn)大國(guó)為了保護(hù)當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蟓h(huán)境，都在積極爭(zhēng)取將本國(guó)或本地區(qū)的海域設(shè)為排放限制區(qū)。目前世界上的NOx排放限制區(qū)尚未完全確定，現(xiàn)存的硫排放限制區(qū)——波羅的海、英吉利海峽和英國(guó)北海將確定成為NOx排放限制區(qū)，而地中海、美國(guó)東西海岸、澳大利亞沿海都在積極爭(zhēng)取獲得批準(zhǔn)成為NOx排放限制區(qū)，見圖2。某些區(qū)域即使無法獲得IMO的批準(zhǔn)，也會(huì)通過國(guó)內(nèi)立法控制在該國(guó)海域的NOx排放。

因此，為了確保船舶在排放控制區(qū)內(nèi)的通行，船舶主機(jī)必須通過技術(shù)手段達(dá)到NOx排放量限制值的第三層次標(biāo)準(zhǔn)。

二、滿足第三層次的NOx排放控制技術(shù)

目前能夠或可能滿足NOx排放量的限制值第三層次標(biāo)準(zhǔn)的方法主要包括：（1）低NOx排放發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要在工作過程方面的改進(jìn)，如對(duì)進(jìn)排氣過程/供油燃燒過程及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)或進(jìn)氣加濕法等多種技術(shù)聯(lián)合使用；（2）后處理技術(shù)，如采用選擇性催化轉(zhuǎn)化（SCR）技術(shù)；（3）代用燃料，使用液化天然氣作為船舶燃料。

選擇性催化轉(zhuǎn)化（Selective Catalytic Reduction，縮寫為SCR）法是一種廢氣后處理方法，能夠大幅度降低廢氣中NOx排放，也是目前公認(rèn)的比較成熟的、能夠達(dá)到IMO第三層次標(biāo)準(zhǔn)的主要方法。該方法受到了世界主要柴油機(jī)生產(chǎn)廠商的普遍關(guān)注和重點(diǎn)研究。

SCR系統(tǒng)主要由反應(yīng)器和尿素系統(tǒng)組成，反應(yīng)器由陶瓷催化元件組成，尿素系統(tǒng)包括儲(chǔ)存、供給、定量和噴射部分以及控制系統(tǒng)。其工作原理（如圖3所示）：在300～400 ℃的溫度下，以氨或尿素作為還原劑，在SCR反應(yīng)器中將廢氣中的NOx還原為N2，以達(dá)到減少NOx排放的目的，其主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

利用催化轉(zhuǎn)化（SCR）法理論上可以除去廢氣的全部NOx，但為了防止氨漏泄，通?？刂剖古艢庵械腘Ox含量降低90%～95%。盡管此方法在上個(gè)世紀(jì)70年代在電廠中已開始使用，但應(yīng)用于燃用重油的船舶柴油機(jī)上，仍有許多問題需要解決。

