船舶尾氣污染物排放控制研究進(jìn)展

汪宗御，張繼鋒，紀(jì)玉龍

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船舶尾氣污染物排放控制研究進(jìn)展

汪宗御，張繼鋒，紀(jì)玉龍

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026）

船舶柴油機(jī)排放的SO、NO、顆粒物（PM）等尾氣污染物給人類生活環(huán)境和身體健康帶來很大危害，對(duì)港口城市而言，這一情況更加嚴(yán)重。隨著人們對(duì)環(huán)保的重視，各項(xiàng)環(huán)保法規(guī)越來越嚴(yán)格，船舶尾氣污染物的排放控制也受到更多關(guān)注。本文對(duì)現(xiàn)有的船舶尾氣控制技術(shù)進(jìn)行了梳理，包括機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)凈化以及后處理技術(shù)，提出單一后處理技術(shù)有望為近期提供更好的解決方案，其中，脫硫塔、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和顆粒捕集技術(shù)（DPF）分別是比較有前景的應(yīng)對(duì)SO、NO和PM的單一后處理技術(shù)。通過分析SO、NO、PM的不同后處理技術(shù)，認(rèn)為將脫硫、脫硝和除顆粒物結(jié)合的一體化處理技術(shù)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看是一個(gè)主要方向。一體化系統(tǒng)的研究重點(diǎn)可能包括開發(fā)新型耐硫、適應(yīng)低溫的催化劑，細(xì)顆粒物去除，優(yōu)化工藝流程，簡(jiǎn)便和可靠的運(yùn)行操作以及可接受的空間和費(fèi)用要求等。

船舶排放；機(jī)前處理；機(jī)內(nèi)處理；后處理技術(shù)；一體化技術(shù)

當(dāng)前世界海運(yùn)貿(mào)易量的97%由排水量超過10億噸的9.4萬(wàn)艘船舶承擔(dān)，由其造成的污染占全球污染量的3.5%～7.6%[1]。目前船舶主要采用柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置，其產(chǎn)生的氣體污染物中除了造成地球溫室效應(yīng)的二氧化碳以外，還包括大量SO、NO、顆粒物（PM）等。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，2000年全球船舶每年向大氣排放的SO、NO和PM分別為12.03×106t、21.4×106t和1.67×106t。2009年SO、NO和黑炭（BC）排放量分別占世界排放總量的3%～7%、15%和5%[3]。在歐洲，船舶廢氣造成的大氣污染占整個(gè)污染比例的5%～10%，局部地區(qū)（如丹麥等）甚至高達(dá)28%～39%[4]。在南美和亞洲，60%～75%的人口居住在海岸線400km以內(nèi)的沿海地區(qū)，全球范圍內(nèi)23%的人口居住在海岸線100km以內(nèi)[5]。而全球約70%的船舶排放物發(fā)生在離海岸線400km范圍內(nèi)[6]。據(jù)美國(guó)洛杉磯空氣質(zhì)量管理局的報(bào)告，該地區(qū)排放的70%SO來自于船舶和港口設(shè)施，遠(yuǎn)洋船舶排放的NO超過所有南海岸盆地的發(fā)電廠和煉油廠排放之和[7]。國(guó)際環(huán)保組織自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)（NRDC）的《船舶和港口空氣污染防治白皮書》顯示[8]，使用含硫量為3.5%燃料油的一艘中大型集裝箱船，以70%最大功率的負(fù)荷行駛，一天排放的PM2.5相當(dāng)于50萬(wàn)輛使用國(guó)四油品的集卡的排放量。而全球十大集裝箱港口中國(guó)占據(jù)7個(gè)，每天都有大量船舶靠離港口，這一污染情況對(duì)于國(guó)內(nèi)長(zhǎng)三角、珠三角等港口城市而言更加嚴(yán)重。其中2010年船舶尾氣排放在上海市SO、NO和PM2.5的占比分別為12.4%、11.6%和5.6%[9]，2015年上海市全年污染天數(shù)就高達(dá)107天。由此可見，治理船舶氣體污染物對(duì)沿海地區(qū)港口城市而言刻不容緩。

