船用柴油機SCR，機遇還是挑戰？

2011年7月15日，在英國倫敦召開的IMO第62屆海環會（MEPC62）徐徐落下了帷幕，除了世人矚目的有關船舶二氧化碳減排方案以MARPOL附則VI修正案形式獲得批準外，對中國柴油機制造業、造船廠影響巨大的氮氧化物技術規則（NOx Code修正案）和選擇性催化還原系統導則（SCR導則，Selective Catalytic Reduction）也一并獲得了通過。隨著不斷有新的區域被指定為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，而目前滿足該要求的成熟產品僅有SCR系統。那么，SCR導則的通過，將對我國產業界帶來哪些影響？

說起本次對NOx Code進行的修訂以及制定SCR導則，不得不提在第58屆環保會上通過的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“氮氧化物（NOx）”規定：2016年1月1日或以后建造的船舶，若擬在第14條所規定的排放控制區（ECA，2011年8月1日起為北美區域）航行，對于船上安裝的柴油機，當船舶在ECA區內航行時，應符合第13.5.1.1條規定的氮氧化物Tier III排放標準；當船舶在ECA區外航行時，符合13.4條規定的氮氧化物Tier II排放標準即可。而Tier III的標準相當于在原有Tier I標準基礎上削減80%的NOx排放量。對柴油機的排放是否滿足要求，依據的是強制性的NOx Code（MEPC.177(58)決議），由主管機關或其認可組織（RO，一般為船級社）檢驗后、在對NOx技術案卷批準基礎上頒發柴油機排放證書（EIAPP證書）。而柴油機裝船后必須在驗船師根據MARPOL附則VI要求檢驗合格后，方能簽發船舶防止空氣污染證書（IAPP證書），這兩個證書缺一不可。

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

基于此，多年來國外眾多柴油機廠家一直在全力展開SCR的研發，并努力將其市場化。在研發過程中，他們發現在某些情況下（比如對大型柴油機）如果依照現有規定的傳統方式（Scheme A，以下簡稱A方案）進行柴油機和SCR系統裝配后的臺架試驗是非常困難的。因此，在國外船用柴油機廠商的推動下，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，要求考慮對現有的NOx Code進行修訂，允許按另外一種等效的方式來進行試驗、檢驗和發證。

經過兩年多的討論，為讓Tier III標準如期順利實施，在西方國家的推動和IMO的配合下，最終在本次環保會上通過了NOx Code修正案和SCR導則。根據NOx Code修正案，對于某些配備SCR系統的柴油機，由于技術和其他實際原因不能按正常的程序進行整體臺架試驗以及不能按現有NOx Code要求進行船上試驗時，在主管機關（或RO）批準下允許按SCR導則規定的Scheme B方式（B方案）進行驗證。這樣通過把B方案納入強制性的文件，將原要求的柴油機必須與其NOx減少裝置一起進行整體臺架試驗以取得EIAPP證書的要求，變更為允許柴油機與SCR系統分開進行試驗，從而使B方案合法化。而試驗、批準和前期發證等程序可參照此作為配套的SCR導則進行。

根據SCR導則，當配備SCR系統的柴油機采用B方案時，允許SCR系統和柴油機分別進行臺架試驗，但對SCR系統（主要指SCR chamber）又可使用等同于柴油機實際排氣的模擬氣體進行試驗，且可采用尺寸縮放而非全尺寸的SCR系統來進行，此外還允許采用模擬方式（如計算機）來計算SCR系統的NOx轉化率。至此，配備SCR系統的柴油機NOx排放值可以基于前期單獨進行臺架試驗的柴油機的NOx排放值和計算出來的SCR系統NOx轉化率、根據SCR導則中的公式計算得出，這樣NOx技術案卷所需信息和數據也被認為齊全，可據此簽發EIAPP證書。此后，在柴油機連同SCR系統安裝到船上并進行了額定功率的25%、50%、75%三個負荷點的整體船上核實試驗(on board confirmation test)并滿意后，可以簽發IAPP證書。對SCR導則第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的問題，此前以美國為首的國家強烈要求刪除該條，以實現船上核實試驗對每臺柴油機均適用的目的，我國對此專門向環保會提交了提案，經過討論，IMO最終決定保留此條。

采用B方案雖然解決了相關問題，但實際上在整個修訂過程中包括我國在內的不少成員國均對B方案提出反對或質疑，而從目前通過的文本來看，為避免將來實施中的風險，確實還有一些地方亟待解決。比如說，除了確保SCR本身的設計和性能、SCR在船上柴油機排氣管上的實際布置和還原劑噴射系統本身性能外（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方案的關鍵。

