满足Tier III的船舶氮氧化物排放控制方法简析

（上海熔圣船舶海洋工程技术有限公司，上海 200444）

0 引言

船舶柴油机排放废气中的 NOx对环境的影响已经在全世界范围内引起了普遍关注。国际海事组织（IMO）推出了Tier III标准，其中对NOx排放的规定是：2016年1月1日或之后建造的船舶上安装的船用柴油机的氮氧化物排放在指定的氮氧化物排放控制区（NOxECA）内运行时不得超过所谓的第三级别[1]。对于转速低于130 r/min的发动机的NOx排放，Tier III规定的排放标准是3.4g/kWh，其在NOxECA以外运行时，发动机必须符合Tier II的限值14.4 g/kWh。对于转速高于130 r/min的发动机，其NOx排放必须达到更低的值[2]。面对如此苛刻的限制条件，船舶柴油机需要加装额外设备或经过特殊复杂的设计改造才能达到要求。

1 满足Tier III的NOx排放控制方法

目前，技术相对成熟、实船应用广泛并得到业界认可的3种NOx排放控制方法[3]为：1）主辅机加装选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术；2）主机加装废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）装置+辅机加装SCR技术；3）使用双燃料发动机。这3种方法的优缺点如表1所示。

表1 NOx排放控制方法的对比表

1.1 选择性催化还原法

选择性催化还原法[4]的基本原理是在适当的温度环境下，废气在SCR催化剂表面与喷入的尿素或氨水进行化学反应，氮氧化物（NOx）被还原为氮气（N2）和水蒸气（H2O），如图1所示。

主要组成部件包括SCR反应器、尿素喷射装置、吹灰系统、尿素舱、控制单元以及相关阀，另外，配备于二冲程主机的低压SCR还配有燃烧器、尿素分解单元和鼓风机。

图1 SCR反应原理示意图

根据 SCR系统的布置方案的不同，可分为高压SCR和低压SCR。

1）高压SCR。高压SCR系统中，SCR反应器布置在柴油机增压器前。高压SCR应用广泛、技术相对成熟，安装高压SCR的主机要改动增压器，所以一般SCR由主机厂家打包提供，取证手续也相对简单，不需要在船上做模型试验。高压SCR安装于主机废气集气管和增压器之间，通常安装在机舱里，占用空间大。

2）低压SCR。低压SCR系统中，SCR反应器布置在柴油机增压器后。由于低压SCR是安装在增压器之后的，所以其安装位置相对灵活，可以选择安放在烟囱里。

对于二冲程主机而言，配备低压SCR系统时，会比配备高压SCR系统时多配1一个氨喷射装置和1个分解单元（包含1台引风机、1台小燃烧器和1个蒸发器），如图2所示。尿素被喷入蒸发器形成混合的氨蒸汽，通过引风机吹入SCR反应器。二冲程主机中，经过增压器后的废气温度有所降低，主机低负荷时废气温度太低，尿素在低温废气环境下容易产生NH4HSO4，这时候需要启动燃烧器，把循环废气加热升温来消除NH4HSO4。

低压SCR主机的油耗比高压SCR主机的高，另外还需增加 1个小燃烧器，因此船舶运营成本也相对较高。另外，低压SCR主机若需满足Tier III排放，则只能使用低硫油。

1.2 废气再循环装置法

废气再循环装置法的基本原理是将定量废气经过冷却和清洗后，引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室。这个过程中，扫气系统中的一部分O2被燃烧过程产生的CO2所代替，这个替代过程降低了O2的浓度，增加了参与反应物质的热容量，从而降低了燃烧的最高温度，减少了 NOx的生成。NOx的减少几乎与循环废气的比例成线性关系。

主要组成部件包括EGR单元（包括冷却器、清洗装置、鼓风机、分配腔、进出口管等）、水处理单元、收集柜单元、NaOH柜、控制单元以及相关阀件。

图2 带低压SCR的低速机和中速机

EGR单元本身不需要消耗任何化学物质。为了防止硫物质损坏主机，循环废气需要先清洗，所以在这过程中需要加入淡水并通过冷却器和清洗装置进行冷却清洗。为了使淡水可以循环利用，必须安装废水处理装置，而且废水处理系统还必须确保能清除在水中累积的颗粒物和处理水中所含的酸性硫化物，确保供应足够量和压力的淡水到 EGR单元。另外，如果要将废气清洗装置清洗废气后产生的废水排出舷外，必须满足《废气清洗系统导则(2015)》(MEPC.259(68)决议)的规定。