美國(guó)加州很早就通過了相關(guān)法律法規(guī)對(duì)這一問題進(jìn)行治理，早在2004年該州就要求貨輪停靠港口時(shí)改用岸電，并對(duì)其給予一定的停靠補(bǔ)助。2008年，加州空氣資源委員會(huì)要求2009年7月起所有航行在其海岸線24英里（1英里=1609m）以內(nèi)的船舶使用低于0.5%的低硫燃油或者清潔燃 料[10]。國(guó)內(nèi)也在2011年推出了《船舶廢氣清洗系統(tǒng)試驗(yàn)和檢驗(yàn)指南》[11]，而且于2015年首次在長(zhǎng)三角、珠三角以及環(huán)渤海（京津冀）水域設(shè)立船舶排放控制區(qū)[12]，要求船舶靠岸期間使用硫含量不高于0.5%的燃油，并于2016年1月1日起開始實(shí)施；在2020年前，根據(jù)實(shí)施效果，進(jìn)一步確定更為嚴(yán)格的控制措施，包括排放控制區(qū)內(nèi)使用硫含量不高于0.1%的燃油、擴(kuò)大排放控制區(qū)地理范圍等，這也為我國(guó)全面控制船舶大氣污染奠定了基礎(chǔ)。國(guó)家環(huán)保部于2016年8月22日發(fā)布了船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法[13]，對(duì)內(nèi)河船、江海直達(dá)船和內(nèi)河作業(yè)的漁業(yè)船舶要求使用符合GB 252標(biāo)準(zhǔn)的柴油[14]，對(duì)遠(yuǎn)洋船舶還沒有要求，但是對(duì)NO、CO、HC、PM等，則按兩個(gè)階段都提出了具體要求。目前IMO MARPOL73/78公約附則Ⅵ[15]對(duì)于SO的減排要求為：船舶燃料油的含硫量由現(xiàn)在的3.5%，至2020年1月1日起降至0.5%；在硫排放控制區(qū)，自2015年1月1日起，不得高于0.1%。對(duì)于NO的減排要求：2011年1月1日起實(shí)施的Tier2標(biāo)準(zhǔn)要比Tier1降低15%～20%；2016年1月1日起，在NO排放控制區(qū)內(nèi)實(shí)施Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)，在Tier1的基礎(chǔ)上降低80%。但是該法規(guī)還未規(guī)定PM的具體排放標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施日期。

相比于陸上的大氣污染法規(guī)，對(duì)船舶廢氣進(jìn)行限制的法規(guī)制定與實(shí)施都比較緩慢，這主要是由于海洋運(yùn)輸多是國(guó)際性的，各個(gè)國(guó)家的技術(shù)水平高低不同，很難形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)法規(guī)的制定與實(shí)施都是多方談判磋商的結(jié)果。而且船舶環(huán)保設(shè)備需要一定的資金投入，近些年，航運(yùn)業(yè)不景氣，這也在某種程度上阻礙了相關(guān)防污染技術(shù)的更新和相關(guān)法規(guī)的制定實(shí)施。目前已有一些相對(duì)成熟的船舶濕法脫硫設(shè)備和SCR脫硝設(shè)備。陸地上已經(jīng)對(duì)相關(guān)控制技術(shù)進(jìn)行了多年研究，包括對(duì)汽車廢氣的處理以及對(duì)火電廠等鍋爐廢氣的脫硫脫硝和除塵研究。目前應(yīng)用在船舶上的能滿足IMO Tier3氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的SCR技術(shù)[16]和濕法脫硫技術(shù)都是來自于陸上電廠廢氣后處理技術(shù)。但這些技術(shù)只能滿足一種污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，多種技術(shù)或設(shè)備集成在一起往往互相影響。本文將從技術(shù)角度具體回顧一下各種技術(shù)的特點(diǎn)以及一體化技術(shù)的現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來船舶廢氣污染物的研究工作進(jìn)行 展望。

1 單項(xiàng)技術(shù)

1.1 前處理技術(shù)

為了滿足SO的排放標(biāo)準(zhǔn)，采用低硫燃油是最簡(jiǎn)單的履約手段，而且低硫燃油還能有效降低PM的排放。但是煉油廠為將燃油進(jìn)行脫硫處理而增加的設(shè)備改造等費(fèi)用與后處理相比并沒有優(yōu)勢(shì)，而且處理過程還會(huì)增加碳排放。另外，目前的船舶柴油機(jī)、鍋爐等動(dòng)力設(shè)備都適用于燃燒高硫、廉價(jià)的劣質(zhì)燃料油。如果采用低硫燃油，需要對(duì)設(shè)備的噴油系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等進(jìn)行改造。因此，該種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、安全性及環(huán)境友好性都有不足之處[17]。

