控制船机废气排放的绿色水运技术分析

高 炳赵自奇

（1. 广东交通职业技术学院 广州 510800； 2. 广东高校船舶自动化系统集成工程技术开发中心 广州 510800；3.广船国际股份有限公司技术中心 广州510382）

控制船机废气排放的绿色水运技术分析

高 炳1,2赵自奇3

（1. 广东交通职业技术学院 广州 510800； 2. 广东高校船舶自动化系统集成工程技术开发中心 广州 510800；3.广船国际股份有限公司技术中心 广州510382）

文章分析了水路运输船舶柴油机废气排放对大气的污染，介绍了国际海事组织相关公约对船机排放的控制要求，讨论了业界重点关注的船机废气排放控制技术、温室气体排放等热点问题、以及国内外法规与鼓励措施等。文中还提出进一步完善控制船机废气排放的措施和思路，以期推进水路运输节能减排重大关键技术、先进适用技术与产品的研发与推广，促进绿色水运可持续发展。

船舶柴油机；废气排放；绿色水运；节能减排

引 言

船舶运输是国际货运行业最省油的运输手段，它占据全球货运总量的70%以上［1-2］。约70%的船舶排放是发生在离海岸线400 km以内的区域，船舶发动机尾气排放对陆地空气质量的影响已成为当前关注的焦点，而陆地空气污染物排放控制限度已远远超过船舶排放的控制限度。

一般情况下，船舶使用低质量的燃料以减少成本，而低质量的燃料通常具有较高的含硫量。统计数据显示，船舶排放的硫氧化物（SOX）占全球运输行业SOX排放总量的60%左右，船舶氮氧化物（NOX）排放量占全球人为产生NOX排放总量的15%左右，占全球货运运输行业NOX排放量的40%左右，航运业占全球货运行业的二氧化碳排放量的15%左右（占全球二氧化碳排放总量的2-3%）［1-2］。船机废气排放直接影响着空气质量和全球气候变暖，可见，水运船机造成的排放污染已到了必须重视的处境。

1 影响空气质量的水运船机废气排放

1.1 形成原因

对于船舶柴油机，燃油在活塞压缩上止点之前以较高的压力喷入气缸，压缩冲程使缸内气体上升到足够高的温度从而使燃油燃烧。在约2 000℃高温环境下，燃油喷雾与空气混合发生燃烧。燃烧过程中，空气中的氮和氧结合生成氮氧化物NOX，且柴油燃烧过程中会产生相对较高水平的NOX，而燃油本身的特性对NOX生成量的影响较小［3］。

在燃烧过程生成的硫氧化物是由于燃油中的硫与氧的结合，SOX主要成分是二氧化硫。在发动机中形成SOX的量主要取决于燃料中的硫浓度。船机SOX的排放相对较高是由于燃烧含硫量高的燃料。

PM主要由以下两个机制生成：

（1）核模态粒子主要包括冷凝的烃类和硫酸盐。气态前体随着温度的降低凝聚在排气系统中，随后与大气中的冷空气混合。硫酸盐的生成来自燃烧产生的硫氧化物（SOX）与废气中的水的组合。

（2）积聚态颗粒是在燃烧过程中形成的，主要由大部分碳粒子（99%的碳质量）和其他固体颗粒凝聚而成。大部分积聚态微粒形成在燃料喷雾的核心，他们被称为“黑碳”或“烟灰”。另外，燃油气体和冷凝的碳氢化合物被吸收到颗粒的表面，积累模式下形成的烟灰是柴油燃烧过程中所固有的，仅有小部分的生成依赖于燃料质量。

核模态粒子中的冷凝碳氢化合物以及积聚态粒子表面上都含有毒和致癌性的碳氢化合物。船用燃料的高含硫量会导致硫酸盐颗粒生成量相对较高。

挥发性有机化合物（VOC）包括未燃烧或部分燃烧的烃类（来自燃烧过程），在废气中以气体的形式排放。他们也可直接通过货物排放，如通过石油和石油产品的蒸发。

1.2 水运船机废气排放的影响

航运的废气排放有一部分被排到陆地上，使陆地污染加重。

氮氧化物排放会助推形成光化学烟雾，而光化学烟雾则导致高浓度的臭氧和有害的有机化合物形成。臭氧危害人体健康，在低层大气中也是一种温室气体。高浓度的二氧化硫会影响肺功能。

从发动机排出的废气（尤其是细颗粒）可以进入人体肺部和血液，从而导致心血管疾病和肺部疾病。Corbett等人［4］推测船舶废气排放会提高死亡率。有研究结果表明，船舶排放的颗粒物会导致每年约60 000人死于心肺疾病及肺癌，主要是集中在欧洲，东亚和南亚的海岸线附近。

SOX和NOX的排放会受IMO MARPOL 73/78公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》（3.1节所述）的监管，而颗粒物和挥发性有机物目前暂无法规监管。

排放污染物对大气环境的具体影响以及对人体的危害参见下页表1、表2。

表1 污染物对大气环境的危害

表2 污染物对人体的危害

2 法规对排放的要求

2.1 IMO MARPOL附则 VI（2008）要求

国际海事组织（IMO）在2008年颁布了修订后的控制船舶废气排放公约，该公约被称为MARPOL公约附则VI。MARPOL公约是国际船舶防污染公约，附则VI主要针对防大气污染。