1.3 双燃料柴油机

图3 双燃料柴油机燃气（LNG）模式下与燃油（MDO）模式下排气物对比图

双燃料柴油机（主机和辅机）可以在燃气/燃油模式下切换运行[5]。燃用天然气时，其发动机排放废气中污染物少，图3给出了双燃料柴油机在燃气模式下与燃油模式下的排气物对比。另外，使用双燃料柴油机要同时安装一套天然气供气系统，这是一套复杂的系统，涉及LNG罐的类型选择和安放位置设计、LNG系统其他附属设备的布置、双壁管的合理设计以及 LNG系统有关的危险区域的划分等。

2 船东的选择和船厂订货考虑

船东更多关注初始投资和运行成本的高低、操作的方便性和系统的可靠性等。

安装SCR方式虽然运营成本相对较高（消耗尿素成本高），但因为其初始投资成本相对较低，实船应用也较多，技术相对成熟，比较受船东青睐；选用EGR方式的初始成本相对高，运营成本相对低（消耗的氢氧化钠溶液成本较尿素低），另外它集成于主机上，操作管理方便，但是其运行过程中会产生废渣，而且消耗的氢氧化钠溶液为强碱，管理费用和操作要求相对较高，目前船舶柴油机配套较少；使用双燃料柴油机可以同时满足SOx和NOx的排放控制要求，且液化天然气价格也相对合理，但LNG系统初始投资成本很高，LNG罐会占用货舱空间，而且LNG的加注受限，船东要综合考虑货物运输以及船舶的航线最终确定，随着LNG供应的日趋完善，双燃料柴油机的应用也在慢慢增加。

对船厂来说，设计考虑的因素更多，如设备的布置、电力消耗、更低的压力损失、系统合理的设计等。

无论是SCR、ECR或是双燃料主机（LNG系统），其附属设备都很多，各种设备的布置是船厂首先要考虑的问题。SCR安装于主机外部，占用空间大，而且它还有高压和低压之分，选用之前必须核查其尺寸和机舱空间的大小；ECR集成于主机上，结构相对紧凑；双燃料主机则要考虑LNG罐的类型选用和安放空间。其次考虑的是电力消耗，这 3种系统的电力消耗都较大，所以必须通过电力负荷计算检查船舶所配辅机是否合理。

无论是SCR、EGR，还是双燃料主机（LNG系统）系统，都会对船舶空船重量控制、电力负荷、船上的排气、淡水、海水、压缩空气、油渣等系统以及相关系统管路材料选择产生影响。安装 SCR需增加一个SCR工作空压机，会使压缩空气系统变复杂；安装EGR则要涉及淡水、油渣等系统的改动；而双燃料主机涉及的系统更多，还要考虑通风系统的合理设计等等。

3 其他减少NOx排放的技术探索及Tier III未来发展趋势

随着科技的发展以及市场的需求，造船也进入了新的时代。造船规范日趋严格，为了满足新规范的要求，减少柴油机 NOx排放的方法不断推陈出新，例如进气湿化技术、油水乳化技术、直接喷水技术、提高燃油十六烷值等方法或还处于模型研究和试验室试验研究阶段，或限制排放效果不佳，其进入工程应用还需要很长一段时间。

排放控制区的范围越来越广，限制要求越来越高，满足Tier III排放要求的船舶数量也在不断增加，而且运用Tier III合规技术还可能带来直接的经济效益，因为如果船舶符合第三方环境计划，许多重要港口都将为合规船舶的港口使费提供大幅折扣。

4 结论

本文通过对比 NOx排放控制的几种方法，认为其技术手段虽多种多样，然而利弊还需仔细权衡。SCR适用于主辅机，运营成本高；ECR占用面积小，但运营过程中产生废渣；双燃料柴油机排气中污染物少，但初始投资成本大。所以，需要结合船东和船厂的自身需求和设计要求来确定选用何种方法。

排放控制法规越来越严格，排放控制方法将随着更新换代。本文剖析了 NOx排放控制的方法，可为船东和船厂的决策提供一定的参考。

[1] IMO. MARPOL 73/78防污公约附则VI[S]. 2015.

[2] IMO. MEPC 53/24/Add.1氮氧化物技术规则[S].2008.

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

[4] 中国船级社. 船舶选择性催化还原(SCR)系统预设指南[S]. 2016.

[5] 周龙宝. 内燃机学[M]. 北京: 机械工业出版社,2006.