另外一種技術(shù)即是采用替代燃料。比如液化天然氣（LNG），它幾乎沒有SO和PM排放，而且可減少85%～90%的NO以及15%～20%的CO的排放，完全符合公約的各種要求。但是，目前除北歐外，全球并未建立起LNG補(bǔ)給鏈，而以LNG為燃料的船舶目前最高續(xù)航能力只有22天[18]，而且LNG燃料罐的建造成本更高，對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)船舶進(jìn)行改造有一定困難，也需要對(duì)船員進(jìn)行重新培訓(xùn)。因此，LNG作為替代燃料目前還只適用于內(nèi)河航線或短航程船舶，大規(guī)模應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶的前景并不十分明朗[19]。此外液化石油氣（LPG）[20-21]、生物柴油包括甲醇等燃料也被用作柴油機(jī)的燃料以應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)格的排放要求[22-23]，但大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。還有的陸上柴油機(jī)車采用燃油活化裝置，通過增強(qiáng)霧化增加燃油單位體積的表面積來強(qiáng)化燃燒，從而降低PM和BC的排放，但該技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶的應(yīng)用還未見報(bào)道[24]。

1.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

NO產(chǎn)生的主要原因是N2在燃燒室的高溫區(qū)被氧化，因此，降低NO產(chǎn)生的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)目前有兩個(gè)主要方向：一是降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，二是減少N2和O2的接觸時(shí)間。部分報(bào)道[25]的具體技術(shù)如表1所示，這些技術(shù)也都只能部分降低NO的排放，但最近報(bào)道顯示，低速二沖程柴油機(jī)領(lǐng)先的制造商MAN公司僅采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)就達(dá)到了對(duì)NO的Tier3排放要求，成為繼SCR之后的第二種滿足Tier3排放要求的單一技術(shù)[26-27]。

由于燃燒過程基本不會(huì)對(duì)SO的排放產(chǎn)生任何影響，一旦燃油選定，SO的最終排放量基本確定。而燃油中的硫是產(chǎn)生PM的主要原因之一[28]，通過機(jī)內(nèi)凈化降低PM的排放，目前主要進(jìn)行噴油系統(tǒng)和燃燒方式的優(yōu)化與改進(jìn)，也包括電控技術(shù)和進(jìn)氣增壓中冷技術(shù)等，但這些技術(shù)只能部分降低PM的排放量。比如目前有些車用發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了雙增壓技術(shù)，即將渦輪增壓和機(jī)械增壓結(jié)合在一起，而船舶對(duì)主機(jī)的加速性能要求不如車用發(fā)動(dòng)機(jī)高，因此多采用輔助風(fēng)機(jī)搭配渦輪增壓器技術(shù)，也有的采用兩級(jí)增壓技術(shù)[29]。燃油高壓共軌噴射可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的噴油控制，尤其能改善低負(fù)荷時(shí)的燃燒性能，在節(jié)油的同時(shí)也能降低PM的排放。也有學(xué)者對(duì)多種機(jī)內(nèi)處理聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行了研究，比如通過控制增壓壓力和噴油策略來降低PM的排放[30]。但是，由于采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)時(shí)，PM和NO之間容易存在此消彼長(zhǎng)的“trade-off效應(yīng)”[31]，目前基于發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化和改造技術(shù)尚不能統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)降低SO、NO和PM的排放。

表1 NOx機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)的比較

①表示該技術(shù)除了能降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，還能減少N2和O2的接觸時(shí)間。

1.3 后處理技術(shù)

