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(guó)倫敦召開(kāi)的IMO第62屆海環(huán)會(huì)（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(duì)中國(guó)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(guò)。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA，意味著越來(lái)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(guò)，將對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)哪些影響？

SCR的B方案

說(shuō)起本次對(duì)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(huì)上通過(guò)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(duì)于船上安裝的柴油機(jī)，當(dāng)船舶在ECA區(qū)內(nèi)航行時(shí)，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(shí)，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(duì)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(jí)社）檢驗(yàn)后、在對(duì)NOx技術(shù)案卷批準(zhǔn)基礎(chǔ)上頒發(fā)柴油機(jī)排放證書(shū)（EIAPP證書(shū)）。而柴油機(jī)裝船后必須在驗(yàn)船師根據(jù)MARPOL附則VI要求檢驗(yàn)合格后，方能簽發(fā)船舶防止空氣污染證書(shū)（IAPP證書(shū)），這兩個(gè)證書(shū)缺一不可。

根據(jù)國(guó)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(dòng)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(lái)國(guó)外眾多柴油機(jī)廠家一直在全力展開(kāi)SCR的研發(fā)，并努力將其市場(chǎng)化。在研發(fā)過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)在某些情況下（比如對(duì)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(jiǎn)稱A方案）進(jìn)行柴油機(jī)和SCR系統(tǒng)裝配后的臺(tái)架試驗(yàn)是非常困難的。因此，在國(guó)外船用柴油機(jī)廠商的推動(dòng)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(huì)（BLG）提交提案，要求考慮對(duì)現(xiàn)有的NOx Code進(jìn)行修訂，允許按另外一種等效的方式來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)、檢驗(yàn)和發(fā)證。

經(jīng)過(guò)兩年多的討論，為讓Tier III標(biāo)準(zhǔn)如期順利實(shí)施，在西方國(guó)家的推動(dòng)和IMO的配合下，最終在本次環(huán)保會(huì)上通過(guò)了NOx Code修正案和SCR導(dǎo)則。根據(jù)NOx Code修正案，對(duì)于某些配備SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)，由于技術(shù)和其他實(shí)際原因不能按正常的程序進(jìn)行整體臺(tái)架試驗(yàn)以及不能按現(xiàn)有NOx Code要求進(jìn)行船上試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)證。這樣通過(guò)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(tái)架試驗(yàn)以取得EIAPP證書(shū)的要求，變更為允許柴油機(jī)與SCR系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行試驗(yàn)，從而使B方案合法化。而試驗(yàn)、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(shí)，允許SCR系統(tǒng)和柴油機(jī)分別進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，但對(duì)SCR系統(tǒng)（主要指SCR chamber）又可使用等同于柴油機(jī)實(shí)際排氣的模擬氣體進(jìn)行試驗(yàn)，且可采用尺寸縮放而非全尺寸的SCR系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，此外還允許采用模擬方式（如計(jì)算機(jī)）來(lái)計(jì)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(dú)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的柴油機(jī)的NOx排放值和計(jì)算出來(lái)的SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率、根據(jù)SCR導(dǎo)則中的公式計(jì)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(shū)。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(gè)負(fù)荷點(diǎn)的整體船上核實(shí)試驗(yàn)(on board confirmation test)并滿意后，可以簽發(fā)IAPP證書(shū)。對(duì)SCR導(dǎo)則第7.7條——對(duì)整體裝船后的船上核實(shí)試驗(yàn)是否僅適用于對(duì)母型機(jī)的問(wèn)題，此前以美國(guó)為首的國(guó)家強(qiáng)烈要求刪除該條，以實(shí)現(xiàn)船上核實(shí)試驗(yàn)對(duì)每臺(tái)柴油機(jī)均適用的目的，我國(guó)對(duì)此專門向環(huán)保會(huì)提交了提案，經(jīng)過(guò)討論，IMO最終決定保留此條。

問(wèn)題顯現(xiàn)

