船用SCR: 機(jī)遇？挑戰(zhàn)？

CCS技術(shù)管理處 范云志

2011年7月15日，在英國倫敦召開的IMO第62屆海環(huán)會（MEPC62）徐徐落下了帷幕，除了世人矚目的有關(guān)船舶二氧化碳減排方案以MARPOL附則VI修正案形式獲得批準(zhǔn)外，對中國柴油機(jī)制造業(yè)、造船廠影響巨大的氮氧化物技術(shù)規(guī)則（NOx Code修正案）和選擇性催化還原系統(tǒng)導(dǎo)則（SCR導(dǎo)則，Selective Catalytic Reduction）也一并獲得了通過。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA，意味著越來越多的船舶需要安裝滿足Tier III要求的柴油機(jī)，而目前滿足該要求的成熟產(chǎn)品僅有SCR系統(tǒng)。那么，SCR導(dǎo)則的通過，將對我國產(chǎn)業(yè)界帶來哪些影響？

SCR的B方案

說起本次對NOx Code進(jìn)行的修訂以及制定SCR導(dǎo)則，不得不提在第58屆環(huán)保會上通過的MEPC.176(58)決議（MARPOL附則VI修正案）。該修正案已于2010年7月1日生效，其中第13條有關(guān)“氮氧化物（NOx）”規(guī)定：2016年1月1日或以后建造的船舶，若擬在第14條所規(guī)定的排放控制區(qū)（ECA，2011年8月1日起為北美區(qū)域）航行，對于船上安裝的柴油機(jī)，當(dāng)船舶在ECA區(qū)內(nèi)航行時，應(yīng)符合第13.5.1.1條規(guī)定的氮氧化物Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)船舶在ECA區(qū)外航行時，符合13.4條規(guī)定的氮氧化物Tier II排放標(biāo)準(zhǔn)即可。而Tier III的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于在原有Tier I標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上削減80%的NOx排放量。對柴油機(jī)的排放是否滿足要求，依據(jù)的是強(qiáng)制性的NOx Code（MEPC.177(58)決議），由主管機(jī)關(guān)或其認(rèn)可組織（RO，一般為船級社）檢驗后、在對NOx技術(shù)案卷批準(zhǔn)基礎(chǔ)上頒發(fā)柴油機(jī)排放證書（EIAPP證書）。而柴油機(jī)裝船后必須在驗船師根據(jù)MARPOL附則VI要求檢驗合格后，方能簽發(fā)船舶防止空氣污染證書（IAPP證書），這兩個證書缺一不可。

根據(jù)國外權(quán)威柴油機(jī)廠商研究，依據(jù)目前的技術(shù)水平和狀況，如果采用廢氣再循環(huán)EGR（Exhaust Gas Recirculation）和濕空氣動力系統(tǒng)HAM（Humidity Air Motor System）等技術(shù)，均需要結(jié)合柴油機(jī)的其他機(jī)內(nèi)改造技術(shù)才能得到大比例的減排效果，但很難達(dá)到80%及以上的減排水平。這意味著在一般情況下，柴油機(jī)需要配備NOx減少裝置方能滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，目前僅有選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）一種。

基于此，多年來國外眾多柴油機(jī)廠家一直在全力展開SCR的研發(fā)，并努力將其市場化。在研發(fā)過程中，他們發(fā)現(xiàn)在某些情況下（比如對大型柴油機(jī)）如果依照現(xiàn)有規(guī)定的傳統(tǒng)方式（Scheme A，以下簡稱A方案）進(jìn)行柴油機(jī)和SCR系統(tǒng)裝配后的臺架試驗是非常困難的。因此，在國外船用柴油機(jī)廠商的推動下，從2009年3月起，歐美和日本等紛紛向IMO 散裝液體和氣體分委會（BLG）提交提案，要求考慮對現(xiàn)有的NOx Code進(jìn)行修訂，允許按另外一種等效的方式來進(jìn)行試驗、檢驗和發(fā)證。

