船舶滿足硫排放限值的方案選擇

李 源

根據(jù)國際海事組織（IMO）對船舶硫排放限制的要求，2015年1月1日開始波羅的海、北海、北美及美國加勒比海等硫排放控制區(qū)（ECA）內(nèi)船用燃料硫含量不超過0.1%，2020年1月1日以后，世界范圍內(nèi)船用燃料硫含量不超過0.5%。這使得船東需要采取適當?shù)拇胧p少船舶硫排放，目前主要有三種措施可以達到目的：使用含硫量小于0.1%的船用輕柴油（MGO）作為燃料；使用船用重質(zhì)燃料油（HFO）并安裝洗滌器；使用LNG作為燃料。這三種方案的使用成本、減排效果、適用船型各有不同，很難簡單地說哪種方案是最好的，需要根據(jù)船型特點、運營特點等作出合理選擇。

三種方案的優(yōu)缺點

1、使用含硫量小于0.1%的船用輕柴油（MGO）

優(yōu)點：采用該方案無需對現(xiàn)有船舶進行太多改動，大部分使用HFO的船舶可以直接使用MGO，有些船舶可能需要進行少量的燃油系統(tǒng)改裝，以允許使用低粘度燃油，如安裝燃油冷卻器，執(zhí)行特殊的燃油轉(zhuǎn)換程序等。因此這是三種方案中風險最低的一種。另外，使用MGO，主機所需的維護也將減小，國際水域航行船舶在ECA以外的水域航行時，2020年前仍可使用HFO。當2020年以后世界范圍內(nèi)實施硫排放上限時，可以去除HFO加熱設備，降低了維護和使用成本。

缺點：最主要的缺點是燃油成本，MGO比HFO費用提高了50%～70%。隨著全球船用柴油朝低硫化發(fā)展（EPA已經(jīng)在要求0.0019%的含硫量燃油），可以預見蒸餾加工將產(chǎn)生更低粘度的燃油，適用于設計使用HFO的大型主機。許多船舶需加裝冷卻MGO的系統(tǒng)，以增加主機入口處的燃油粘度使其滿足主機的要求。這些系統(tǒng)并不復雜，通常由一個帶熱交換器的閉環(huán)淡水冷卻系統(tǒng)組成，用于冷卻燃油。由于所需的燃油溫度可能低于船舶淡水冷卻系統(tǒng)所能提供的溫度，還需用小型制冷裝置對淡水進行冷卻。

對于現(xiàn)有船舶，當進入或離開ECA時，需在加熱HFO和冷卻MGO之間進行轉(zhuǎn)換，這存在一些困難，不過只要遵循主機制造商的操作指南以及船級社的指南，即可安全操作。2020年后，采用這種方式的船舶在所有時間段均使用MGO，這樣就沒有燃油轉(zhuǎn)換的問題了。另外，從低速柴油機使用HFO到長時間或全部時間使用MGO還需要更改汽缸油（使用低堿值油）。

2、使用船用重質(zhì)燃料油（HFO）并安裝洗滌器

安裝洗滌器系統(tǒng)的總成本包括洗滌器的初始成本、安裝費用、額外的輔助設備、船舶改裝費用，以及運行洗滌器系統(tǒng)所需的額外的燃料消耗和必要的消費品成本。

選擇何種類型的洗滌器需根據(jù)不同的船型、船舶作業(yè)方式和本地條件。比如，船舶在港時間很短或航行于ECA的時間很短，或本地規(guī)則、區(qū)域規(guī)則對于排放水無限制，則可以選擇開環(huán)洗滌器系統(tǒng)。

優(yōu)點：最主要的優(yōu)點是船舶在ECA航行時可以繼續(xù)使用HFO，相比低硫MGO，燃油成本顯著下降。為了達到與使用低硫油一樣的效果，廢氣清潔系統(tǒng)必須能夠去除發(fā)動機中產(chǎn)生的SOX，達到與使用低硫油同樣的水平。

