國際排放法對船舶動力系統(tǒng)技術(shù)提升的要求與對策*

曾慶東

(武漢理工大學(xué)研究生院 武漢 430070)

國際排放法對船舶動力系統(tǒng)技術(shù)提升的要求與對策*

曾慶東

(武漢理工大學(xué)研究生院 武漢 430070)

船舶動力系統(tǒng)在為船舶提供動力的同時，也是船舶溫室氣體及有害物質(zhì)排放的主要源頭.2013年，國際海事組織(IMO)對船舶動力系統(tǒng)降低排放提出嚴(yán)格的法規(guī)要求.文中在對該法規(guī)及其國外主要應(yīng)對措施進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了我國船舶動力系統(tǒng)技術(shù)存在的問題，提出了相關(guān)對策建議.

國際排放法;船舶動力系統(tǒng);NOx;SOx

0 引 言

國際海事組織的研究報告認(rèn)為，目前全球航運(yùn)業(yè)燃油消耗量每年大約為20億桶，CO2排放超過12億t，約占全球總排放量的6%.到2020年，溫室氣體排放量將在目前的基礎(chǔ)上增加75%.

對NOx減排的要求，國際防止船舶污染公約提出分2階段實(shí)現(xiàn)NOx減排的目標(biāo)[1].國際海事組織第二階段(IMO Tier II)要求在2011年1月1日之后建造的船舶，所安裝發(fā)動機(jī)的NOx排放限值將根據(jù)速度關(guān)聯(lián)函數(shù)，比第一階段(IMO Tier I)的水平減少大約20%.第三階段(IMO Tier III)則要求在2016年1月1日之后建造船舶安裝的發(fā)動機(jī)NOx排放限值比IMO Tier I減少80%.

對SOx排放的要求，IMO將波羅地海和北海等規(guī)定為SOx排放控制區(qū)(SECA).在此區(qū)域中，從2010年起僅能使用含硫量不超過1.0%的燃油；從2015年起，船舶燃油中的含硫量限額為0.1%.

對PM排放限制，以中速機(jī)為例，現(xiàn)行的要求是PM<0.27 g/(kW·h)，從2013年起，要求PM<0.14 g/(kW·h)，而從2016或2017年起，則要求 PM<0.04 g/(kW·h).

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國近10年已建造的主力船型(集裝箱船、油船和散貨船)中，約有50%不能滿足IMO船舶能效指數(shù)的要求.且中國的船用燃油中的硫含量接近3.5%，而要降低到國際排放法規(guī)所規(guī)定的0.1%～0.5%，需要增加燃油成本約500元/t.隨著船舶噸位不斷增大，燃油價格不斷上漲，排放法規(guī)日益嚴(yán)格，我國船舶制造業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn).

1 應(yīng)對國際排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)與國外發(fā)展趨勢研究

動力系統(tǒng)是船舶的心臟，承擔(dān)著為船舶航行、作業(yè)和使用提供能量和動力的任務(wù).因柴油機(jī)在可靠性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢，目前船舶動力系統(tǒng)原動機(jī)95%以上采用柴油機(jī)，因而船舶溫室氣體及NOx,SOx等有害物質(zhì)排放的主要源頭是船舶柴油機(jī).

為應(yīng)對日益嚴(yán)格的國際排放法規(guī)，世界各國不斷加大技術(shù)研發(fā)力度，通過技術(shù)創(chuàng)新提高船用柴油機(jī)節(jié)能、環(huán)保方面的性能，并不斷開發(fā)新產(chǎn)品.在改善柴油機(jī)燃料高效燃燒過程、排放控制及尾氣后處理技術(shù)、新型替代燃料，以及船舶動力能量綜合利用技術(shù)等開發(fā)與應(yīng)用方面，一些國際知名的研究機(jī)構(gòu)及船舶柴油機(jī)廠商進(jìn)行了大量技術(shù)創(chuàng)新，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并取得了突破性進(jìn)展.

1.1 高效燃燒技術(shù)

在不降低船用柴油機(jī)功率的前提下，提高船用柴油機(jī)節(jié)能、環(huán)保性能最根本的方式是改善柴油機(jī)的燃料燃燒過程.國外主要的柴油機(jī)生產(chǎn)廠商研發(fā)了系列技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如高增壓技術(shù)、高壓共軌燃油噴射技術(shù)、米勒循環(huán)技術(shù)等.

