介绍了国际法规对SCR系统发展的推动作用，详述了SCR高压和低压系统的原理及其优缺点，并通过市场调研简述了SCR系统的发展现状，预测了未来SCR的发展方向和市场前景，可为企业发展SCR系统提供一定的参考。
关键词：Tier III；船用低柴油机；SCR系统；现状；趋势
中图分类号：U664.122 文献标识码：A
Developing and Tendency of Marine Low-speed Diesel SCR System
GUO Zhonghua
（ Yuchai Marine Power Co.， Ltd. Zhuhai 519175 ）
Abstract： This paper introduces how the international rules promote the development of the SCR system， the merit and demerit of the high and low-pressure SCR system， analyzes the developing status of the SCR system by market survey and forecasts the development tendency of the SCR system.
Key words： Tier III； Marine Low-speed Diesel； SCR； Status； Tendency
1 前言
随着国际航运业及远洋船舶运输的发展，以柴油为燃料的船舶发动机所产生的废气排放已成为沿海地区尤其是港口的主要污染源。
为了限制船舶柴油机排放对环境的污染，各国政府和国际组织相继制定了相关的船舶柴油机排放限制法规。1997年9月27日，IMO通过国际防止船舶造成大气污染公约，并作为MARPOL 73/78公约的附则VI颁布。MARPOL附则VI中对船用发动机的NOx排放作了明确规定，其具体的限值如图1所示。该附则的规定已于2005年5月19日对所有协议签署国的船舶正式生效[1-2]。
MARPOL 73/78公约规定的排放标准分三个阶段实施，其中第三阶段（Tier III）的NOx排放限值已于2016年1月1日实施[3]，其仅适用于IMO指定的NOx排放控制区，见图2。在排放控制区内航行时，应符合Tier III排放标准。
目前，减排技术大体可分为两类：一类是通过控制柴油机缸内燃烧的方法降低NOx排放，目前比较成熟的技术是使废气再循环（EGR）；另一类是通过对柴油机的尾气进行处理降低NOx排放，主要是采用选择性催化还原（SCR）技术，这一方法理论上可以把尾气的NOx含量降至最低。本文将重点介绍SCR技术。
2 SCR系统基本原理
2.1 SCR系统反应基本原理
SCR为选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction）的简称，其原理是在柴油机尾气管道中喷入还原剂40%尿素溶液，然后在催化剂的作用下将尾气中的NOx还原为N2和水，从而达到降低尾气中氮氧化物含量的目的（见图3），反应方程式为：
同时，也会发生硫化物SOx的还原反应，产生附加产物硫酸氢氨NH4HSO3。该物质低温下容易沾附在催化剂表面使其失去活性，反应方程式为：
2.2 SCR系统基本布置方案
根据布置方式不同可分为两种形式：高压SCR系统和低压SCR系统。
高压SCR系统为催化剂安装在增压器之前，以充分提高催化剂反应温度（见图4）。这种SCR系统布局紧凑，废气能量利用率高，技术较为成熟；其缺点是反应器安装在柴油机内，不利于主机在机舱的布置，同时SCR反应器对增压器有一定影响，主机也要作相应修改才能与其匹配使用。
低压SCR系统为催化剂安装在增压器之后，布置较为灵活，对增压器和柴油机影响较小（见图5）。但是由于增压器后废气温度较低，降低了催化剂效率，且容易导致催化剂硫中毒。目前市场上还没有成功使用低温催化剂的案例，故均使用后加热装置提高废气温度，如此又增加了低压SCR的运营费用。
3 SCR系统发展现状
3.1 国外发展现状
上世纪九十年代，SCR系统已经逐渐安装于船舶柴油机上，主要为增压器后布置的SCR系统，其生产公司为瑞典STT Emtec公司、美国RJM公司、加拿大DCL国际公司和挪威YARA公司。这些SCR系统安装在航行于港口、排放控制区的豪华游艇上。
随着IMO排放控制区域的扩大化，大型货运船舶等也开始迫切需求降低NOx的后处理装置。为此世界各大船舶动力装置供应商和后处理方案解决提供商，也相继增加了船用低速柴油机SCR系统的研发力度。
WinGD公司一直致力于降低船舶SCR系统的研究，先后开发出高压和低压SCR系统。WinGD公司开发的高压SCR系统，安装在6RTA52U柴油机上，测试结果表明，NOx减排量超过90%，E3测试循环下NOx排放量小于2 g/kW · h。2015年WinGD与沪东重机合作开发了基于5RT-flex58T-D机型高压SCR系统，其NOx排放量达2.56 g/kW · h，应用于22 100 DWT 多用途船上。据称WinGD公司目前正在进行主机机内SCR的开发工作，计划直接将SCR反应器集成在排气集管上，目的是为了减少SCR系统占用空间，便于布置。该方案现处于初期研发阶段，预计未来5～10年才能有实船应用。另外，受限于目前催化剂的效率，该方案可能只能降低部分NOx，无法直接满足TierⅢ。
