船用柴油机SCR：机遇还是挑战？
发布时间:2011-09-14 08:16:03 | 来源：中国船检 | 作者：
2011年7月15日，在英国伦敦召开的IMO第62届海环会（MEPC62）徐徐落下了帷幕，除了世人瞩目的有关船舶二氧化碳减排方案以MARPOL附则VI修正案形式获得批准外，对中国柴油机制造业、造船厂影响巨大的氮氧化物技术规则（NOx Code修正案）和选择性催化还原系统导则（SCR导则，Selective Catalytic Reduction）也一并获得了通过。随着不断有新的区域被指定为ECA，意味着越来越多的船舶需要安装满足Tier III要求的柴油机，而目前满足该要求的成熟产品仅有SCR系统。那么，SCR导则的通过，将对我国产业界带来哪些影响？
SCR的B方案
说起本次对NOx Code进行的修订以及制定SCR导则，不得不提在第58届环保会上通过的MEPC.176(58)决议（MARPOL附则VI修正案）。该修正案已于2010年7月1日生效，其中第13条有关“氮氧化物（NOx）”规定：2016年1月1日或以后建造的船舶，若拟在第14条所规定的排放控制区（ECA，2011年8月1日起为北美区域）航行，对于船上安装的柴油机，当船舶在ECA区内航行时，应符合第13.5.1.1条规定的氮氧化物Tier III排放标准；当船舶在ECA区外航行时，符合13.4条规定的氮氧化物Tier II排放标准即可。而Tier III的标准相当于在原有Tier I标准基础上削减80%的NOx排放量。对柴油机的排放是否满足要求，依据的是强制性的NOx Code（MEPC.177(58)决议），由主管机关或其认可组织（RO，一般为船级社）检验后、在对NOx技术案卷批准基础上颁发柴油机排放证书（EIAPP证书）。而柴油机装船后必须在验船师根据MARPOL附则VI要求检验合格后，方能签发船舶防止空气污染证书（IAPP证书），这两个证书缺一不可。
根据国外权威柴油机厂商研究，依据目前的技术水平和状况，如果采用废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）和湿空气动力系统HAM（Humidity Air Motor System）等技术，均需要结合柴油机的其他机内改造技术才能得到大比例的减排效果，但很难达到80%及以上的减排水平。这意味着在一般情况下，柴油机需要配备NOx减少装置方能满足Tier III排放标准，目前仅有选择性催化还原系统（SCR）一种。
基于此，多年来国外众多柴油机厂家一直在全力展开SCR的研发，并努力将其市场化。在研发过程中，他们发现在某些情况下（比如对大型柴油机）如果依照现有规定的传统方式（Scheme A，以下简称A方案）进行柴油机和SCR系统装配后的台架试验是非常困难的。因此，在国外船用柴油机厂商的推动下，从2009年3月起，欧美和日本等纷纷向IMO 散装液体和气体分委会（BLG）提交提案，要求考虑对现有的NOx Code进行修订，允许按另外一种等效的方式来进行试验、检验和发证。
经过两年多的讨论，为让Tier III标准如期顺利实施，在西方国家的推动和IMO的配合下，最终在本次环保会上通过了NOx Code修正案和SCR导则。根据NOx Code修正案，对于某些配备SCR系统的柴油机，由于技术和其他实际原因不能按正常的程序进行整体台架试验以及不能按现有NOx Code要求进行船上试验时，在主管机关（或RO）批准下允许按SCR导则规定的Scheme B方式（B方案）进行验证。这样通过把B方案纳
入强制性的文件，将原要求的柴油机必须与其NOx减少装置一起进行整体台架试验以取得EIAPP证书的要求，变更为允许柴油机与SCR系统分开进行试验，从而使B方案合法化。而试验、批准和前期发证等程序可参照此作为配套的SCR导则进行。