從2004年開始，歐洲委員會在其科技開發(fā)框架下與瑞士聯(lián)邦政府聯(lián)合實(shí)施“船舶超低排放燃燒的高效研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(HERCULES)”，HERCULES計(jì)劃分3階段完成，即HERCULES-A，B，C，該項(xiàng)目以資助MAN B&W公司和Wartsila公司為主，包括發(fā)動機(jī)制造商、科研院所、船級社及用戶等，總預(yù)算達(dá)到8 000萬歐元.HERCULES計(jì)劃的目的是研究開發(fā)一系列提高發(fā)動機(jī)效率和可靠性，大幅度降低柴油機(jī)有害氣體和顆粒排放，同時降低油耗、CO2排放等的新技術(shù)，為滿足更加嚴(yán)格的國際排放法規(guī)提供技術(shù)支持，見圖1.

圖1 歐洲HERCULES計(jì)劃進(jìn)度安排

1.2 排放控制和尾氣后處理技術(shù)

針對船舶NOx,SOx和PM的排放，IMO在2008年就通過了MARPOL73/78公約附則VI的修正案.因此，國外知名船舶柴油機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)紛紛開展尾氣后處理技術(shù)的研發(fā)，如廢氣再循環(huán)(EGR)、選擇性催化還原(SCR)、廢氣洗滌脫硫裝置等以減少有害氣體排放.

對于NOx排放，WARTSILA和MAN公司均已開展船舶選擇性催化還原(SCR)技術(shù)研究，并已經(jīng)進(jìn)入了裝船實(shí)際應(yīng)用階段，相關(guān)產(chǎn)品已具有隨時推向市場的潛力.MAN公司首先開發(fā)的中速柴油機(jī)，能滿足IMO Tier III排放法規(guī)，主要通過加裝選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)來減少NOx排放，預(yù)計(jì)將于2016年前應(yīng)用到其產(chǎn)品上.

對于SOx的排放，IMO要求在2015年起船舶在SOx排放控制區(qū)(SECA)航行或停泊時，船上使用的燃油硫含量不超過0.1%，或采用經(jīng)批準(zhǔn)的等效方法使排氣中SOx達(dá)到規(guī)定要求[2].要滿足這些要求，主要有3種途徑：使用含硫量不超過0.1%的低硫燃料，使用LNG發(fā)動機(jī)和加裝廢氣洗滌脫硫裝置(EGC).由于低硫燃油的成本及LNG發(fā)動機(jī)的技術(shù)等問題，廢氣洗滌脫硫裝置已經(jīng)成為解決船舶SOx排放問題的一個重要技術(shù)路徑.WARTSILA，MAN和Aalborg等公司均已針對船舶SOx排放進(jìn)行了廢氣洗滌脫硫相關(guān)裝置產(chǎn)品的開發(fā)，在技術(shù)上已相對成熟，并且已有一定量的船舶安裝了該后處理裝置.

對于PM排放，目前主要采用2種解決方案[3]，一種是通過使用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理；另一種是通過微粒捕集器(DPF)或氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)，針對燃燒產(chǎn)生的微粒進(jìn)行處理的廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù).

1.3 發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)能量綜合利用技術(shù)

通過發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成和能量回收利用技術(shù)，綜合利用改善發(fā)動機(jī)性能、提高可靠性，以及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)效率、降低有害廢氣(NOx，CO2，SOx，PM等)的總排放量等，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的超低排放.

德國MAN Diesel公司開發(fā)了柴油機(jī)排氣能量利用系統(tǒng)，系統(tǒng)整體熱效率可達(dá)55%，可減少10%的燃油消耗和CO2排放.WARTSILA公司開發(fā)了高效排氣能量利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括雙壓鍋爐、多級雙壓汽輪機(jī)、動力渦輪和軸帶電機(jī)等，系統(tǒng)熱效率可提高11.4%.冰島Marorka公司開發(fā)的能源管理系統(tǒng)能夠通過采用一系列優(yōu)化和管理的手段對船只整體運(yùn)行能效進(jìn)行提高，幫助船舶運(yùn)營企業(yè)節(jié)約能源和成本，提高管理水平和效率，同時減少有害氣體的排放，滿足IMO關(guān)于船舶能效管理計(jì)劃(SEEMP)和船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的強(qiáng)制措施.

1.4 新型替代清潔燃料技術(shù)

通過改變發(fā)動機(jī)以石油燃料為主的結(jié)構(gòu)，采用新型替代清潔燃料，達(dá)到減排的目標(biāo).

挪威船級社(DNV)發(fā)表的《實(shí)現(xiàn)低碳航運(yùn)之路——2030年減排潛力》研究報告，分析了25種不同措施的減排效果及相對應(yīng)的成本效益，結(jié)果表明，最有效的措施是將液化天然氣(LNG)作為船舶燃料，它幾乎可以100%減排SOx，減少85%～90%的NOx和15%～20%的CO2的排放，其低碳環(huán)保、成本低、安全系數(shù)高、符合國際排放標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)勢明顯，預(yù)計(jì)天然氣動力船將在2015年左右大規(guī)模使用[4].