1.3.1 SO后處理技術(shù)

廢氣脫硫按照洗滌劑的不同可分為干法、半干法和濕法3種，濕法又包括開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)一般采用海水為洗滌液，閉環(huán)系統(tǒng)一般采用堿液為洗滌液。目前對(duì)船舶廢氣脫硫設(shè)備的研究中，只有Couple Systems一家公司采用的是干法脫硫[32]。Alfa Laval、Dupont以及W?rtsil?公司均采用濕法脫硫的混合系統(tǒng)，而MES公司采用的是濕法開環(huán)系統(tǒng)[33]。開環(huán)系統(tǒng)不用外加化學(xué)試劑，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，但是海水的pH一般為7.5～8.5，處理相同廢氣量相比堿液法需要海水的量大得多，而且洗滌殘液pH較低，需要大量海水稀釋后才能直接入海，因此，一定程度上增加了系統(tǒng)的功耗[34-35]。開環(huán)系統(tǒng)在有些港口不允許使用，比如美國(guó)加州出臺(tái)的地方法案要求，禁止在200海里（1海里=1852m）以內(nèi)使用開環(huán)系統(tǒng)的廢氣脫硫設(shè)備。閉環(huán)系統(tǒng)需要消耗淡水，而且需要專門艙室存儲(chǔ)堿性化學(xué)品，成本較高，而且有一定危險(xiǎn)性。目前應(yīng)用比較廣泛的是混合系統(tǒng)，當(dāng)船舶在大洋中航行時(shí)采用開環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)航行到港口、內(nèi)河或海水堿度較低的海域時(shí)改用閉環(huán)系統(tǒng)。這種方式雖然會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度，但是能夠滿足不同海域的運(yùn)行要求，而且節(jié)約堿液和淡水。

不同公司或機(jī)構(gòu)采用的堿液也不同，W?rtsil?公司采用的是氫氧化鈉[36]，大連海事大學(xué)采用過氫氧化鎂[37]。也有文獻(xiàn)指出，可以采用電解法對(duì)海水進(jìn)行改性處理后進(jìn)行廢氣脫硫，但是電解海水耗能較高，經(jīng)濟(jì)性欠佳[38-39]。從目前各廢氣洗滌脫硫設(shè)備的實(shí)船結(jié)果來看，濕法脫硫的效率可以達(dá)到97.2%以上[40]，完全滿足IMO的排放要求，是解決船舶SO排放問題的一種可行手段。

1.3.2 NO后處理技術(shù)

目前的廢氣脫硝技術(shù)至少有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、稀燃NO捕集技術(shù)（LNT）和低溫等離子體輔助催化技術(shù)（NPAC）。這3種技術(shù)都源自陸上。SCR較早應(yīng)用于火力發(fā)電廠鍋爐的煙氣脫硝處理，LNT和NAPC技術(shù)源自于陸上重型柴油機(jī)車的尾氣脫硝。

LNT技術(shù)是基于發(fā)動(dòng)機(jī)周期性吸附-還原進(jìn)行NO凈化的技術(shù)，首先以Pt作為催化劑，將尾氣中大量的NO氧化成NO2后，與氧化鋇反應(yīng)生成硝酸鋇，從而實(shí)現(xiàn)NO的富集吸附。當(dāng)吸附飽和后，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況，使硝酸鋇分解釋放出NO實(shí)現(xiàn)再生，以Rh為催化劑，使其與HC、CO等反應(yīng)被還原成N2的過程[41]。但是，該種技術(shù)存在兩個(gè)難點(diǎn)：一是催化劑抗硫性差，二是再生時(shí)還原氣的產(chǎn)生。因此該技術(shù)目前只適用于低硫燃油，而且為了產(chǎn)生還原氣，需要在燃燒后期向缸內(nèi)二次噴油。這種技術(shù)脫硝效率很高，在日本已基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，Toyota采用的Pt/BaO/Al2O3體系已經(jīng)能夠達(dá)到5000km整車耐久性試驗(yàn)[42]，但該技術(shù)是否適用于船舶還有待考察。

NAPC技術(shù)是通過高壓放電產(chǎn)生低溫等離子體（NTP），在等離子體中的高能電子作用下，有害氣體分子化學(xué)鍵斷裂后重新組合生成無(wú)害氣體的過程[43]。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不影響柴油機(jī)性能，抗硫性好，但是單獨(dú)使用脫硝效率不高。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Caterpillar公司已就NTP-催化劑組合技術(shù)在重型柴油機(jī)NO凈化方面的應(yīng)用展開合作，Delphi也開發(fā)了一種基于NAPC技術(shù)的柴油機(jī)尾氣NO與PM后處理系統(tǒng)[44]。但該技術(shù)離實(shí)用化還有一段距離，在船舶上的應(yīng)用也未見報(bào)道。