缺點：雖然對清潔廢氣中PM排放水平無特定的限制，但在MARPOL附則Ⅵ第14條中提到從洗滌器系統(tǒng)中排放的廢氣中的PM水平應接近使用低硫油的水平。盡管洗滌器能在一定程度上減少PM，但不確定是否所有洗滌器系統(tǒng)均可達到與使用低硫油相同的水平。如果某些情況下對洗滌器作為“滿足規(guī)則要求的等效方式”的審核由于PM減少值的原因被撤回，或設定了PM限值，則洗滌器可能不再是一個滿足MARPOL附則Ⅵ第14條的可行的解決方案。

根據(jù)具體的洗滌器系統(tǒng)類型，燃油中最大硫含量可被清潔至與使用低硫油相同的水平。目前，在休斯頓或新加坡，含硫量1%的HFO差不多比普通HFO貴9%～12%，但在洛杉磯，約貴20%～35%。船舶使用含硫量1%的HFO，再使用洗滌器將更容易滿足硫排放0.1%的要求。

另外，還有一個船東需要考慮的問題是，2020年全球范圍內(nèi)執(zhí)行硫排放0.5%限值的規(guī)定后，高硫HFO的成本優(yōu)勢可能會顯著降低，并且可預見屆時低硫燃油更容易購買獲得。這是目前很難量化的風險。

廢氣清潔設備以及必需的廢氣旁通和閥會占用較大的空間，在某些船舶上安裝會存在一定的困難。如果安裝的是閉環(huán)系統(tǒng)，還需相應的冷卻/洗滌水系統(tǒng)以及給水和清潔系統(tǒng)。由于被洗滌對象的腐蝕特性，所有這些設備必須使用高質(zhì)量防腐材料制造。對于閉環(huán)系統(tǒng)，還需增加苛性堿和減震箱、殘渣分離器和殘渣存儲柜。

3、使用LNG作為燃料

優(yōu)點：近年來，全球范圍內(nèi)LNG的供應量明顯增加。根據(jù)不同的操作區(qū)域和燃料來源，LNG有可能比化石燃油便宜很多。LNG根本不含硫和粉塵，因此它的燃燒物中也不會含有SOX和PM。另外，由于在奧托循環(huán)主機中的燃燒溫度低，NOX排放相應也較低，在TierⅢ限值之內(nèi)。天然氣主要由甲烷組成，其碳含量通常比化石燃料少13%～15%。每千克熱值高10%～13%，CO2排放低25%～30%。

缺點：LNG裝船存在固有的危險性，但通過遵守設計規(guī)則和嚴格的船員培訓，可極大地減少火災或爆炸發(fā)生的風險系數(shù)。LNG運輸船超過40年的安全記錄證實了這一點。作為一種低溫液體，必須采取特別的預防措施以避免與人和船體結(jié)構(gòu)發(fā)生接觸。僅一些特殊的材料，如不銹鋼、鋁和因瓦合金，可以與LNG接觸。當以氣態(tài)形式存在時，天然氣須在雙層壁的管道中運行，雙層壁之間的環(huán)形空間需要被惰化或通風，并監(jiān)測有無泄漏。

因為LNG的密度只有HFO的一半不到，LNG燃料艙的容積要比燃油大得多。通常LNG儲存在特殊設計的液艙中，根據(jù)國際氣體法規(guī)（IGC）的相應要求建造。大部分情況下，LNG燃料艙采用C型艙，因為允許7～10bar的壓力，足以容納蒸發(fā)氣10～20天。除了需要更大的容積，因為外形為圓柱形，C型艙還會占用較大的空間，特別是位于甲板下的液艙。另外，燃油艙仍然需要，以防氣體燃料供應短缺?？臻g利用率更高的棱形艙，以及更常用的薄膜型艙和獨立的A型或B型艙均能最大程度地利用艙室空間。棱形艙的問題是無法裝載壓力氣體（僅0.7bar的壓力），因而必須采取措施持續(xù)消耗蒸發(fā)氣。

相比燃油版本的發(fā)動機，中速雙燃料發(fā)動機和奧托循環(huán)低速柴油機的輸出功率會有所減少。低速氣體發(fā)動機與燃油版本發(fā)動機功率輸出相同。