韓國現(xiàn)代重工采用稀燃技術(shù)研發(fā)出了功率高達(dá)9 620 kW的環(huán)保型氣體發(fā)動機(jī).稀燃技術(shù)是通過加大發(fā)動機(jī)燃料混合氣中的空燃比，燃料能完全燃燒，也減少換氣損失，從而可降低油耗、提高功率，減少排放[5].與現(xiàn)有的柴油發(fā)動機(jī)相比，這臺大功率發(fā)動機(jī)減少了超過20%的CO2排放，NOx排放更是大幅減少97%.

德國MAN Diesel公司與韓國大宇造船集團(tuán)合作，將低溫高壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)用于低速柴油機(jī)，從而研發(fā)出高壓天然氣船舶推進(jìn)系統(tǒng)[6].該發(fā)動機(jī)是一種雙燃料低速柴油機(jī)，能以任何比例的燃油和天然氣混合作燃料.使用該推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)輸船舶不僅能降低營運(yùn)成本，同時也能減少污染物排放.該系統(tǒng)可降低23%的CO2排放，13%的NOx排放和92%的SOx排放.

2013年9月，阿拉伯航運(yùn)公司(united Arab shiping Co，UASC)預(yù)定了10艘巨型集裝箱船，其中1.8萬TEU和1.4萬TEU船各5艘，這10艘巨型集裝箱船將具備隨時“油改氣”的能力，這使其成為第一家計(jì)劃選擇LNG船作為大型集裝箱船舶使用燃料的大型遠(yuǎn)洋班輪公司.

2 我國船舶動力系統(tǒng)減排技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

2.1 船舶動力系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)相對落后，動力系統(tǒng)匹配不夠優(yōu)化

我國船舶柴油機(jī)產(chǎn)品的整體研發(fā)水平，與國外知名先進(jìn)柴油機(jī)公司相比還存在較大的差距，船舶柴油機(jī)主流產(chǎn)品均是國外專利許可證產(chǎn)品，技術(shù)的發(fā)展受制于人.我國自主研發(fā)的柴油機(jī)品牌正處于研發(fā)或市場開拓期，技術(shù)水平與國外先進(jìn)柴油機(jī)存在差距，短期內(nèi)難以支撐未來船舶對柴油機(jī)的需求，低速機(jī)更是缺乏核心技術(shù).船舶動力系統(tǒng)匹配依賴經(jīng)驗(yàn)，沒有成熟的設(shè)計(jì)方法，難以根據(jù)不同用途、不同船型的需求進(jìn)行系統(tǒng)層面的優(yōu)化，各設(shè)備水平也制約了系統(tǒng)的優(yōu)化.

2.2 排放后處理技術(shù)起步較晚，難以支持我國船舶動力系統(tǒng)的更新?lián)Q代

國內(nèi)船舶排放后處理技術(shù)的起步較晚，開展了廢氣再循環(huán)(EGR)、選擇性催化還原(SCR)等船舶后處理技術(shù)的研究，并進(jìn)行了相關(guān)柴油機(jī)臺架試驗(yàn)研究，但未開展針對具體船型的實(shí)際裝船試驗(yàn)研究，影響了相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化能力的形成.歐美等發(fā)達(dá)國家對船舶后處理系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了大量的科研投入，我國雖已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究，但還沒有針對相關(guān)系統(tǒng)裝置的裝船應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā).

2.3 清潔能源技術(shù)落后，尚不能為未來船舶提供高效動力

由于LNG等氣體燃料具有價格低、低碳和其他有害物低排放的優(yōu)勢，已經(jīng)逐步成為船舶動力重要的新型燃料，因此氣體機(jī)或雙燃料機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為船舶動力行業(yè)未來重要的發(fā)展方向[7].我國對氣體機(jī)和雙燃料機(jī)技術(shù)的研發(fā)起步較早，但由于我國低速柴油機(jī)技術(shù)目前主要依賴國外，技術(shù)水平不高，還不具備自主研制低速氣體機(jī)的條件，尚不能支撐未來船舶對高效動力的需求.

