控制船機廢氣排放的綠色水運技術(shù)分析

高 炳趙自奇

（1. 廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510800； 2. 廣東高校船舶自動化系統(tǒng)集成工程技術(shù)開發(fā)中心 廣州 510800；3.廣船國際股份有限公司技術(shù)中心 廣州510382）

控制船機廢氣排放的綠色水運技術(shù)分析

高 炳1,2趙自奇3

（1. 廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510800； 2. 廣東高校船舶自動化系統(tǒng)集成工程技術(shù)開發(fā)中心 廣州 510800；3.廣船國際股份有限公司技術(shù)中心 廣州510382）

文章分析了水路運輸船舶柴油機廢氣排放對大氣的污染，介紹了國際海事組織相關(guān)公約對船機排放的控制要求，討論了業(yè)界重點關(guān)注的船機廢氣排放控制技術(shù)、溫室氣體排放等熱點問題、以及國內(nèi)外法規(guī)與鼓勵措施等。文中還提出進一步完善控制船機廢氣排放的措施和思路，以期推進水路運輸節(jié)能減排重大關(guān)鍵技術(shù)、先進適用技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)與推廣，促進綠色水運可持續(xù)發(fā)展。

船舶柴油機；廢氣排放；綠色水運；節(jié)能減排

引 言

船舶運輸是國際貨運行業(yè)最省油的運輸手段，它占據(jù)全球貨運總量的70%以上［1-2］。約70%的船舶排放是發(fā)生在離海岸線400 km以內(nèi)的區(qū)域，船舶發(fā)動機尾氣排放對陸地空氣質(zhì)量的影響已成為當前關(guān)注的焦點，而陸地空氣污染物排放控制限度已遠遠超過船舶排放的控制限度。

一般情況下，船舶使用低質(zhì)量的燃料以減少成本，而低質(zhì)量的燃料通常具有較高的含硫量。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，船舶排放的硫氧化物（SOX）占全球運輸行業(yè)SOX排放總量的60%左右，船舶氮氧化物（NOX）排放量占全球人為產(chǎn)生NOX排放總量的15%左右，占全球貨運運輸行業(yè)NOX排放量的40%左右，航運業(yè)占全球貨運行業(yè)的二氧化碳排放量的15%左右（占全球二氧化碳排放總量的2-3%）［1-2］。船機廢氣排放直接影響著空氣質(zhì)量和全球氣候變暖，可見，水運船機造成的排放污染已到了必須重視的處境。

1 影響空氣質(zhì)量的水運船機廢氣排放

1.1 形成原因

對于船舶柴油機，燃油在活塞壓縮上止點之前以較高的壓力噴入氣缸，壓縮沖程使缸內(nèi)氣體上升到足夠高的溫度從而使燃油燃燒。在約2 000℃高溫環(huán)境下，燃油噴霧與空氣混合發(fā)生燃燒。燃燒過程中，空氣中的氮和氧結(jié)合生成氮氧化物NOX，且柴油燃燒過程中會產(chǎn)生相對較高水平的NOX，而燃油本身的特性對NOX生成量的影響較?。?］。

在燃燒過程生成的硫氧化物是由于燃油中的硫與氧的結(jié)合，SOX主要成分是二氧化硫。在發(fā)動機中形成SOX的量主要取決于燃料中的硫濃度。船機SOX的排放相對較高是由于燃燒含硫量高的燃料。

PM主要由以下兩個機制生成：

（1）核模態(tài)粒子主要包括冷凝的烴類和硫酸鹽。氣態(tài)前體隨著溫度的降低凝聚在排氣系統(tǒng)中，隨后與大氣中的冷空氣混合。硫酸鹽的生成來自燃燒產(chǎn)生的硫氧化物（SOX）與廢氣中的水的組合。

（2）積聚態(tài)顆粒是在燃燒過程中形成的，主要由大部分碳粒子（99%的碳質(zhì)量）和其他固體顆粒凝聚而成。大部分積聚態(tài)微粒形成在燃料噴霧的核心，他們被稱為“黑碳”或“煙灰”。另外，燃油氣體和冷凝的碳氫化合物被吸收到顆粒的表面，積累模式下形成的煙灰是柴油燃燒過程中所固有的，僅有小部分的生成依賴于燃料質(zhì)量。

核模態(tài)粒子中的冷凝碳氫化合物以及積聚態(tài)粒子表面上都含有毒和致癌性的碳氫化合物。船用燃料的高含硫量會導(dǎo)致硫酸鹽顆粒生成量相對較高。

揮發(fā)性有機化合物（VOC）包括未燃燒或部分燃燒的烴類（來自燃燒過程），在廢氣中以氣體的形式排放。他們也可直接通過貨物排放，如通過石油和石油產(chǎn)品的蒸發(fā)。