氣體發(fā)動機的燃料系統(tǒng)比普通發(fā)動機的燃油系統(tǒng)昂貴。對于低速氣體噴射柴油機，燃料系統(tǒng)在300bar的壓力下運行，這需要更高的價格、特殊設備和管路，可能會需要頻繁的維護，以及面臨高壓氣體帶來的更高的風險。

使用LNG時，加燃料是一個復雜的操作，需要特別的培訓以確保無LNG溢出到船體結(jié)構(gòu)上，蒸汽回流管妥善連接，以及加注完成后所有的管路都經(jīng)過凈化。另外，目前規(guī)則制定機構(gòu)間尚無加注和貨物操作可以同時進行的協(xié)議。如果不能，船舶在港時間需要增加，導致船舶需提高航速減少海上航行時間。

對于中速雙燃料發(fā)動機，低負荷運行時不太可能使用氣體，這時需要切換至MGO。中速和低速雙燃料發(fā)動機在日常操作中均需要使用少量的MGO（總能源消耗量的1%～5%）作為引燃燃料。

三種方案的減排效果

1、使用含硫量小于0.1%的船用輕柴油（MGO）

NOX：需要時，可搭配使用選擇性催化還原（SCR）裝置來降低NOX排放，使?jié)M足ECA內(nèi)的IMO TierⅢ排放要求，這些裝置工作時需要將廢氣加熱至350℃或更高溫度。氨，通常是尿素，被噴射至廢水，在催化劑的作用下與NOX發(fā)生反應，生成N2和水。如果廢氣中SOX含量高或溫度太低，則不會發(fā)生反應。

另一種滿足TierⅢ NOX排放標準的方法是使用廢氣循環(huán)（EGR），通過降低氣缸里的燃燒溫度，減少NOX的形成。該過程的工作原理是：一小部分的廢氣通過一個小型廢氣洗滌器后，被電動機驅(qū)動的送風機轉(zhuǎn)變?yōu)槌涮羁諝馑腿胫鳈C。

SOX和顆粒物（PM）：由于MGO含硫量和雜質(zhì)較少，排放中的SOX和PM都將減少。相比使用含硫量高的HFO，SOX約減少96%。PM的降低程度不明確，估計約降低50%～80%。由于PM減少值的不確定，US EPA已經(jīng)要求主機制造商采取措施更好地記錄PM減少值。如果IFO（中間燃油）的含硫量也可以達到0.1%，則與MGO相比，SOX的減少一致，但是PM的降低程度較小。

CO2與溫室氣體：不同類型的燃油造成的CO2排放相差不多。相比HFO，MGO的熱值高5%，因此產(chǎn)生相同的熱量時，MGO消耗量會減少約5%，從而CO2排放會相應減少。

2、使用船用重質(zhì)燃料油（HFO）并安裝洗滌器

使用洗滌器將顯著降低SOX排放，但是對其他方面的排放減少程度較小。

NOX：洗滌器對NOX排放影響很小。因為洗滌過程會將氣體冷卻到不適宜使用SCR的溫度，這意味著必須在氣體進入洗滌器之前使其NOX排放滿足規(guī)則要求。MAN公司開發(fā)了兩種解決方案，一種是在主機和渦輪增壓器進氣口之間的廢氣系統(tǒng)中使用SCR，為了防止SCR堵塞，這種方案要求使用1%或更低的低硫油。低負荷運行也可能要求提升廢氣溫度，通過減少主機內(nèi)的氣流或?qū)⒁恍U氣旁通到渦輪機中。第二種解決方案是廢氣循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)使用一臺小型洗滌器去除一小部分廢氣中的硫和顆粒物。然后氣體被冷卻并送回主機，從而降低燃燒溫度并減少NOX排放。因為從渦輪增壓器中出來的氣體其NOX水平已被降低至足以滿足Tier Ⅲ的要求，而并未大幅降低溫度，這時仍能使用洗滌器降低SOX。