采用B方案雖然解決了相關(guān)問(wèn)題，但實(shí)際上在整個(gè)修訂過(guò)程中包括我國(guó)在內(nèi)的不少成員國(guó)均對(duì)B方案提出反對(duì)或質(zhì)疑，而從目前通過(guò)的文本來(lái)看，為避免將來(lái)實(shí)施中的風(fēng)險(xiǎn)，確實(shí)還有一些地方亟待解決。比如說(shuō)，除了確保SCR本身的設(shè)計(jì)和性能、SCR在船上柴油機(jī)排氣管上的實(shí)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(jì)算和尺寸縮放試驗(yàn)，因此如何確保這3個(gè)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(shí)驗(yàn)采用的催化器比實(shí)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(shí)際的尺度不同，同時(shí)考慮到排氣在空氣動(dòng)力方面的復(fù)雜性，根據(jù)尺寸縮放實(shí)驗(yàn)得到的NOx轉(zhuǎn)化率能否真實(shí)反映該柴油機(jī)所配備實(shí)際SCR催化器的轉(zhuǎn)化能力是值得懷疑的。一旦縮放實(shí)驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致NOx排放測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，不能真實(shí)地反映全尺寸SCR的NOx轉(zhuǎn)化能力，當(dāng)然也就無(wú)法滿足與全尺寸SCR等效的要求。

同樣地，就計(jì)算機(jī)采用的物理模型這一項(xiàng)而言，計(jì)算機(jī)所作的模型假設(shè)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式都會(huì)帶來(lái)一定程度的計(jì)算誤差（往往可能會(huì)超過(guò)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(shí)反映該柴油機(jī)所配備的實(shí)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(yàn)證B方案是否滿足要求帶來(lái)很大的不確定性。

此外還存在另一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)：一旦由于前期的模擬工具計(jì)算、縮放試驗(yàn)等本身存在不合理或誤差導(dǎo)致B方案不能真實(shí)反映該柴油機(jī)所配備實(shí)際SCR催化器的轉(zhuǎn)化能力，盡管基于這個(gè)并不可靠和精確的數(shù)據(jù)，可能會(huì)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(cuò)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(shū)（只要完成NOx技術(shù)案卷的填寫(xiě)工作），從而柴油機(jī)和SCR將被允許裝船。而造船廠將對(duì)SCR系統(tǒng)和柴油機(jī)進(jìn)行整體的船上核實(shí)試驗(yàn)，如果根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來(lái)的NOx轉(zhuǎn)化率超過(guò)前期NOx技術(shù)案卷中對(duì)應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)的NOx轉(zhuǎn)化率的5%，那么船舶將不能獲得IAPP證書(shū)，進(jìn)而造成船舶無(wú)法正常營(yíng)運(yùn)。但根據(jù)船上核實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，根本不能判斷其到底是由于SCR在實(shí)船上的布置造成的，還是由于前期的模擬工具計(jì)算或尺寸縮放試驗(yàn)造成的。盡管SCR導(dǎo)則規(guī)定B方案的申請(qǐng)方對(duì)最終接受SCR系統(tǒng)負(fù)有責(zé)任，但在實(shí)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(shū)，而船舶IAPP證書(shū)的申請(qǐng)方卻是船廠或船東而非申請(qǐng)EIAPP證書(shū)的柴油機(jī)制造商，因此，一旦出現(xiàn)船上核實(shí)試驗(yàn)不滿足要求的結(jié)果，將會(huì)把船廠和船東置于一個(gè)非常困難的處境，進(jìn)而帶來(lái)法律糾紛和風(fēng)險(xiǎn)。這也意味著本應(yīng)由申請(qǐng)方（柴油機(jī)制造商）承擔(dān)的責(zé)任和風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樯暾?qǐng)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(shí)還需要考慮造船廠遍布全球，船上核實(shí)試驗(yàn)費(fèi)用的承擔(dān)方問(wèn)題（采用B方案存在高費(fèi)用問(wèn)題），船上核實(shí)試驗(yàn)所需的前期試驗(yàn)布置、測(cè)試、準(zhǔn)備報(bào)告、核查和發(fā)證時(shí)間，柴油機(jī)生產(chǎn)商能否向所有造船廠提供及時(shí)、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(yíng)運(yùn)。所有這些都是造船廠和船東必須考慮的。但總而言之，對(duì)于采用B方案的柴油機(jī)，肯定會(huì)增加造船廠的費(fèi)用和負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)交船時(shí)間，此外造船廠還需要熟悉相應(yīng)的試驗(yàn)程序，并對(duì)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(gòu)合同時(shí)對(duì)柴油機(jī)廠商進(jìn)行約束，確保當(dāng)船上核實(shí)試驗(yàn)不滿足要求時(shí)可以得到柴油機(jī)廠商的及時(shí)配合和支持。