經(jīng)過兩年多的討論，為讓Tier III標(biāo)準(zhǔn)如期順利實施，在西方國家的推動和IMO的配合下，最終在本次環(huán)保會上通過了NOx Code修正案和SCR導(dǎo)則。根據(jù)NOx Code修正案，對于某些配備SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)，由于技術(shù)和其他實際原因不能按正常的程序進(jìn)行整體臺架試驗以及不能按現(xiàn)有NOx Code要求進(jìn)行船上試驗時，在主管機(jī)關(guān)（或RO）批準(zhǔn)下允許按SCR導(dǎo)則規(guī)定的Scheme B方式（B方案）進(jìn)行驗證。這樣通過把B方案納入強(qiáng)制性的文件，將原要求的柴油機(jī)必須與其NOx減少裝置一起進(jìn)行整體臺架試驗以取得EIAPP證書的要求，變更為允許柴油機(jī)與SCR系統(tǒng)分開進(jìn)行試驗，從而使B方案合法化。而試驗、批準(zhǔn)和前期發(fā)證等程序可參照此作為配套的SCR導(dǎo)則進(jìn)行。

根據(jù)SCR導(dǎo)則，當(dāng)配備SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)采用B方案時，允許SCR系統(tǒng)和柴油機(jī)分別進(jìn)行臺架試驗，但對SCR系統(tǒng)（主要指SCR chamber）又可使用等同于柴油機(jī)實際排氣的模擬氣體進(jìn)行試驗，且可采用尺寸縮放而非全尺寸的SCR系統(tǒng)來進(jìn)行，此外還允許采用模擬方式（如計算機(jī)）來計算SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化率。至此，配備SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)NOx排放值可以基于前期單獨進(jìn)行臺架試驗的柴油機(jī)的NOx排放值和計算出來的SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率、根據(jù)SCR導(dǎo)則中的公式計算得出，這樣NOx技術(shù)案卷所需信息和數(shù)據(jù)也被認(rèn)為齊全，可據(jù)此簽發(fā)EIAPP證書。此后，在柴油機(jī)連同SCR系統(tǒng)安裝到船上并進(jìn)行了額定功率的25%、50%、75%三個負(fù)荷點的整體船上核實試驗(on board confirmation test)并滿意后，可以簽發(fā)IAPP證書。對SCR導(dǎo)則第7.7條——對整體裝船后的船上核實試驗是否僅適用于對母型機(jī)的問題，此前以美國為首的國家強(qiáng)烈要求刪除該條，以實現(xiàn)船上核實試驗對每臺柴油機(jī)均適用的目的，我國對此專門向環(huán)保會提交了提案，經(jīng)過討論，IMO最終決定保留此條。

問題顯現(xiàn)

采用B方案雖然解決了相關(guān)問題，但實際上在整個修訂過程中包括我國在內(nèi)的不少成員國均對B方案提出反對或質(zhì)疑，而從目前通過的文本來看，為避免將來實施中的風(fēng)險，確實還有一些地方亟待解決。比如說，除了確保SCR本身的設(shè)計和性能、SCR在船上柴油機(jī)排氣管上的實際布置和還原劑噴射系統(tǒng)本身性能外（A、B方案均有這些特性），由于B方案允許采用模擬氣體、模擬方式計算和尺寸縮放試驗，因此如何確保這3個方面的精確度和可信度是B方案等效于A方案的關(guān)鍵。

由于尺寸縮放實驗采用的催化器比實際柴油機(jī)使用的SCR催化器小得多，采用的還原劑噴射系統(tǒng)，包括其位置的選取和如何布置，及柴油機(jī)排氣管結(jié)構(gòu)也均與實際的尺度不同，同時考慮到排氣在空氣動力方面的復(fù)雜性，根據(jù)尺寸縮放實驗得到的NOx轉(zhuǎn)化率能否真實反映該柴油機(jī)所配備實際SCR催化器的轉(zhuǎn)化能力是值得懷疑的。一旦縮放實驗中采用的還原劑噴射系統(tǒng)及排氣管結(jié)構(gòu)不合理，將會導(dǎo)致NOx排放測試結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，不能真實地反映全尺寸SCR的NOx轉(zhuǎn)化能力，當(dāng)然也就無法滿足與全尺寸SCR等效的要求。

同樣地，就計算機(jī)采用的物理模型這一項而言，計算機(jī)所作的模型假設(shè)和應(yīng)用的經(jīng)驗公式都會帶來一定程度的計算誤差（往往可能會超過目前SCR導(dǎo)則中規(guī)定的5%），而模型常數(shù)的選取是否合理，得到的NOx轉(zhuǎn)化率是否真實反映該柴油機(jī)所配備的實際SCR催化器的轉(zhuǎn)化能力，如何考核這些信息和數(shù)據(jù)的精確性和可信性，所有這些在SCR導(dǎo)則中均未提及，這給驗證B方案是否滿足要求帶來很大的不確定性。