目前在船舶領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟的廢氣脫硝技術(shù)是SCR技術(shù)，它也是第一種能滿足IMO Tier3的單一技術(shù)。但是SCR系統(tǒng)需要催化劑，而且運(yùn)行過程中需要消耗尿素，據(jù)測(cè)算，SCR系統(tǒng)的初期成本占到了船價(jià)的5%～8%，占到柴油機(jī)的50%[45]。而且SCR體積與柴油機(jī)體積相當(dāng)，這在原本空間就有限的機(jī)艙內(nèi)安裝帶來較大困難。目前大部分SCR均選擇礬基催化劑，也有學(xué)者采用活性更高、高溫下更耐用的鐵沸石催化劑，但該種催化劑會(huì)大量產(chǎn)生另一種溫室氣體N2O[46]，因此，開發(fā)高效低污染的催化劑也是未來SCR的研究重點(diǎn)；另外，使用過程中催化劑的失活、氨泄漏以及碳煙造成的堵塞問題都有待進(jìn)一步解決。

1.3.3 PM后處理技術(shù)

陸地上應(yīng)用比較成熟的PM后處理技術(shù)主要有氧化催化技術(shù)（DOC）、顆粒捕集技術(shù)（DPF）以及靜電除塵技術(shù)。DOC的原理是在鉑或鈀等催化劑作用下，使尾氣中的可溶性有機(jī)顆粒與氧氣反應(yīng)，從而降低PM濃度。DOC同時(shí)可以減少碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）。HC和CO也是柴油機(jī)尾氣污染物，但通?？梢栽诔齆O或PM的過程中去除，本文不作單獨(dú)介紹。DOC應(yīng)用于船舶的一個(gè)問題是尾氣中的硫含量較高，容易使催化劑失活，目前耐硫催化劑還在研究中。DPF是借助慣性碰撞、擴(kuò)散和重力沉降等機(jī)理捕集廢氣中的PM并通過催化劑使之反應(yīng)，效率高達(dá)90%，但目前過濾體再生問題并未很好的得到解決。靜電捕集技術(shù)的效率可達(dá)80%以上，對(duì)尾氣排壓影響較小，是未來很有應(yīng)用前景的技術(shù)，目前需要解決的問題是絕緣設(shè)計(jì)要求高，設(shè)備體積和捕集效率矛盾，而且捕集器上顆粒物聚集后的收集過程導(dǎo)致其二次逃逸問題有待解決。以上3種技術(shù)現(xiàn)在均難以有效脫除PM2.5以下的細(xì)顆粒物，如何通過物理或化學(xué)作用使細(xì)顆粒物凝聚長(zhǎng)大從而有效脫除將是一條未來可能的研究路線。

在一些文獻(xiàn)報(bào)道，特別是與海事相關(guān)的研究中，經(jīng)常把柴油機(jī)排放的固體顆粒物稱為黑炭。對(duì)黑炭的產(chǎn)生機(jī)理、處理方法的研究仍然處于早期階段。2015年1月，IMO剛通過了BOND等對(duì)黑炭的定義[47]，稱之為“碳元素的一種獨(dú)特的類型，只在碳基燃料的燃燒中的火焰中形成”[48]。在不太嚴(yán)格的情況下，可以將船舶柴油機(jī)的PM和黑炭近似看待。目前IMO以及多數(shù)國(guó)家對(duì)PM的排放并未出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。由于PM的產(chǎn)生與燃油中的硫有很大關(guān)系，而為了降低成本，遠(yuǎn)洋船舶均使用高硫劣質(zhì)重油，相比于陸用汽車，船舶柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣量要大得多，而且PM的成分更加復(fù)雜，濃度也更高。因此，船舶的PM后處理也更加困難，目前還沒有成熟的技術(shù)應(yīng)用。

1.4 后處理技術(shù)的發(fā)展方向

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，船舶PM的排放必然要受到限制，因此，能同時(shí)高效處理SO、NO和PM的一體化處理裝置將是未來的發(fā)展方向。目前比較有效的SCR脫硝、濕式混合系統(tǒng)脫硫及DPF等除PM技術(shù)只能完成單一污染物的脫除，各種技術(shù)之間相互影響制約。因此，綜合不同處理技術(shù)或者開發(fā)新型統(tǒng)一脫除技術(shù)，對(duì)船舶制造企業(yè)、船東、港口以及整個(gè)環(huán)境都是有價(jià)值的。

2 一體化技術(shù)

2.1 國(guó)內(nèi)外一體化處理技術(shù)