對(duì)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(diǎn)的船上核實(shí)試驗(yàn)以及有無(wú)解決方案，也是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。

盡管我國(guó)就上述要點(diǎn)向第62屆環(huán)保會(huì)提交了相關(guān)提案，并在會(huì)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(lái)的執(zhí)行中，對(duì)造船界、船東和執(zhí)行檢驗(yàn)的機(jī)構(gòu)帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)并產(chǎn)生負(fù)面影響。

國(guó)內(nèi)制造業(yè)的應(yīng)對(duì)建議

由于2011年8月1日起北美區(qū)域成為第一個(gè)NOx排放控制區(qū)，這意味著在不久的將來(lái)，凡是前往美國(guó)的船舶必須滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到我國(guó)與美國(guó)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(duì)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(huì)還通過(guò)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(guó)家（包括日本）也想效仿美國(guó)的做法，建立新的ECA，對(duì)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(huì)成為下一個(gè)ECA）。隨著不斷有新的區(qū)域被指定為ECA，意味著越來(lái)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(guó)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(kāi)始了SCR的研發(fā)工作，筆者在北歐實(shí)習(xí)期間，在瑞典開(kāi)往德國(guó)的渡船上就看到船東主動(dòng)為船上的主機(jī)配備了SCR系統(tǒng)，而該系統(tǒng)早已實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化監(jiān)控和管理，且已有十余年的實(shí)船使用經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)最新報(bào)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(gè)為大型低速柴油機(jī)配套的SCR系統(tǒng)的海上試驗(yàn)（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(guó)內(nèi)制造業(yè)，有關(guān)船用SCR產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)基本上還是處于空白期，而要實(shí)現(xiàn)SCR產(chǎn)品的成熟化、產(chǎn)業(yè)化更是遙遙無(wú)期。盡管距離Tier III生效期還有一段時(shí)期，但面對(duì)這個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，我國(guó)的制造業(yè)特別是柴油機(jī)廠商需要考慮盡早啟動(dòng)研發(fā)工作（或至少需考慮與國(guó)外SCR產(chǎn)品廠商合作），申請(qǐng)國(guó)家相關(guān)綠色環(huán)保項(xiàng)目，爭(zhēng)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(gè)國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)。而對(duì)于設(shè)計(jì)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(jì)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(chǔ)存等方面作相應(yīng)調(diào)整。

在本屆環(huán)保會(huì)上，針對(duì)配備SCR系統(tǒng)的柴油機(jī)，愛(ài)爾蘭和美國(guó)還要求進(jìn)一步修訂NOx Code，在初次檢驗(yàn)后的定期檢驗(yàn)中增加檢驗(yàn)要求，確保當(dāng)船舶航行在ECA時(shí)能持續(xù)滿足Tier III標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下船舶會(huì)在SCR設(shè)備中裝設(shè)開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)功能，僅當(dāng)船舶航行在ECA時(shí)才使用“開(kāi)機(jī)”模式，這些就能節(jié)省大量的SCR運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)過(guò)討論，環(huán)保會(huì)決定由BLG分委會(huì)考慮NOx排放連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的可得性、經(jīng)濟(jì)性效益和可靠性。筆者認(rèn)為，對(duì)于我國(guó)的制造業(yè)而言，這實(shí)際上也是一次機(jī)遇，如果在結(jié)合研發(fā)SCR系統(tǒng)過(guò)程中開(kāi)發(fā)出滿足要求的連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅打破西方對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的壟斷，為我國(guó)的航運(yùn)業(yè)爭(zhēng)得利益，更具有廣闊的市場(chǎng)前景。

最后需要關(guān)注的是，當(dāng)MEPC.176(58)決議最初得到通過(guò)時(shí)，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(duì)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(huì)專門進(jìn)行了討論，根據(jù)IMO秘書(shū)處和各個(gè)國(guó)家的意見(jiàn)，IMO最終決定成立專家組（NOx-EG）對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究。筆者建議國(guó)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(guó)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(shí)還根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)我國(guó)自主研發(fā)和生產(chǎn)的船用柴油機(jī)，研究對(duì)某些機(jī)型免除Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的可行性，如沒(méi)有實(shí)際可行的技術(shù)來(lái)滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，或者因?yàn)榇邦愋?、尺寸、布置方面的限制，以及?zhēng)取IMO在資金和技術(shù)方面的支持，避免總是被動(dòng)挨打的局面。