由于尺寸縮放實驗采用的催化器比實際柴油機使用的SCR催化器小得多，采用的還原劑噴射系統，包括其位置的選取和如何布置，及柴油機排氣管結構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雜性，根據尺寸縮放實驗得到的NOx轉化率能否真實反映該柴油機所配備實際SCR催化器的轉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及排氣管結構不合理，將會導致NOx排放測試結果產生較大的誤差，不能真實地反映全尺寸SCR的NOx轉化能力，當然也就無法滿足與全尺寸SCR等效的要求。 同樣地，就計算機采用的物理模型這一項而言，計算機所作的模型假設和應用的經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導則中規定的5%），而模型常數的選取是否合理，得到的NOx轉化率是否真實反映該柴油機所配備的實際SCR催化器的轉化能力，如何考核這些信息和數據的精確性和可信性，所有這些在SCR導則中均未提及，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致B方案不能真實反映該柴油機所配備實際SCR催化器的轉化能力，盡管基于這個并不可靠和精確的數據，可能會得出柴油機一旦裝配全尺寸的SCR將肯定滿足要求這樣錯誤的結論，但根據SCR導則的規定，柴油機仍將獲得EIAPP證書（只要完成NOx技術案卷的填寫工作），從而柴油機和SCR將被允許裝船。而造船廠將對SCR系統和柴油機進行整體的船上核實試驗，如果根據該試驗結果計算出來的NOx轉化率超過前期NOx技術案卷中對應負荷點的NOx轉化率的5%，那么船舶將不能獲得IAPP證書，進而造成船舶無法正常營運。但根據船上核實試驗結果，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導則規定B方案的申請方對最終接受SCR系統負有責任，但在實際操作中，由于配備全尺寸SCR系統的柴油機已經被船廠接收，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證書的柴油機制造商，因此，一旦出現船上核實試驗不滿足要求的結果，將會把船廠和船東置于一個非常困難的處境，進而帶來法律糾紛和風險。這也意味著本應由申請方（柴油機制造商）承擔的責任和風險，因為申請方選擇了B方案而非傳統的A方案，轉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、準備報告、核查和發證時間，柴油機生產商能否向所有造船廠提供及時、足夠的技術支持，避免因SCR系統和柴油機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，肯定會增加造船廠的費用和負擔，延長交船時間，此外造船廠還需要熟悉相應的試驗程序，并對相關人員也需要進行培訓，以及考慮在簽訂柴油機訂購合同時對柴油機廠商進行約束，確保當船上核實試驗不滿足要求時可以得到柴油機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的柴油機裝船后進行75%負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屆環保會提交了相關提案，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行中，對造船界、船東和執行檢驗的機構帶來潛在的風險并產生負面影響。

由于2011年8月1日起北美區域成為第一個NOx排放控制區，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標準�？紤]到我國與美國的貿易量，加之船舶航線的不確定性以及二手船的買賣，筆者認為將有占絕對比例的船舶需要配備滿足Tier III標準的柴油機。此外，本屆環保會還通過了有關加勒比海的MARPOL附則VI修正案，根據該修正案的規定，該海域將于2013年1月1日成為新的NOx排放控制區。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）等排放進行更嚴格的控制（有消息稱地中海區域可能會成為下一個ECA）。隨著不斷有新的區域被指定為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，而目前滿足該要求的成熟產品僅有SCR系統。

國外生產廠家、船東和研究機構早在上世紀80年代末就開始了SCR的研發工作，筆者在北歐實習期間，在瑞典開往德國的渡船上就看到船東主動為船上的主機配備了SCR系統，而該系統早已實現了全自動化監控和管理，且已有十余年的實船使用經驗。根據最新報道，日本NYK公司在相關方的配合下，已于今年6月成功完成了首個為大型低速柴油機配套的SCR系統的海上試驗（該柴油機安裝在一艘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（7000kW）上安裝了SCR系統。

反觀國內制造業，有關船用SCR產品在國內基本上還是處于空白期，而要實現SCR產品的成熟化、產業化更是遙遙無期。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，我國的制造業特別是柴油機廠商需要考慮盡早啟動研發工作（或至少需考慮與國外SCR產品廠商合作），申請國家相關綠色環保項目，爭取到一定程度的資金和政策支持，化挑戰為機遇，否則將有可能失去Tier III甚至整個國際航運市場。而對于設計方而言，如柴油機配備SCR系統，意味著現有的傳統設計需作改進，比如，在機艙的SCR系統、管系布置、還原劑如尿素的儲存等方面作相應調整。 在本屆環保會上，針對配備SCR系統的柴油機，愛爾蘭和美國還要求進一步修訂NOx Code，在初次檢驗后的定期檢驗中增加檢驗要求，確保當船舶航行在ECA時能持續滿足Tier III標準，一般情況下船舶會在SCR設備中裝設開機/關機功能，僅當船舶航行在ECA時才使用“開機”模式，這些就能節省大量的SCR運行費用。經過討論，環保會決定由BLG分委會考慮NOx排放連續監測設備的可得性、經濟性效益和可靠性。筆者認為，對于我國的制造業而言，這實際上也是一次機遇，如果在結合研發SCR系統過程中開發出滿足要求的連續監測設備，不僅打破西方對此項技術的壟斷，為我國的航運業爭得利益，更具有廣闊的市場前景。

最后需要關注的是，當MEPC.176(58)決議最初得到通過時，考慮到柴油機達到Tier III標準的困難性，特別在MARPOL附則VI第13.10條規定“自2012年起不遲于2013年對技術發展狀況進行審查Tier III排放標準”。為此本屆環保會專門進行了討論，根據IMO秘書處和各個國家的意見，IMO最終決定成立專家組（NOx-EG）對該問題進行研究。筆者建議國內柴油機制造行業應積極參加此專家組，一方面能獲取國外先進柴油機廠商的最新研究方向、可行技術及研發進展情況，縮短與他們的技術差距，同時還根據實際情況，針對我國自主研發和生產的船用柴油機，研究對某些機型免除Tier III排放標準的可行性，如沒有實際可行的技術來滿足Tier III排放標準，或者因為船舶類型、尺寸、布置方面的限制，以及爭取IMO在資金和技術方面的支持，避免總是被動挨打的局面。