三、船舶柴油機(jī)使用SCR技術(shù)需解決的問題

首先是排煙溫度的控制問題，SCR系統(tǒng)最適合于穩(wěn)定高負(fù)荷的工況，而不大適合于近岸的機(jī)動(dòng)航行和低負(fù)荷工況。因?yàn)镾CR系統(tǒng)需要在300～400 ℃的溫度下工作，如果溫度過高，氨會(huì)被燒掉而不與NO、NO2反應(yīng)，如果溫度太低，會(huì)使反應(yīng)速度太慢，并且硫酸銨凝結(jié)會(huì)使催化劑被破壞。因此，二沖程和四沖程柴油機(jī)SCR裝置的布置是不同的。對(duì)于二沖程柴油機(jī)，SCR裝置則應(yīng)安裝在廢氣渦輪增壓器之前，如圖4所示，其一定管長(zhǎng)的噴射混合管與體積較大的反應(yīng)器及出口管系布置非常困難，需要設(shè)計(jì)技巧。同時(shí)由于反應(yīng)器處于廢氣渦輪前，廢氣壓力要比四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)高得多，因此也稱之為高壓SCR裝置。這一裝置對(duì)于柴油機(jī)的工作影響較大。由于廢氣渦輪前有反應(yīng)器，有一定的廢氣壓力（20 k～50 kPa）損失，使得進(jìn)入廢氣渦輪的動(dòng)能減少，進(jìn)而減少進(jìn)入汽缸內(nèi)的空氣量。因此需要有增壓系統(tǒng)的重新匹配。為了補(bǔ)償氣流流過SCR裝置產(chǎn)生的壓差，對(duì)于大型二沖程低速柴油機(jī)，必須使用高效的渦輪增壓器。由于SCR裝置具有很大的熱容量，在柴油機(jī)啟動(dòng)和加速過程中，必須將SCR裝置旁通，以保證渦輪增壓器的工作；而在柴油機(jī)降速過程中，又必須使從SCR裝置流出的部分廢氣從渦輪增壓器旁通，解決好廢氣系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)問題。在運(yùn)行于排放控制區(qū)內(nèi)/外的情況下，從經(jīng)濟(jì)性考慮，柴油機(jī)需要有Tier II/Tier III的切換運(yùn)行，這也就意味著可以燃用不同等級(jí)硫含量的HFO，發(fā)動(dòng)機(jī)需要有燃油切換的控制、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整、輸出SCR裝置啟用/停止的切換及煙氣旁通。此外，低負(fù)荷時(shí)排氣溫度過低的問題仍需進(jìn)一步研究。

對(duì)于四沖程柴油機(jī)，SCR裝置應(yīng)安裝在廢氣渦輪增壓器之后，即所謂的低壓SCR裝置，這對(duì)于柴油機(jī)的工作沒有太大影響。如圖5所示。

第二個(gè)問題是SCR裝置催化劑的失活問題，這是SCR裝置運(yùn)行中遇到的主要問題，如果工作溫度超出催化劑允許的運(yùn)行溫度窗口，就可能產(chǎn)生催化劑的失活問題，在低溫時(shí)危害尤甚。SCR裝置催化劑的失活主要原因是燃油含硫量超過允許范圍。船用柴油中硫含量高，燃燒后大多數(shù)硫以SO2的形式隨排氣排出。SCR催化劑會(huì)加速SO2繼續(xù)氧化為SO3的反應(yīng)，即

在低溫（270 ℃以下）條件下，SO3還會(huì)進(jìn)行下列反應(yīng)：

NH4HSO4和（NH4）2SO4的產(chǎn)生會(huì)在催化劑活性表面造成大量石膏狀的泥灰沉積，造成催化劑失效。如果所燃用的重油中含有釩，這一現(xiàn)象還會(huì)加劇。這一問題可以通過提高廢氣溫度加以解決，但還需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)。

尿素的純度也是保證SCR裝置正常運(yùn)行的主要因素，如果尿素不純，會(huì)產(chǎn)生聚合，導(dǎo)致催化元件堵塞。

催化劑失活還可能由下列因素引起：潤(rùn)滑油中的有害物質(zhì)；發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁的瞬變工況；發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化——大量冒黑煙；SCR系統(tǒng)監(jiān)控反饋單元、定量噴射單元失靈；機(jī)械故障（船舶動(dòng)力裝置引起的船體、機(jī)艙、管系振動(dòng)導(dǎo)致催化劑破碎等）。

第三個(gè)問題是SCR系統(tǒng)控制及還原劑定量噴射/均勻混合問題，這一問題處理不好，會(huì)使NOx還原效率降低，NH3逃逸增加。

四、結(jié)論

SCR技術(shù)是船舶柴油機(jī)滿足NOx排放第三層次標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)手段之一，但目前在船舶使用上仍存在一定的問題，其中擴(kuò)大SCR裝置工作溫度窗口和解決催化劑失活問題為當(dāng)前亟須解決的問題。