目前中速機尚無降低NOX排放的內(nèi)置系統(tǒng)，這使得發(fā)電機滿足排放要求較困難，除非為每一臺主機安裝SCR。由于SCR系統(tǒng)不能對冷卻廢氣起作用，因此洗滌器不能在SCR之前使用。這些主機必須使用低硫燃油以避免產(chǎn)生堵塞SCR部件的問題（會發(fā)生堵塞的原因是加入的尿素中的氨與廢氣中的硫發(fā)生反應，形成了氨硫化合物，沉淀下來包裹催化劑元素，阻止催化劑接觸氣體）。

SOX和PM：可 減 少SOX約96%，PM約30%～60%。

CO2和溫室氣體：不會降低CO2和溫室氣體排放。實際上，由于洗滌器安裝在主機上會產(chǎn)生額外的背壓（減少熱力學效率），及運行洗滌器所需的額外輔助電力，洗滌器可能少量增加船舶總體燃油消耗，從而增加CO2排放。

3、使用LNG作為燃料

NOX：NOX降低程度取決于發(fā)動機的類型。對于奧托循環(huán)發(fā)動機氣體模式下運行時（約5bar的低壓氣體噴射至進氣口），如大部分中速柴油機和瓦錫蘭低速機，NOX排放量會顯著減少，約減少90%。這是因為奧托循環(huán)發(fā)動機的壓縮壓力和燃燒溫度較低，減少了燃燒過程中的NOX形成。但是壓縮壓力和燃燒溫度低又會導致每個氣缸的輸出功率較小，因此這種類型的發(fā)動機需要更大的位移量或更多的氣缸數(shù)量。

柴油機循環(huán)下使用氣體燃料時（高壓氣體直接進入氣缸），例如MAN低速發(fā)動機，NOX的減少有限。這是因為其壓縮壓力和燃燒溫度與燃油發(fā)動機相當。然而，使用直接氣體噴入發(fā)動機的一個好處是輸出功率與燃油發(fā)動機一致。這種情況下需要采取額外的措施減少NOX排放以滿足規(guī)則要求，典型的辦法包括安裝SCR或使用廢氣循環(huán)。

SOX和PM：使天然氣作為主燃料時，SOX和PM排放幾乎為零。因為天然氣中幾乎不含硫且僅含極少量的雜質(zhì)。

CO2和溫室氣體：由于其較高的熱當量和化學構(gòu)成，使用天然氣相比燃油，將減少25%的CO2。但是在排氣過程中，奧托循環(huán)發(fā)動機中將會有一些未燃燒的甲烷產(chǎn)生。甲烷是天然氣的主要成分，其溫室氣體影響比CO2高25倍，因此甲烷逃逸抵消了CO2排放降低帶來的溫室氣體減少。柴油機循環(huán)下操作的氣體發(fā)動機，由于使用高壓氣體噴射，甲烷逃逸量極低，因此相比相同輸出功率的燃油發(fā)動機，總體溫室氣體約能減少22%。

三種方案的成本分析和減排效果比較

海事界部分觀點認為LNG是滿足ECA要求毋庸置疑的選擇，因為LNG燃料相對低廉的價格在船舶全生命周期里將為船東提供相當可觀的燃料成本節(jié)省，同時又能滿足所有ECA排放要求。做這種選擇的假設是燃料成本帶來的節(jié)省可以很快收回初始投資。類似地，廢氣洗滌器的支持者相信繼續(xù)使用價格低廉的HFO，同時又能清潔廢氣，是最經(jīng)濟的方式，其假設前提也是每年的燃料成本節(jié)省將快速收回安裝洗滌器的投資。

對于選擇何種方案，投資方和運營商的訴求是不同的，投資方認為成本最低的方案最優(yōu)，運營商則要求最大的安全性和方便操作與維護，因此必須在幾種訴求中建立一種平衡。