1.2 水運船機廢氣排放的影響

航運的廢氣排放有一部分被排到陸地上，使陸地污染加重。

氮氧化物排放會助推形成光化學(xué)煙霧，而光化學(xué)煙霧則導(dǎo)致高濃度的臭氧和有害的有機化合物形成。臭氧危害人體健康，在低層大氣中也是一種溫室氣體。高濃度的二氧化硫會影響肺功能。

從發(fā)動機排出的廢氣（尤其是細顆粒）可以進入人體肺部和血液，從而導(dǎo)致心血管疾病和肺部疾病。Corbett等人［4］推測船舶廢氣排放會提高死亡率。有研究結(jié)果表明，船舶排放的顆粒物會導(dǎo)致每年約60 000人死于心肺疾病及肺癌，主要是集中在歐洲，東亞和南亞的海岸線附近。

SOX和NOX的排放會受IMO MARPOL 73/78公約附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》（3.1節(jié)所述）的監(jiān)管，而顆粒物和揮發(fā)性有機物目前暫無法規(guī)監(jiān)管。

排放污染物對大氣環(huán)境的具體影響以及對人體的危害參見下頁表1、表2。

表1 污染物對大氣環(huán)境的危害

表2 污染物對人體的危害

2 法規(guī)對排放的要求

2.1 IMO MARPOL附則 VI（2008）要求

國際海事組織（IMO）在2008年頒布了修訂后的控制船舶廢氣排放公約，該公約被稱為MARPOL公約附則VI。MARPOL公約是國際船舶防污染公約，附則VI主要針對防大氣污染。

先前施行的附則VI是2005年頒布的，有時也被稱為“MARPOL 附則 VITier I”。 現(xiàn)行的附則VI提出了一個全球性氮氧化物排放量和燃油含硫量的上限，此外，特殊的ECAS區(qū)可以制定更嚴格的控制要求。

MARPOL公約附則VI的規(guī)定可參見下頁圖表。下頁中的圖1為MARPOL公約附則VI中的NOX排放新標準，圖2為MARPOL公約附則VI中的燃油含硫量新標準。

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圖1 MARPOL公約附則VI中的NOx排放新標準

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圖2 MARPOL公約附則VI中的燃油含硫量新標準

其中，對幾個重要節(jié)點再作如下說明：

（1）2005年施行Tier I標準，NOX排放限值主要針對2000年以后的新船。

（2）2010年排放控制區(qū)（ECAS）施行燃料含硫量限值為1%，2015年排放控制區(qū)（ECAS）施行燃料含硫量限值為0.1%。

（3）2011年全球施行Tier II標準，NOX排放限值主要針對新造船舶（相對于IMO Tier I標準降低了15～20%）（通過發(fā)動機優(yōu)化控制實現(xiàn)）。

（4）2012年全球施行燃料含硫量限值為3.5%。

（5）2016年排放控制區(qū)（ECAS）施行Tier III標準，NOX排放限值主要針對新造船舶（相對IMO降低了80%）（需加尾氣后處理系統(tǒng)）。

（6） 2020年全球施行燃料含硫量限值為0.5%。如果煉油廠可以生產(chǎn)，需在2018年審查。

（7）Tier I的NOX排放標準施行，針對1990年至2000年安裝的功率大于5 MW的船舶（通過改裝套件實現(xiàn)）。

（8）根據(jù)附件VI，廢氣洗滌器可以用作低硫燃料的替代品。

（9） 降低硫含量會顯著降低細顆粒物的排放量。

同時，美國和加拿大已申請指定IMO排放控制區(qū)（ECA），主要覆蓋了太平洋沿岸、大西洋/海灣海岸和8個主要的夏威夷群島，距海岸線延伸200 n mile。國際海事組織已經(jīng)接受了這個提議。關(guān)于這些新船發(fā)動機的排放控制，IMO ECA區(qū)加上了HC和CO排放限制［5-6］。

預(yù)計到2030年，該戰(zhàn)略對人們健康和社會福利有明顯的積極影響，每年可防止大約13 000～33 000人過早死亡，減少1 500 000個工作日，活動受限天數(shù)減少10 000 000天，人們的醫(yī)療支出預(yù)計將減少110億美元至2 800億美元。這些預(yù)期收益超過該戰(zhàn)略預(yù)計成本的比例至少為30∶1。