此外還存在另一個潛在風(fēng)險：一旦由于前期的模擬工具計算、縮放試驗等本身存在不合理或誤差導(dǎo)致B方案不能真實反映該柴油機(jī)所配備實際SCR催化器的轉(zhuǎn)化能力，盡管基于這個并不可靠和精確的數(shù)據(jù)，可能會得出柴油機(jī)一旦裝配全尺寸的SCR將肯定滿足要求這樣錯誤的結(jié)論，但根據(jù)SCR導(dǎo)則的規(guī)定，柴油機(jī)仍將獲得EIAPP證書（只要完成NOx技術(shù)案卷的填寫工作），從而柴油機(jī)和SCR將被允許裝船。而造船廠將對SCR系統(tǒng)和柴油機(jī)進(jìn)行整體的船上核實試驗，如果根據(jù)該試驗結(jié)果計算出來的NOx轉(zhuǎn)化率超過前期NOx技術(shù)案卷中對應(yīng)負(fù)荷點的NOx轉(zhuǎn)化率的5%，那么船舶將不能獲得IAPP證書，進(jìn)而造成船舶無法正常營運。但根據(jù)船上核實試驗結(jié)果，根本不能判斷其到底是由于SCR在實船上的布置造成的，還是由于前期的模擬工具計算或尺寸縮放試驗造成的。盡管SCR導(dǎo)則規(guī)定B方案的申請方對最終接受SCR系統(tǒng)負(fù)有責(zé)任，但在實際操作中，由于配備全尺寸SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)已經(jīng)被船廠接收，且持有EIAPP證書，而船舶IAPP證書的申請方卻是船廠或船東而非申請EIAPP證書的柴油機(jī)制造商，因此，一旦出現(xiàn)船上核實試驗不滿足要求的結(jié)果，將會把船廠和船東置于一個非常困難的處境，進(jìn)而帶來法律糾紛和風(fēng)險。這也意味著本應(yīng)由申請方（柴油機(jī)制造商）承擔(dān)的責(zé)任和風(fēng)險，因為申請方選擇了B方案而非傳統(tǒng)的A方案，轉(zhuǎn)移給了造船廠和船東。

同時還需要考慮造船廠遍布全球，船上核實試驗費用的承擔(dān)方問題（采用B方案存在高費用問題），船上核實試驗所需的前期試驗布置、測試、準(zhǔn)備報告、核查和發(fā)證時間，柴油機(jī)生產(chǎn)商能否向所有造船廠提供及時、足夠的技術(shù)支持，避免因SCR系統(tǒng)和柴油機(jī)的原因造成延遲交船甚至影響船舶投入正常營運。所有這些都是造船廠和船東必須考慮的。但總而言之，對于采用B方案的柴油機(jī)，肯定會增加造船廠的費用和負(fù)擔(dān)，延長交船時間，此外造船廠還需要熟悉相應(yīng)的試驗程序，并對相關(guān)人員也需要進(jìn)行培訓(xùn)，以及考慮在簽訂柴油機(jī)訂購合同時對柴油機(jī)廠商進(jìn)行約束，確保當(dāng)船上核實試驗不滿足要求時可以得到柴油機(jī)廠商的及時配合和支持。

對一些特殊船型如LNG等液貨船，能否在配備SCR的柴油機(jī)裝船后進(jìn)行75%負(fù)荷點的船上核實試驗以及有無解決方案，也是一個必須考慮的問題。

盡管我國就上述要點向第62屆環(huán)保會提交了相關(guān)提案，并在會上作了闡述，但遺憾的是最終未能給予解決。這也使得在將來的執(zhí)行中，對造船界、船東和執(zhí)行檢驗的機(jī)構(gòu)帶來潛在的風(fēng)險并產(chǎn)生負(fù)面影響。

國內(nèi)制造業(yè)的應(yīng)對建議

由于2011年8月1日起北美區(qū)域成為第一個NOx排放控制區(qū)，這意味著在不久的將來，凡是前往美國的船舶必須滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)。考慮到我國與美國的貿(mào)易量，加之船舶航線的不確定性以及二手船的買賣，筆者認(rèn)為將有占絕對比例的船舶需要配備滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)。此外，本屆環(huán)保會還通過了有關(guān)加勒比海的MARPOL附則VI修正案，根據(jù)該修正案的規(guī)定，該海域?qū)⒂?013年1月1日成為新的NOx排放控制區(qū)。而目前還有不少歐洲國家（包括日本）也想效仿美國的做法，建立新的ECA，對船舶NOx、硫化物（SOx）等排放進(jìn)行更嚴(yán)格的控制（有消息稱地中海區(qū)域可能會成為下一個ECA）。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA，意味著越來越多的船舶需要安裝滿足Tier III要求的柴油機(jī)，而目前滿足該要求的成熟產(chǎn)品僅有SCR系統(tǒng)。