國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)和學(xué)者都對(duì)船舶尾氣一體化處理技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)各種單一技術(shù)的耦合機(jī)理和工藝集成、新型統(tǒng)一脫除3種污染物的廢氣后處理技術(shù)等進(jìn)行了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，甚至是實(shí)船實(shí)驗(yàn)，取得了一定進(jìn)展。

寧波大學(xué)楊國(guó)華等[49]采用臭氧氧化法將尾氣中占比較高的NO氧化為NO2，然后經(jīng)過吸收塔進(jìn)行原理性實(shí)驗(yàn)去除廢氣中的SO、NO和PM，結(jié)果表明，脫硝率達(dá)98.5%，脫硫率達(dá)91%；美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)的BALON等[50]先將尾氣通過DOC將NO氧化為NO2，然后通過含有過氧化氫的海水洗滌液進(jìn)行污染物的脫除；Pure-SO、BELCO、Hamworthy等脫硫塔設(shè)備也聲稱可以去除30%～80%的PM[51]。但這些濕法脫除PM技術(shù)需要采用很多化學(xué)藥劑，而且都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)PM的高效捕集，尤其是細(xì)顆粒物。美國(guó)先進(jìn)清潔技術(shù)公司[52]采用濕法脫硫加SCR方式對(duì)廢氣進(jìn)行綜合處理，SO、NO和PM的脫除率分別達(dá)到了98.5%、99%和94.5%，以及99.5%的VOC脫除率。英國(guó)布魯內(nèi)爾大學(xué)[53]采用海水脫硫、低溫等離子體以及濕式靜電除塵技術(shù)聯(lián)合，數(shù)值模擬顯示SO和NO的脫除率達(dá)100%，初期實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了80%的SO脫除率和60%的NO脫除率。該大學(xué)與另外幾家組織提出的新型后處理系統(tǒng)DEECON[54]，認(rèn)為SO、NO2和PM脫除率可達(dá)到90%、95%和95%，以及90%的VOC和CO脫除率，但是還沒有看到后續(xù)報(bào)道。新加坡Ecospec公司[55]采用超低頻電解加濕式洗滌技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢氣脫硝率66%、脫硫率99%以及77%的CO2脫除率。日本神戶大學(xué)[56]通過噴射電離水獲得自由基將NO氧化，然后通過水幕板對(duì)SO、NO2和PM進(jìn)行捕集。韓國(guó)NK商社[57]通過向廢氣中依次噴射臭氧、過氧化氫以及中和劑實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣的綜合處理。上述這些一體化裝置尚未進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，很多仍處在實(shí)驗(yàn)室階段。

丹麥TopSoe公司[58]、美國(guó)Cormetech公司[59]以及美國(guó)Tri-Mer公司[60]都針對(duì)火電廠鍋爐煙氣的處理開發(fā)了一體化處理設(shè)備并投入了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，它們的技術(shù)路線以及各自特點(diǎn)如表2所示。丹麥TopSoe公司煙氣脫硫（SNOXTM）系統(tǒng)是將煙氣首先經(jīng)過袋式捕集器脫除PM，然后經(jīng)換熱器后進(jìn)入SCR進(jìn)行脫硝處理后經(jīng)SO2催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)入到濕法硫酸工藝（WSA）冷凝塔回收硫酸，最終干凈的煙氣通過煙囪排出。美國(guó)康寧公司研制了SCR中的新型催化劑，煙氣首先經(jīng)過SCR同時(shí)降低NO、CO和VOC排放以及NH3逃逸率，隨后經(jīng)換熱器降溫后進(jìn)入到靜電除塵器（ESP）脫除PM，最后經(jīng)煙氣脫硫塔（FGD）脫除SO以及Hg后經(jīng)煙囪排出。美國(guó)Tri-Mer公司的技術(shù)路線是先后向煙氣中噴入干式堿性吸附劑和氨水，隨后一同進(jìn)入到涂覆有催化劑的納米陶瓷纖維管濾器中進(jìn)行SO、NO2和PM的一體化脫除。