2.2 其他限制

除MARPOL公約之外的其他排放限制包括：

（1）2010年在歐盟?？康拇叭剂虾蛄繎?yīng)為0.1%以下。

（2）2009年在加利福尼亞州水域的餾分燃料，燃料含硫量應(yīng)為1.5%/ 0.5%（取決于燃料芳香性）。

（3）2012年在加利福尼亞州的水域的餾分燃料，燃料含硫量應(yīng)為0.1%。

3 有關(guān)國家對排放征稅及獎勵措施

征稅和獎勵措施主要是為鼓勵減少廢氣排放，這些措施包括：

（1）挪威NOX稅。針對包括本國航運業(yè)的所有行業(yè)，履行“哥德堡議定書”規(guī)定的義務(wù)——連續(xù)測量或基于默認指數(shù)計算（NOX稅=15×在挪威境內(nèi)排放的氮氧化物質(zhì)量，kg）。

（2）瑞典分化港務(wù)費。主要針對氮氧化物的排放，燃油中的硫含量。

（3）溫哥華分化港務(wù)費。主要針對燃料中的硫含量。

（4）氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）和CO2的環(huán)境指數(shù)正在研究中，它主要根據(jù)環(huán)保性能來選擇船舶。

（5）DNV清潔設(shè)計認證限制氮氧化物（NOX），硫氧化物（SOX）和制冷劑的排放。

4 船機廢氣排放控制的技術(shù)措施

根據(jù)船機排氣污染物的種類以及影響排氣污染物的生成因素，業(yè)界已提出或已采用很多降低排氣污染物的控制措施，主要從發(fā)動機改善燃油品質(zhì)、改進燃燒過程以及排氣后處理等方面采取措施［7-9］。下面主要就聚焦點NOX和SOX的排放控制技術(shù)措施進行分析。

4.1 降NOX排放控制技術(shù)

（1）發(fā)動機優(yōu)化。新的發(fā)動機需符合國際海事組織（IMO）Tier II NOX的排放限值標準，這可能導(dǎo)致油耗增加約3%。發(fā)動機的優(yōu)化主要通過優(yōu)化燃燒過程實現(xiàn)，包括提高燃油噴射壓力、噴射正時延遲、增大壓縮比、降低初始空氣溫度和優(yōu)化的噴射模式等，采用電控高壓燃油噴射有利于燃燒優(yōu)化，尤其是在低負荷工況下。

（2）使用燃料水乳劑或直接噴水可以使NOX在原來的基礎(chǔ)上降低20%～ 50%。在燃燒區(qū)加注水會降低燃燒溫度峰值，從而減少NOX的形成，主要是由于NOX的形成依賴于高溫條件。

（3）空氣加濕是噴水的另一種方式，方法是通過將其與燃燒空氣混合，在四沖程發(fā)動機中它可以使NOX降低70%。

（4）廢氣再循環(huán)（EGR）通過排出的廢氣與新鮮空氣混合降低燃燒溫度峰值，它可以使NOX降低70%，但油耗費用會增加2%左右。

（5）選擇性催化還原技術(shù)（SCR）可以使NOX降低95%。尿素被噴入廢氣中并將該混合物通過催化器進行反應(yīng)。SCR裝置的安裝和維護成本較高，但NOX有大幅度降低并且可通過發(fā)動機優(yōu)化降低油耗。SCR系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)安裝到某些運營的船舶上。

（6）減少燃料中的硫會使SCR和EGR更容易實現(xiàn)。

（7）液化天然氣（LNG）在不使用后處理的情況下可以實現(xiàn)非常低的NOX排放。

4.2 降SOX排放控制技術(shù)

4.2.1 洗滌器

廢氣洗滌器可以除去廢氣中大部分的硫氧化物與微粒物質(zhì)。針對海洋使用所開發(fā)的系統(tǒng)可通過使用海水、淡水或化學(xué)品洗出或中和硫氧化物，但是廢水的排放會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。

4.2.2 低硫燃油

減少SOX排放最直接的方法是減少燃料中的硫含量，重油硫含量的降低是有一定限度的。重油顏色呈黑色，它是由原油精煉過程中提煉的粗渣組成，輕油被用于其他用途，大部分船舶都是使用重油。IMO MARPOL附則VI規(guī)定：到2020年之前，全球（航運用）燃油的硫含量要降至3.5%，相比之下，公路運輸用柴油（超低硫柴油）硫含量僅0.0010%（質(zhì)量分數(shù)）。美國要求可以依據(jù)自己制定的規(guī)則或者依據(jù)IMO組織MARPOL附則VI規(guī)定的排放控制區(qū)（ECAS）的限制來降低燃料中的硫含量。當然，也可使用更高品質(zhì)的船用柴油機燃油，但成本很高。