根据SCR导则，当配备SCR系统的柴油机采用B方案时，允许SCR系统和柴油机分别进行台架试验，但对SCR系统（主要指SCR chamber）又可使用等同于柴油机实际排气的模拟气体进行试验，且可采用尺寸缩放而非全尺寸的SCR系统来进行，此外还允许采用模拟方式（如计算机）来计算SCR系统的NOx转化率。至此，配备SCR系统的柴油机NOx排放值可以基于前期单独进行台架试验的柴油机的NOx排放值和计算出来的SCR系统NOx转化率、根据SCR导则中的公式计算得出，这样NOx技术案卷所需信息和数据也被认为齐全，可据此签发EIAPP证书。此后，在柴油机连同SCR系统安装到船上并进行了额定功率的25%、50%、75%三个负荷点的整体船上核实试验(on board confirmation test)并满意后，可以签发IAPP证书。对SCR导则第7.7条––对整体装船后的船上核实试验是否仅适用于对母型机的问题，此前以美国为首的国家强烈要求删除该条，以实现船上核实试验对每台柴油机均适用的目的，我国对此专门向环保会提交了提案，经过讨论，IMO最终决定保留此条。
问题显现
采用B方案虽然解决了相关问题，但实际上在整个修订过程中包括我国在内的不少成员国均对B方案提出反对或质疑，而从目前通过的文本来看，为避免将来实施中的风险，确实还有一些地方亟待解决。比如说，除了确保SCR本身的设计和性能、SCR在船上柴油机排气管上的实际布置和还原剂喷射系统本身性能外（A、B方案均有这些特性），由于B方案允许采用模拟气体、模拟方式计算和尺寸缩放试验，因此如何确保这3个方面的精确度和可信度是B方案等效于A方案的关键。
由于尺寸缩放实验采用的催化器比实际柴油机使用的SCR催化器小得多，采用的还原剂喷射系统，包括其位置的选取和如何布置，及柴油机排气管结构也均与实际的尺度不同，同时考虑到排气在空气动力方面的复杂性，根据尺寸缩放实验得到的NOx转化率能否真实反映该柴油机所配备实际SCR催化器的转化能力是值得怀疑的。一旦缩放实验中采用的还原剂喷射系统及排气管结构不合理，将会导致NOx排放测试结果产生较大的误差，不能真实地反映全尺寸SCR的NOx转化能力，当然也就无法满足与全尺寸SCR等效的要求。 同样地，就计算机采用的物理模型这一项而言，计算机所作的模型假设和应用的经验公式都会带来一定程度的计算误差（往往可能会超过目前SCR导则中规定的5%），而模型常数的选取是否合理，得到的NOx转化率是否真实反映该柴油机所配备的实际SCR催化器的转化能力，如何考核这些信息和数据的精确性和可信性，所有这些在SCR导则中均未提及，这给验证B方案是否满足要求带来很大的不确定性。
此外还存在另一个潜在风险：一旦由于前期的模拟工具计算、缩放试验等本身存在不合理或误差导致B方案不能真实反映该柴油机所配备实际SCR催化器的转化能力，尽管基于这个并不可靠和精确的数据，可能会得出柴油机一旦装配全尺寸的SCR将肯定满足要求这样错误的结论，但根据SCR导则的规定，柴油机仍将获得EIAPP证书（只要完成NOx技术案卷的填写工作），从而柴油机和SCR将被允许装船。而造船厂将对SCR系统和柴油机进行整体的船上核实试验，如果根据该试验结果计算出来的NOx转化率超过前期NOx技术案卷中对应负荷点的NOx转化率的5%，那么船舶将不能获得IAPP证书，
进而造成船舶无法正常营运。但根据船上核实试验结果，根本不能判断其到底是由于SCR在实船上的布置造成的，还是由于前期的模拟工具计算或尺寸缩放试验造成的。尽管SCR导则规定B方案的申请方对最终接受SCR系统负有责任，但在实际操作中，由于配备全尺寸SCR系统的柴油机已经被船厂接收，且持有EIAPP证书，而船舶IAPP证书的申请方却是船厂或船东而非申请EIAPP证书的柴油机制造商，因此，一旦出现船上核实试验不满足要求的结果，将会把船厂和船东置于一个非常困难的处境，进而带来法律纠纷和风险。这也意味着本应由申请方（柴油机制造商）承担的责任和风险，因为申请方选择了B方案而非传统的A方案，转移给了造船厂和船东。
同时还需要考虑造船厂遍布全球，船上核实试验费用的承担方问题（采用B方案存在高费用问题），船上核实试验所需的前期试验布置、测试、准备报告、核查和发证时间，柴油机生产商能否向所有造船厂提供及时、足够的技术支持，避免因SCR系统和柴油机的原因造成延迟交船甚至影响船舶投入正常营运。所有这些都是造船厂和船东必须考虑的。但总而言之，对于采用B方案的柴油机，肯定会增加造船厂的费用和负担，延长交船时间，此外造船厂还需要熟悉相应的试验程序，并对相关人员也需要进行培训，以及考虑在签订柴油机订购合同时对柴油机厂商进行约束，确保当船上核实试验不满足要求时可以得到柴油机厂商的及时配合和支持。