3 對我國船舶動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的建議

3.1 提升船用柴油機(jī)自主產(chǎn)品研發(fā)能力

我國已研究并掌握柴油機(jī)智能化控制單元的關(guān)鍵技術(shù)，具備開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率船用發(fā)動機(jī)智能控制系統(tǒng)的能力，應(yīng)進(jìn)一步研究和開發(fā)船用發(fā)動機(jī)高壓共軌技術(shù)、高增壓技術(shù)、高效燃燒技術(shù)、排放控制等關(guān)鍵技術(shù)，以適應(yīng)越來越嚴(yán)格的船舶排放法規(guī)要求.通過對國外最新一代許可證產(chǎn)品的引進(jìn)、消化和吸收，聚焦我國船用柴油機(jī)自主研發(fā)所需要突破的核心關(guān)鍵技術(shù)，依據(jù)柴油機(jī)自主產(chǎn)品研發(fā)的創(chuàng)新鏈，整合優(yōu)質(zhì)資源，構(gòu)建符合我國船用柴油機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展基礎(chǔ)的自主研發(fā)體系，開展協(xié)同創(chuàng)新，逐步提升自主知識產(chǎn)權(quán)船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)以及核心配套件自主研制的綜合能力.

3.2 加快多種燃料發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研發(fā)

由于氣體燃料的低成本和低排放等優(yōu)勢，我國應(yīng)重視并加強(qiáng)氣體發(fā)動機(jī)、雙燃料發(fā)動機(jī)及替代清潔燃料發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，開發(fā)船用柴油機(jī)改造成多燃料或LNG發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)直噴、泄露控制、高效燃燒等關(guān)鍵技術(shù)，突破多燃料發(fā)動機(jī)系統(tǒng)匹配應(yīng)用技術(shù)，努力形成實(shí)用產(chǎn)品.

3.3 提升船舶動力系統(tǒng)能量綜合利用水平

挪威船級社(DNV)、冰島MARORKAD公司等均推出了船舶能效管理的成熟產(chǎn)品，平均能提高能源效率3%～15%.我國應(yīng)通過國際交流與合作，大力開展船舶動力系統(tǒng)能量綜合利用系統(tǒng)開發(fā)，研究電力和混合推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，掌握船舶動力系統(tǒng)集成關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)和船舶航運(yùn)最優(yōu)運(yùn)行策略，進(jìn)一步減少有害排放物的總排放量和提高船舶動力系統(tǒng)的綜合效率，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的.

4 結(jié)束語

世界船舶動力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移演變的規(guī)律顯示，在市場低潮時期，正是產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生重大變化的時期.日、韓等國船舶動力產(chǎn)業(yè)在石油危機(jī)、亞洲金融危機(jī)等國際重大事件中，尋找機(jī)遇，快速發(fā)展，成功進(jìn)入了世界前列.此次金融危機(jī)，也使世界船舶動力產(chǎn)業(yè)中心加快了轉(zhuǎn)移，一些船舶動力產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家由于成本等因素，已經(jīng)逐步退出主流船舶動力產(chǎn)業(yè)市場，而我國船舶動力產(chǎn)業(yè)正在成長期，具有較大潛力和提升空間，如果不斷提高技術(shù)實(shí)力，完善產(chǎn)業(yè)體系，世界船舶動力產(chǎn)業(yè)有望加快向我國轉(zhuǎn)移的步伐.

[1]邢 敏.我國節(jié)能環(huán)保型船用發(fā)動機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略的思考[J].金屬加工:冷加工,2012(17):7-9.

[2]吳春平，吳 剛，王曉琳.IMO極地規(guī)則和未來極地船舶發(fā)展趨勢分析造[J].造船技術(shù),2014(2)：6-9.

[3]鄒宏偉，張林安，張 勵.倡導(dǎo)綠色造船，用SCR控制發(fā)動機(jī)廢氣排放[J].金屬加工:冷加工，2012(17):13-15.

[4]徐 偉.航運(yùn)“氣化時代”漸行漸近[J].珠江水運(yùn),2013(20):60-61.

[5]陳清彬,詹志剛,林金英.船舶柴油機(jī)減排新技術(shù)方案研究[J].船舶工程,2011(4):44-48.

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On Reqiurement of International Emission Law for Improvement of Ship Powertrain Technology and Countermeasures

ZENG Qingdong

(GraduateSchoolofWuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China)

Ship power system provides power for the ship. Meanwhile ship power system is the prime source of emitting greenhouse gases and hazardous substance within the ship. In 2013, International Maritime Organization put forward strict legislation for lowering the emission from ship power system. The paper analyzes the existing problems of ship power system technology and proposes relative suggestions on the basis of the review of the legislation and countermeasures of foreign countries towards the legislation.

international emission law；ship power system; NOx;SOx

2015-01-20

*國家軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號:2011GXS4K074)資助

U676.3

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.027

曾慶東(1972- )：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸安全