2.2 一體化處理技術(shù)存在的問題

目前的船舶尾氣一體化處理技術(shù)大部分源自于陸上柴油機(jī)或火電廠的尾氣凈化系統(tǒng)，而船舶尾氣處理有一些獨(dú)特之處，比如：①船用柴油機(jī)和電廠鍋爐的排放特性不同，柴油機(jī)排放物特別是PM、NO的含量隨負(fù)荷、燃料種類的差別很大，可能需要不同的處理技術(shù)；②后處理裝置對(duì)船舶的占地面積要求比陸地嚴(yán)格，而簡(jiǎn)單的小型化、緊湊化設(shè)計(jì)往往會(huì)導(dǎo)致效率和性能下降，需要從原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化和控制等角度重新進(jìn)行設(shè)計(jì)；③催化反應(yīng)是污染物控制的一個(gè)重要手段，但一些大型船舶的低速柴油機(jī)的尾氣溫度較低，采用催化劑的技術(shù)方案都存在催化劑耐硫性差以及低溫時(shí)效率下降的問題；另外，這些技術(shù)方案對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效率均不高，尤其PM2.5以下的顆粒物；④系統(tǒng)在船上產(chǎn)生的廢液、廢渣需要新設(shè)專門的艙室儲(chǔ)存，等到船舶靠港后排岸處理，或者經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后才能排放入海，這又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和工程造價(jià)，也對(duì)運(yùn)行管理提出了更高要求。因此現(xiàn)在多數(shù)系統(tǒng)還處在實(shí)驗(yàn)室研究或中試階段，離成熟的商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。

表2 不同公司的一體化處理技術(shù)路線及各自特點(diǎn)

①表示該公司并未給出PM的脫除率，僅給出最后清潔氣中PM的濃度小于2mg/m3。

2.3 一體化處理技術(shù)前瞻

目前個(gè)別技術(shù)處理單一污染物已基本滿足要求，如SCR脫硝、濕法混合系統(tǒng)脫硫以及靜電除PM技術(shù)，未來船舶尾氣處理領(lǐng)域仍可能是比較主流的處理技術(shù)。但船舶尾氣污染物排放的強(qiáng)制規(guī)定仍然剛開始，未來船舶尾氣一體化處理系統(tǒng)將具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）單項(xiàng)處理技術(shù)應(yīng)用于船舶還有待成熟和改進(jìn)。截至2016年8月，中國(guó)船級(jí)社入級(jí)的船舶有12000余艘[61]，但是國(guó)內(nèi)目前只有山東普益環(huán)保獲得了中國(guó)船級(jí)社（CCS）的原理認(rèn)可，上海藍(lán)魂環(huán)保獲得了產(chǎn)品設(shè)計(jì)認(rèn)可，前者曾在兩艘集裝箱船上進(jìn)行了實(shí)船實(shí)驗(yàn)；獲得船級(jí)社原理認(rèn)可的脫硝裝置只有711所一家。一項(xiàng)技術(shù)從初始的應(yīng)用到后期的完善是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的過程，在洗滌法脫硫、SCR等相對(duì)成熟的技術(shù)應(yīng)用剛開始的情況下，這些單一污染物處理技術(shù)仍然有很大的發(fā)展空間。而其他相對(duì)更新的技術(shù)，如等離子，作為一種SCR的輔助手段顯示了一定的效果，因其是常溫NO處理技術(shù)，如果能單獨(dú)滿足Tie3的要求，則是非常有前景的一種的手段；另外，控制PM排放的法律法規(guī)在國(guó)際海事組織（IMO）剛剛提上日程，陸上常用的DPF、靜電處理等技術(shù)用于船舶還有待驗(yàn)證，細(xì)顆粒的脫除效果均不太理想，能否使細(xì)顆粒物長(zhǎng)大以采用現(xiàn)有技術(shù)脫除，都有待探索。

（2）船舶尾氣污染物的一體化處理技術(shù)包含不同的思路。柴油機(jī)廠家傾向于采用低硫油和機(jī)內(nèi)降NO技術(shù)，包括可能的附加尾部催化脫P(yáng)M，但是這對(duì)現(xiàn)有的船舶不容易實(shí)現(xiàn)。如果采用后處理一體化，解決不同技術(shù)之間的協(xié)調(diào)處理問題是關(guān)鍵。例如，脫硫后的煙氣溫度過低，后續(xù)難以進(jìn)行SCR和DPF等脫硝脫顆粒物流程；而如果先進(jìn)行脫硝脫顆粒物，則其中的催化劑容易被SO腐蝕。解決這些問題的一個(gè)方向是開發(fā)新型催化劑，如能夠耐高硫、催化效率高、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)低速機(jī)和低溫?zé)煔獾腟CR催化劑，從而消除或部分消除催化劑失活問題，這些目前Cormetech等公司已經(jīng)在做；另外，如果能夠從系統(tǒng)集成的角度，避免NO、SO和PM等技術(shù)之間的相互制約，也可能是一個(gè)可行的方向。