輕油被稱為船用柴油（MDO）或海洋天然氣石油（MGO）。超低硫柴油、 MGO和MDO一般被稱為餾分，有些船的輔機使用MGO或MDO發(fā)電。MDO和MGO硫含量低，一般在0.1%左右。MDO和MGO在澳大利亞一般不提供，如果船舶被要求使用除重油以外的燃料或者運行在港口附近，他們或者自帶MDO、MGO或者使用澳大利亞制造的超低硫柴油ULSD（含硫量非常低）。天然氣是另一種替代燃料，但不容易實現(xiàn)低硫餾分。

5 靠港時的減排措施

港口一般靠近市區(qū)。船舶柴油發(fā)電機發(fā)電以供泊岸負載、貨物裝卸和壓載水泵等處的使用。燃油鍋爐主要用來加熱燃料或貨物，所產(chǎn)生的蒸汽可供蒸汽驅(qū)動貨物泵運行以及制造熱水。巡航船有較高的泊岸負載，用來提供空調(diào)、照明、冷藏、烹飪等。

目前已施行減少靠港排放的兩項措施：

（1）燃料轉(zhuǎn)換。目前涉及靠港使用低硫燃料減少SOX和PM的排放量，未來也可能會看到靠港使用LNG的船舶發(fā)電機，這將進一步降低SOX和PM的排放量，也會減少NOX的排放量。

（2） 岸電或AMP（Alternative Maritime Power）。采用陸地電網(wǎng)對船舶供電，這就降低了港口的廢氣排放，其凈增益依賴于岸電。柴油發(fā)動機比現(xiàn)有的大規(guī)模煤或天然氣發(fā)電設(shè)備效率更高，所以使用岸電可能導(dǎo)致溫室氣體的增加。然而，柴油發(fā)動機產(chǎn)生更多的氮氧化物NOX和顆粒物PM。使用岸電的電力不能替代燃油鍋爐，所以使用岸電并不能使SOX有很大程度的降低。一些港口實施使用液化天然氣動力輔助發(fā)電機為船舶供電。

6 采用天然氣燃料發(fā)動機

天然氣主要由甲烷組成，幾乎不含硫。天然氣發(fā)動機運行產(chǎn)生的NOX和PM比液體燃料的柴油發(fā)動機少20%，而SOX的排放量可忽略不計。

雙燃料發(fā)動機以天然氣為主要燃料來源，噴入少量的柴油進行初始燃燒。雙燃料發(fā)動機可以依靠80%～ 99%的氣體燃料運行，特別適用于海洋使用，如果氣體供給失敗，發(fā)動機可以立即切換到100%的液體燃料運轉(zhuǎn)中，為船舶安全提供高度可靠的推進裝置。

發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)相當發(fā)達，從主要的發(fā)動機制造商那里可以獲得一系列雙燃料發(fā)動機，氣體發(fā)動機也可獲得并將用于多臺主機的船舶上。

如果燃燒系統(tǒng)設(shè)計良好，天然氣的使用可以減少25%的溫室氣體，因此不存在明顯的甲烷排放。氣體發(fā)動機在不使用后處理的情況下，其排放能滿足最嚴格的IMO NOX和SOX排放限值（IMO Tier III排放控制區(qū)），但與液體燃料的柴油發(fā)動機排放的顆粒物相比是非常低的。

在給定的體積下，液化天然氣比壓縮天然氣具有更多的燃油量。氣體以非常冷的液態(tài)形式儲存在高度隔熱且有中等壓力的罐體內(nèi)，存儲和安全處理的技術(shù)非常發(fā)達。

挪威正在為國內(nèi)航運業(yè)建立重要的液化天然氣基礎(chǔ)設(shè)施。液化天然氣在澳大利亞國內(nèi)航運業(yè)具有很大的吸引力。澳大利亞擁有豐富的天然氣儲量，而石油則已所剩無幾。

7 溫室氣體排放

航運業(yè)的CO2排放量占全球交通運輸業(yè)的15%左右，而航運業(yè)卻執(zhí)行全球貨運任務(wù)的70%左右。船舶運輸每噸每公里的CO2排放量是公路運輸?shù)?0%左右，這使得航運成為減少溫室氣體排放的一個具有吸引力的選擇。與船舶CO2排放量相比，鐵路、公路和航空運輸?shù)呐欧帕咳缦马搱D3所示。