三種方案的經(jīng)濟可行性和成本有效性很大程度上由船舶的類型和操作方式?jīng)Q定。影響經(jīng)濟性可行性的因素有在排放控制區(qū)操作的時間；使用LNG需要船員培訓和證書；額外的維護要求和成本；潛在的貨物損失和收入損失；如果貨物和燃料操作不能同時進行，可能需要提高航速；需要根據(jù)燃料供應情況決定船舶航線；以及最困難的決定因素——預測將來的燃料價格。這需對目標船舶新建或改裝進行完整的工程研究才能決定采用哪種方式最適合、最經(jīng)濟?？墒褂煤唵蔚牡阮~年成本（EUAC）法進行分析。

1、成本分析

《Analysis of Fuel Alternatives for Commercial Ships in the ECA Era》中使用等額年成本（EUAC）法進行成本分析，從2015年開始，為期10年，假設每年的通貨膨脹率為2%、折現(xiàn)率14%、利息6%。以中型的油船和集裝箱船為目標船型，考慮了在亞洲建造和美國建造兩種情況（亞洲和美國建造主要的區(qū)別在于美國建造的資本成本較高，燃料成本是一樣的）。圖1～4列出了兩種船型在亞洲和美國建造情況下的總的EUAC和燃料價格范圍，EUAC計算資本成本的不同，根據(jù)選擇的燃料和每年的操作成本凈現(xiàn)值，需要說明的是MGO+HFO這種方案指2020年前在ECA使用MGO，ECA以外使用HFO，2020年以后僅使用MGO。所有圖表中提供的成本均為估算值。

圖1：亞洲建造的中型油船成本分析

圖2：美國建造（滿足瓊斯法案要求）的中型油船成本分析

圖3：亞洲建造的中型集裝箱船成本分析

圖4：美國建造（滿足瓊斯法案要求）的中型集裝箱船成本分析

2、減排效果比較

圖5?6闡明了EUAC分析中幾種選擇的排放影響。排放包括NOX、SOX、PM、CO2和 溫 室 氣體排放。排放影響對于所有船舶類型是相似的，因此一個圖表就可以適用。LNG燃料的兩個選項，一個是基于低壓氣體發(fā)動機（奧托循環(huán)），另一個是基于高壓氣體噴射發(fā)動機（柴油機循環(huán)）。

成本分析顯示某些方案（如HFO+洗滌器）根據(jù)目前的燃料價格，比其它方案更經(jīng)濟。但并非所有方案的對比結(jié)果都顯而易見，因為幾種方案的EUAC值重疊比例較高。因此，成本分析僅幫助確定方向。

另外一個重要的事實是，在上述計算分析中，每年的運營成本節(jié)省比建造成本對EUAC的影響更大。這是因為以一艘在亞洲建造的集裝箱船為例，每年的燃料成本占到船舶年建造成本的40%以上。在10年內(nèi)，即使以14%的折現(xiàn)率來計算，也省了一大筆投資成本。對船東來說，建造成本可以方便地估算出來，維護和運營成本也能夠較準確地估算，但燃料成本基于諸如地緣政治等多種因素，不確定性較大，另外還有一些隱形成本，因此船舶每年的成本變數(shù)很大，沒有深度分析很難預估。對成本的綜合分析可基于不同參數(shù)變量，如未來的燃料價格、維護成本、設計航速、發(fā)動機大小等。

在船舶初始設計階段進行簡單分析是有意義的，但仍有可能產(chǎn)生誤導。因為有一些隱性成本未包含在分析中，只有當船舶設計的初步開發(fā)完成后，這些成本才能顯現(xiàn)。例如，船東選擇HFO+洗滌器方案，如前所述，目前中速機（如船用柴油發(fā)電機）沒有內(nèi)置式NOX減排裝置（EGR），為了滿足NOX排放要求，這些發(fā)動機必須使用選擇性催化還原裝置（SCR）。然而，如果廢氣中SOX含量過高，SCR會無法使用，但當使用洗滌器去除SOX后，又會因廢氣溫度太低而導致SCR無法工作。因此，對于船用柴油發(fā)電機而言，唯一可行的方案是使用MGO或LNG。該類船舶除HFO液艙以外還需要增加一個MGO燃油系統(tǒng)和MGO液艙。