对一些特殊船型如LNG等液货船，能否在配备SCR的柴油机装船后进行75%负荷点的船上核实试验以及有无解决方案，也是一个必须考虑的问题。
尽管我国就上述要点向第62届环保会提交了相关提案，并在会上作了阐述，但遗憾的是最终未能给予解决。这也使得在将来的执行中，对造船界、船东和执行检验的机构带来潜在的风险并产生负面影响。
国内制造业的应对建议
由于2011年8月1日起北美区域成为第一个NOx排放控制区，这意味着在不久的将来，凡是前往美国的船舶必须满足Tier III标准。考虑到我国与美国的贸易量，加之船舶航线的不确定性以及二手船的买卖，笔者认为将有占绝对比例的船舶需要配备满足Tier III标准的柴油机。此外，本届环保会还通过了有关加勒比海的MARPOL附则VI修正案，根据该修正案的规定，该海域将于2013年1月1日成为新的NOx排放控制区。而目前还有不少欧洲国家（包括日本）也想效仿美国的做法，建立新的ECA，对船舶NOx、硫化物（SOx）等排放进行更严格的控制（有消息称地中海区域可能会成为下一个ECA）。随着不断有新的区域被指定为ECA，意味着越来越多的船舶需要安装满足Tier III要求的柴油机，而目前满足该要求的成熟产品仅有SCR系统。
国外生产厂家、船东和研究机构早在上世纪80年代末就开始了SCR的研发工作，笔者在北欧实习期间，在瑞典开往德国的渡船上就看到船东主动为船上的主机配备了SCR系统，而该系统早已实现了全自动化监控和管理，且已有十余年的实船使用经验。根据最新报道，日本NYK公司在相关方的配合下，已于今年6月成功完成了首个为大型低速柴油机配套的SCR系统的海上试验（该柴油机安装在一艘92,300 DWT的散货船上），而占全球垄断地位的MAN公司也首次在其大型低速柴油机（7000kW）上安装了SCR系统。
反观国内制造业，有关船用SCR产品在国内基本上还是处于空白期，而要实现SCR产品的成熟化、产业化更是遥遥无期。尽管距离Tier III生效期还有一段时期，但面对这个巨大的挑战，我国的制造业特别是柴油机厂商需要考虑尽早启动研发工作（或
至少需考虑与国外SCR产品厂商合作），申请国家相关绿色环保项目，争取到一定程度的资金和政策支持，化挑战为机遇，否则将有可能失去Tier III甚至整个国际航运市场。而对于设计方而言，如柴油机配备SCR系统，意味着现有的传统设计需作改进，比如，在机舱的SCR系统、管系布置、还原剂如尿素的储存等方面作相应调整。 在本届环保会上，针对配备SCR系统的柴油机，爱尔兰和美国还要求进一步修订NOx Code，在初次检验后的定期检验中增加检验要求，确保当船舶航行在ECA时能持续满足Tier III标准，一般情况下船舶会在SCR设备中装设开机/关机功能，仅当船舶航行在ECA时才使用“开机”模式，这些就能节省大量的SCR运行费用。经过讨论，环保会决定由BLG分委会考虑NOx排放连续监测设备的可得性、经济性效益和可靠性。笔者认为，对于我国的制造业而言，这实际上也是一次机遇，如果在结合研发SCR系统过程中开发出满足要求的连续监测设备，不仅打破西方对此项技术的垄断，为我国的航运业争得利益，更具有广阔的市场前景。
最后需要关注的是，当MEPC.176(58)决议最初得到通过时，考虑到柴油机达到Tier III标准的困难性，特别在MARPOL附则VI第13.10条规定“自2012年起不迟于2013年对技术发展状况进行审查Tier III排放标准”。为此本届环保会专门进行了讨论，根据IMO秘书处和各个国家的意见，IMO最终决定成立专家组（NOx-EG）对该问题进行研究。笔者建议国内柴油机制造行业应积极参加此专家组，一方面能获取国外先进柴油机厂商的最新研究方向、可行技术及研发进展情况，缩短与他们的技术差距，同时还根据实际情况，针对我国自主研发和生产的船用柴油机，研究对某些机型免除Tier III排放标准的可行性，如没有实际可行的技术来满足Tier III排放标准，或者因为船舶类型、尺寸、布置方面的限制，以及争取IMO在资金和技术方面的支持，避免总是被动挨打的局面。