（3）從實(shí)用角度而言，單個(gè)系統(tǒng)對(duì)一些船東來說已經(jīng)有占用空間、操作復(fù)雜等問題，將脫硫脫硝脫P(yáng)M等系統(tǒng)結(jié)合在一起，勢(shì)必更占空間，操作更復(fù)雜，而且整個(gè)系統(tǒng)的能耗和費(fèi)用升高。因此，在系統(tǒng)的小型化、提高自動(dòng)控制水平、提升運(yùn)行可靠性和降低造價(jià)等工程問題，也需要在一體化處理裝置商業(yè)化應(yīng)用過程努力解決。相應(yīng)的設(shè)備供應(yīng)商需要有提供整體解決方案的能力，即對(duì)一艘特定功率、服務(wù)年限和服務(wù)區(qū)域的船舶，提出不同的一體化處理方案，并結(jié)合各方案的技術(shù)成熟度、以及是新船安裝還是舊船改造，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行全生命周期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，為客戶提供最佳的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

船舶尾氣污染是各國(guó)政府面臨的一個(gè)迫切需要解決的問題，尤其對(duì)港口城市和江河沿岸城市而言。從目前IMO和國(guó)內(nèi)環(huán)保部的信息來看，對(duì)船舶尾氣排放限制愈加嚴(yán)格，而且最終IMO會(huì)對(duì)船舶的PM排放出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

船舶尾氣污染物防治已經(jīng)有了一些技術(shù)，總體來看，后處理技術(shù)不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)，對(duì)燃油沒有特殊要求，而且是目前唯一能滿足IMO公約要求的技術(shù)。但在商業(yè)化上，目前還處在初期階段，SCR脫硝和濕法混合系統(tǒng)脫硫都已相對(duì)成熟，但仍然處在單一污染物的處理階段，多污染物的協(xié)同處理還存在一定矛盾。

船舶尾氣污染物一體化處理技術(shù)是船舶尾氣污染物排放控制的重要發(fā)展方向，未來的主要方向可能在于新型耐硫催化劑、細(xì)顆粒物處理技術(shù)、系統(tǒng)小型化、自動(dòng)控制、良好的經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)化的SO、NO和PM集成等。

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Research progress of emission control on ship exhaust pollutants

WANG Zongyu，ZHANG Jifeng，JI Yulong

（College of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning，China）

Exhaust pollutants such as SO，NOand PM emitted by marine diesel engines are harmful to human health and environment，especially near port cities. With growing concerns on environmental protection，regulations become more and more stringent，and marine emissions also receive increasing attention. In this paper，existing ship exhaust control technologies were reviewed，including pre-treatment，in-cylinder cleaning and after-treatment technologies. Single after-treatments are believed to be able to serve the near-term needs. Desulfurization tower，selective catalytic reduction （SCR）and diesel particulate filter（DPF）are more promising to deal with SO，NOand PM，respectively. Through the analysis of different post-treatment technologies of SO，NOand PM，it is considered that the integrated treatment technology combining de-SO，de-NOand PM after-treatment is an important direction in the long run. Some key technologies enabling such a system include sulfur-tolerant catalysts and low temperature catalysts，fine particle removal technology，process optimization，simple and reliable control as well as acceptable space and cost requirement.

ship emission；pre-treatment；in-cylinder cleaning；after-treatment technologies；integrated treatment

X511

A

1000–6613（2017）06–2289–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.046

2016-10-13；

2016-12-04。

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2015329225070）、遼寧省自然科學(xué)基金（201602095）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（3132016340）及歸國(guó)留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助（人社廳函[2014]240號(hào)）項(xiàng)目。

汪宗御（1990—），男，博士研究生，研究方向?yàn)榫G色船舶。E-mail：wangzongyu09@163.com。聯(lián)系人：紀(jì)玉龍，博士，教授，研究方向?yàn)楦咝鳠崤c船舶節(jié)能減排。E-mail：jiyulongcn@163.com。