LNG動力船舶在貨物操作時不能進行燃料加注。這將增加船舶的在港時間，降低收益，并且需要更高的航速以保證相同的船期。其它考慮因素是除需裝載LNG燃料外，還需配備燃油（MGO），以確保LNG燃料供應系統(tǒng)出現(xiàn)故障或LNG供應無法保證時，船舶仍能運轉(zhuǎn)。需要的燃油容積必須至少是最長航程的一半，保證船舶在任何時間都能安全返港，這樣有可能是整個航程所需要的燃油了。

有些船東在作決策選擇方案時，也考慮排放的影響。該報告顯示，采用LNG燃料產(chǎn)生的排放量最低，但是降低程度根據(jù)發(fā)動機類型而有所不同，做決策時需要考慮這些因素。

除了成本和排放以外，還有其他一些考慮因素。比如：LNG動力船舶的拆解價值更高，因為船上有大量不銹鋼液艙和管系。又如：某些情況下，使用MGO的簡單有效優(yōu)勢將超過使用LNG或洗滌器帶來的成本節(jié)省。

此外，還有下列因素未直接反映在成本分析中：

第一個因素是10～15年內(nèi)，LNG裝置將會是什么情形？可能技術(shù)已經(jīng)成熟到能滿足可靠性和安全性要求。

第二個因素是船員的情況。操作LNG需要復雜得多的培訓，新船員需要接受培訓。

第三個因素是洗滌器可以使用多長時間？這種大型昂貴的設備會受到腐蝕，是否需要每10年更換一次。

第四個因素是如果2020年所有運營船舶都開始使用MGO，是否MGO作為主要產(chǎn)品價格會下降，或者HFO供應量會減少。未來LNG的價格走勢如何？目前LNG供應量充足，它與MGO相比價格優(yōu)勢明顯，但是當半數(shù)的船隊和大部分發(fā)電廠、鐵路、卡車都開始使用LNG時，價格又將如何變化？

圖5：五種情況下的SOX、NOX、PM排放比較

圖6：五種情況下的溫室氣體排放比較

現(xiàn)有船舶選擇情況統(tǒng)計

相關(guān)機構(gòu)做過一個調(diào)查，統(tǒng)計現(xiàn)階段全球范圍內(nèi)使用LNG燃料和安裝洗滌器的情況。統(tǒng)計表明，對于新造船，使用LNG是優(yōu)先選擇，是安裝洗滌器船舶數(shù)量的兩倍多。安裝洗滌器的75%是改裝項目。無論是使用LNG還是安裝洗滌器，豪華郵輪、客滾船和渡船領(lǐng)域是目前為止最積極的，幾乎占了全部訂單的40%，其中郵輪改裝項目是安裝洗滌器數(shù)量最大的，但是小型車客渡船大部分選擇了LNG技術(shù)。目前集裝箱船中采用LNG和安裝洗滌器的數(shù)量不相上下，但是如果LNG預備訂單也計算在內(nèi)，則選擇LNG的比例更大。未來，相比LNG燃料，洗滌器的操作經(jīng)驗將會更快地增加。在確定的項目（將運營和在訂船舶/裝備均計算在內(nèi)）中，洗滌器訂單的數(shù)量幾乎是LNG訂單的兩倍。

圖7：各類船型選擇的方案統(tǒng)計

為了滿足公約對硫排放的要求，每個船東都面臨著選擇減排方案的問題。目前主流的三種方案各有其特點，需要根據(jù)實際情況作出最合適的選擇。在進行方案選擇時，需要考慮諸多因素，如初始投資、建造成本、使用成本、維護成本、貨物空間的損失、使用和維護的便利性和減排效果等，需要經(jīng)過詳細地計算，對各種方案的結(jié)果進行比較。另外，有一些因素是目前很難預料的，比如燃料加注的便利性和燃料價格的變化等等。甚至有的方案對某些船型設計來說根本無效，達不到減排目的。這些都需要在設計之初盡可能周全地考慮到，設想出多種可能性，并逐一進行比較。