MAN B&W公司与丹麦Topsoe公司合作开发的高压SCR系统，安装在MAN B&W 6S35MC柴油機上。通过测试，氮氧化物排放量下降88%。柴油机使用的是含硫量达2.4%的重油，当负荷在40%～100%这一范围时，SCR系统启动运行；当负荷低于40%时，由于废气温度较低，停止喷入尿素，以避免硫酸氨的凝聚堵塞SCR系统。
日本日立公司成功开发了高压SCR系统，并于2011年应用在MAN B&W 6S46MC-C8.1主机上，通过实际验证，可以满足IMO Tier III排放标准。2014年，日立公司成为目前唯一获得德国MAN B&W公司FTPA认证的船用SCR系统生产商。
韩国现代公司目前研发的高压SCR系统，取得WinGD和MAN B&W临时证书，并通过了DNV、ABS、BV等多家船级社认证。
韩国斗山发动机2015年研发了低压SCR系统，并获得GL船级社认证。该SCR系统也可以满足IMO Tier III排放标准。与现有SCR系统只应用于高温废气，受安装地点和空间限制相比，该SCR系统在增压器后增加了废气加热装置，使其反应器可使用中温催化剂，还具备易于安装、易于选择安装地点以提高空间效率的优点，但该系统运营费用较高压SCR系统高。
挪威YARA公司是一家专业SCR系统和零件供应商，可提供尿素喷射、剂量、泵站、存储单元，吹灰系统，控制系统、NOx测量装置，并可提供催化剂的设计。2015-2016年它为现代公司生产的多台主机提供了SCR系统中关键零部件，这些主机分别应用在多用途船和油船上。同时它为国内多家SCR集成厂提供关键零部件。
此外，韩国大宇、日本三井、三菱等公司均在争相开发船用SCR系统，并取得了一定的成果。
从以上情况来看，两大专利方WinGD和MAN均有成熟的技术储备，并有实船应用。日本日立公司开发的SCR产品唯一取得MAN B&W公司FTPA认证，而韩国现代和斗山都分别开发出高压和低压SCR系统，并正在项目实施当中。总而言之，国外船舶柴油机SCR系统已有成熟的产品，并已经产业化。
3.2 国内发展现状
在国内，一些高校和研究机构早已看好船舶柴油机Tier III减排装置潜在市场，均已开始SCR系统研发；沪东重机联合哈尔滨工程大学研发了船舶低速二冲程柴油机低压SCR系统；中船重工集团711研究所早已成立船舶柴油机尾气后处理装置研发小组，目前正在开展船用低中高速柴油机SCR系统开发。
沪东重机是国内船用低速柴油机生产的领头羊，2015年1月23日，它率先发布了国内首款船用低速柴油机高压SCR系统。沪东与Wärtsilä公司合作，以5RT-flex58T-D（10 000 kW/105 r/min）为主机，耗时近1年共同开发了一款高压SCR系统。该项目主机入级LR，安装于22 100 DWT多用途船上。
另外，沪东重机与哈尔滨工程大学联合承担了国家高技术船舶科研项目-“船用低速柴油机尾气NOx后处理装置研究与开发”，共同开发一款具有自主知识产权低压SCR系统，目前该项目已经结题。沪东重工以此项目为基础，已接单生产了低压SCR后处理系统，目前正在台架试验阶段。
赛林德/711所与威海中远科技、南通远洋船舶配套有限公司合作，联合开发船用SCR系统，711所于2014年开始介入低速机SCR系统，进行了概念设计及实验室台架试验，目前据称已成功开发出了船用低速柴油机高压SCR系统，台架试验能够满足Tier Ⅲ标准。近期711所又联合大柴开发的低压SCR系统顺利通过各项测试，台架试验也能够满足Tier Ⅲ标准。
此外，青岛双瑞海洋环境工程有限公司在WinGD的技术支持下正在开展SCR研发工作，目前处于实验阶段。国内对柴油机NOx排放后处理的研究起步相对较晚，整体水平落后于国外厂商，尤其是高温阀、尿素喷射单元、催化剂等关键性零部件受制于国外供应商。
4 SCR系统未来发展趋势
目前SCR系统有高压和低压两种方案，从市场选择和技术发展角度来看，低压方案未来将占主导地位。
（1）高压方案目前存在对柴油机性能影响较大和布置不灵活的问题，其发展方向是开发高效催化剂以降低催化剂的体积，增加其布置的灵活性，降低整个系统的成本；
（2）低压方案虽然反应器布置方便，但由于反应环境温度低，催化剂活性不够，还原反应效率低，且容易产生硫酸盐使催化剂失效。其发展方向是开发抗硫性好的低温高效催化剂，如此低压方案可直接应用于旧船排放升级改造，将具有更广阔的市场前景；
（3）SCR系统目前仍然处于发展的初级阶段，催化剂、耐高温阀等关键零部件制造商较少，其成本居高不下，致使SCR系统价格过高，甚至达到主机价格50%以上，从而影响SCR的推广应用。未来随着排放法规的日益严格，SCR市场逐渐扩大成熟，相信SCR系统集成商、零件制造商将会越来越多，其成本也会随之降低。
5 结论
综上所述，随着环保法规越来越严格，以及SCR各项技术逐渐发展成熟，SCR系统必将在船舶Tier Ⅲ排放解决方案中大有所为。
参考文献
[1] 范云志. 如何面对船舶大气污染 [J]. 中国船检， 2004（10）.
[2] 张杰，杨传富，于军. 世界船舶排放法规的进展及其主要配套技术探
讨 [J]. 柴油机，2007，29（5）.
[3] IMO MEPC 177（58）决议“船用氮氧化物排放控制技术规則修正案”[S].
人民交通出版社，2009.
[4] 黄万能. 船用柴油机降低NOx排放措施的方法 [J]. 中国修船，2007，20
（3）.