國外生產(chǎn)廠家、船東和研究機(jī)構(gòu)早在上世紀(jì)80年代末就開始了SCR的研發(fā)工作，筆者在北歐實習(xí)期間，在瑞典開往德國的渡船上就看到船東主動為船上的主機(jī)配備了SCR系統(tǒng)，而該系統(tǒng)早已實現(xiàn)了全自動化監(jiān)控和管理，且已有十余年的實船使用經(jīng)驗。根據(jù)最新報道，日本NYK公司在相關(guān)方的配合下，已于今年6月成功完成了首個為大型低速柴油機(jī)配套的SCR系統(tǒng)的海上試驗（該柴油機(jī)安裝在一艘92,300 DWT的散貨船上），而占全球壟斷地位的MAN公司也首次在其大型低速柴油機(jī)（7000kW）上安裝了SCR系統(tǒng)。

反觀國內(nèi)制造業(yè)，有關(guān)船用SCR產(chǎn)品在國內(nèi)基本上還是處于空白期，而要實現(xiàn)SCR產(chǎn)品的成熟化、產(chǎn)業(yè)化更是遙遙無期。盡管距離Tier III生效期還有一段時期，但面對這個巨大的挑戰(zhàn)，我國的制造業(yè)特別是柴油機(jī)廠商需要考慮盡早啟動研發(fā)工作（或至少需考慮與國外SCR產(chǎn)品廠商合作），申請國家相關(guān)綠色環(huán)保項目，爭取到一定程度的資金和政策支持，化挑戰(zhàn)為機(jī)遇，否則將有可能失去Tier III甚至整個國際航運市場。而對于設(shè)計方而言，如柴油機(jī)配備SCR系統(tǒng)，意味著現(xiàn)有的傳統(tǒng)設(shè)計需作改進(jìn)，比如，在機(jī)艙的SCR系統(tǒng)、管系布置、還原劑如尿素的儲存等方面作相應(yīng)調(diào)整。

在本屆環(huán)保會上，針對配備SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)，愛爾蘭和美國還要求進(jìn)一步修訂NOx Code，在初次檢驗后的定期檢驗中增加檢驗要求，確保當(dāng)船舶航行在ECA時能持續(xù)滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下船舶會在SCR設(shè)備中裝設(shè)開機(jī)/關(guān)機(jī)功能，僅當(dāng)船舶航行在ECA時才使用“開機(jī)”模式，這些就能節(jié)省大量的SCR運行費用。經(jīng)過討論，環(huán)保會決定由BLG分委會考慮NOx排放連續(xù)監(jiān)測設(shè)備的可得性、經(jīng)濟(jì)性效益和可靠性。筆者認(rèn)為，對于我國的制造業(yè)而言，這實際上也是一次機(jī)遇，如果在結(jié)合研發(fā)SCR系統(tǒng)過程中開發(fā)出滿足要求的連續(xù)監(jiān)測設(shè)備，不僅打破西方對此項技術(shù)的壟斷，為我國的航運業(yè)爭得利益，更具有廣闊的市場前景。

最后需要關(guān)注的是，當(dāng)MEPC.176(58)決議最初得到通過時，考慮到柴油機(jī)達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)的困難性，特別在MARPOL附則VI第13.10條規(guī)定“自2012年起不遲于2013年對技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行審查Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)”。為此本屆環(huán)保會專門進(jìn)行了討論，根據(jù)IMO秘書處和各個國家的意見，IMO最終決定成立專家組（NOx-EG）對該問題進(jìn)行研究。筆者建議國內(nèi)柴油機(jī)制造行業(yè)應(yīng)積極參加此專家組，一方面能獲取國外先進(jìn)柴油機(jī)廠商的最新研究方向、可行技術(shù)及研發(fā)進(jìn)展情況，縮短與他們的技術(shù)差距，同時還根據(jù)實際情況，針對我國自主研發(fā)和生產(chǎn)的船用柴油機(jī)，研究對某些機(jī)型免除Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的可行性，如沒有實際可行的技術(shù)來滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，或者因為船舶類型、尺寸、布置方面的限制，以及爭取IMO在資金和技術(shù)方面的支持，避免總是被動挨打的局面。