圖3 2005年全球運輸行業(yè)的CO2排放量比較圖（不包括小轎車，僅有貨物運輸）

CO2是船舶主要排放的溫室氣體。與CO2相比，船舶發(fā)動機排放的甲烷（CH4）和N2O對全球變暖有輕微的作用，此外，SOX，NOX，PM和VOC對全球變暖也有輕微的作用。溫室氣體減排措施和空氣質(zhì)量減排措施之間有相互作用。例如，減少NOX排放量可以增加燃油消耗，從而增加CO2的排放量。

現(xiàn)今，減少航運業(yè)溫室氣體排放的措施有很多。

7.1 降速航行控制溫室氣體排放

降速航行是一項可操作的措施，可以明顯減少CO2的排放。在同一段距離中，當速度降低10%時，油耗可降低20%以上。發(fā)動機可以通過優(yōu)化運行過程來降低速度，如提高壓縮比，提高渦輪增壓器增壓壓力以恢復(fù)氣缸壓力，這樣每次循環(huán)可以減少燃油噴射。

德國勞氏船級社最近建議，集裝箱船12～14 kn的速度將是最佳速度，而現(xiàn)行規(guī)范是20 kn以上，這個最佳速度（經(jīng)濟航速）可以節(jié)省燃料成本、減少排放量，并且吸收產(chǎn)能過剩的船隊。

7.2 其他措施控制溫室氣體排放

這些措施包括：使用替代能源，如天然氣、風能、第2代/第3代生物燃料（藻類，木質(zhì)纖維（如木材），熱解油，合成柴油，生物甲烷）；改進船體和螺旋槳效率；提高船舶能源效率；優(yōu)化氣象導(dǎo)航；新的后處理技術(shù)，例如CSNOX（新加坡Ecospec公司生產(chǎn)的），可以從廢氣中除去74%的CO2、93%的SOX，以及82%的NOX，但這項技術(shù)尚未被證實。

此外，關(guān)于排放貿(mào)易/碳稅的問題已被多方討論執(zhí)行，多種備選方案也正在積極考慮之中。澳大利亞船東協(xié)會（如同其他一些國家類似的協(xié)會）已經(jīng)為國際航運業(yè)提出了一個全球性的上限和交易制度。

8 結(jié) 論

船舶發(fā)動機排出的廢氣已給世界一些水路航運比較活躍的地區(qū)帶來許多有害的影響，但許多防治措施也已在全球施行，并且取得顯著的進步［10-11］。

少數(shù)關(guān)于空氣質(zhì)量排放的研究已經(jīng)在澳大利亞等國的某些港口和港口周圍進行探索，但是這需要進行指導(dǎo)性的研究以量化船舶排放對空氣質(zhì)量影響的關(guān)系。大量的研究工作需要各方面配合支持，比如改革政府的政策。相比于公路或鐵路運輸，航運業(yè)排放相對較低的溫室氣體，因此可為其提供優(yōu)先選擇權(quán)。這些選擇權(quán)包括鼓勵航運和獎勵采用其他替代燃料，如低硫餾分或LNG等替代燃料；此外，還應(yīng)大力推進水路運輸節(jié)能減排重大關(guān)鍵技術(shù)、先進適用技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)與推廣，積極采用船機廢氣排放控制新技術(shù)，促進綠色水運建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。

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Analysis of green waterway transportation technology to control marine engine emissions

GAO Bing1,2ZHAO Zi-qi3
(1. Guangdong Communication Polytechnic, Guangzhou 510800, China; 2. Guangdong University Ship Automation System Integration Engineering Technology Development Center, Guangzhou 510800, China; 3. Guangzhou Shipyard International Company Technical Center, Guangzhou 510382, China)

This paper analyzes the atmospheric pollution from the exhaust emission of marine diesel engine in waterway transportation, and introduces the control requirements of the marine engine emissions of the relevant conventions of International Maritime Organization. It discusses the critical industrial issues about the control technology of marine engine emission and green house gas emission, as well as domestic and international regulations and incentives. It also proposes further ideas and measures to improve the control of marine engine emission, which can promote the key technology of energy-saving and emission-reduction in waterway transportation, research and promotion of the advanced and applicable technologies and products, as well as the sustainable development of the green waterway transportation.

marine diesel engine; exhaust emission; green waterway transportation; energy-saving and emissionreduction

F552.3

A

1001-9855（2014）05-0017-07

廣東省交通運輸廳科技項目（科技-2014-02-31）；廣東省高職教育機電類專業(yè)教改項目（jd201307）；粵交職院導(dǎo)向性課題（2013DX）。

2014-04-28；

2014-06-16

高 炳（1983-），男，碩士，講師，研究方向：輪機工程技術(shù)、船舶動力裝置性能優(yōu)化與節(jié)能減排。

趙自奇（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶動力裝置設(shè)計與性能分析、船舶建造。