先前施行的附则VI是2005年颁布的，有时也被称为“MARPOL 附则 VITier I”。 现行的附则VI提出了一个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区可以制定更严格的控制要求。

MARPOL公约附则VI的规定可参见下页图表。下页中的图1为MARPOL公约附则VI中的NOX排放新标准，图2为MARPOL公约附则VI中的燃油含硫量新标准。

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图1 MARPOL公约附则VI中的NOx排放新标准

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图2 MARPOL公约附则VI中的燃油含硫量新标准

其中，对几个重要节点再作如下说明：

（1）2005年施行Tier I标准，NOX排放限值主要针对2000年以后的新船。

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

（3）2011年全球施行Tier II标准，NOX排放限值主要针对新造船舶（相对于IMO Tier I标准降低了15～20%）（通过发动机优化控制实现）。

（4）2012年全球施行燃料含硫量限值为3.5%。

（5）2016年排放控制区（ECAS）施行Tier III标准，NOX排放限值主要针对新造船舶（相对IMO降低了80%）（需加尾气后处理系统）。

（6） 2020年全球施行燃料含硫量限值为0.5%。如果炼油厂可以生产，需在2018年审查。

（7）Tier I的NOX排放标准施行，针对1990年至2000年安装的功率大于5 MW的船舶（通过改装套件实现）。

（8）根据附件VI，废气洗涤器可以用作低硫燃料的替代品。

（9） 降低硫含量会显著降低细颗粒物的排放量。

同时，美国和加拿大已申请指定IMO排放控制区（ECA），主要覆盖了太平洋沿岸、大西洋/海湾海岸和8个主要的夏威夷群岛，距海岸线延伸200 n mile。国际海事组织已经接受了这个提议。关于这些新船发动机的排放控制，IMO ECA区加上了HC和CO排放限制［5-6］。

预计到2030年，该战略对人们健康和社会福利有明显的积极影响，每年可防止大约13 000～33 000人过早死亡，减少1 500 000个工作日，活动受限天数减少10 000 000天，人们的医疗支出预计将减少110亿美元至2 800亿美元。这些预期收益超过该战略预计成本的比例至少为30∶1。

2.2 其他限制

除MARPOL公约之外的其他排放限制包括：

（1）2010年在欧盟停靠的船舶燃料含硫量应为0.1%以下。

（2）2009年在加利福尼亚州水域的馏分燃料，燃料含硫量应为1.5%/ 0.5%（取决于燃料芳香性）。

（3）2012年在加利福尼亚州的水域的馏分燃料，燃料含硫量应为0.1%。

3 有关国家对排放征税及奖励措施

征税和奖励措施主要是为鼓励减少废气排放，这些措施包括：

（1）挪威NOX税。针对包括本国航运业的所有行业，履行“哥德堡议定书”规定的义务——连续测量或基于默认指数计算（NOX税=15×在挪威境内排放的氮氧化物质量，kg）。

（2）瑞典分化港务费。主要针对氮氧化物的排放，燃油中的硫含量。

（3）温哥华分化港务费。主要针对燃料中的硫含量。

（4）氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）和CO2的环境指数正在研究中，它主要根据环保性能来选择船舶。

（5）DNV清洁设计认证限制氮氧化物（NOX），硫氧化物（SOX）和制冷剂的排放。

4 船机废气排放控制的技术措施

根据船机排气污染物的种类以及影响排气污染物的生成因素，业界已提出或已采用很多降低排气污染物的控制措施，主要从发动机改善燃油品质、改进燃烧过程以及排气后处理等方面采取措施［7-9］。下面主要就聚焦点NOX和SOX的排放控制技术措施进行分析。

4.1 降NOX排放控制技术

（1）发动机优化。新的发动机需符合国际海事组织（IMO）Tier II NOX的排放限值标准，这可能导致油耗增加约3%。发动机的优化主要通过优化燃烧过程实现，包括提高燃油喷射压力、喷射正时延迟、增大压缩比、降低初始空气温度和优化的喷射模式等，采用电控高压燃油喷射有利于燃烧优化，尤其是在低负荷工况下。

（2）使用燃料水乳剂或直接喷水可以使NOX在原来的基础上降低20%～ 50%。在燃烧区加注水会降低燃烧温度峰值，从而减少NOX的形成，主要是由于NOX的形成依赖于高温条件。

（3）空气加湿是喷水的另一种方式，方法是通过将其与燃烧空气混合，在四冲程发动机中它可以使NOX降低70%。

（4）废气再循环（EGR）通过排出的废气与新鲜空气混合降低燃烧温度峰值，它可以使NOX降低70%，但油耗费用会增加2%左右。

（5）选择性催化还原技术（SCR）可以使NOX降低95%。尿素被喷入废气中并将该混合物通过催化器进行反应。SCR装置的安装和维护成本较高，但NOX有大幅度降低并且可通过发动机优化降低油耗。SCR系统现在已经安装到某些运营的船舶上。

（6）减少燃料中的硫会使SCR和EGR更容易实现。

（7）液化天然气（LNG）在不使用后处理的情况下可以实现非常低的NOX排放。

4.2 降SOX排放控制技术

4.2.1 洗涤器

废气洗涤器可以除去废气中大部分的硫氧化物与微粒物质。针对海洋使用所开发的系统可通过使用海水、淡水或化学品洗出或中和硫氧化物，但是废水的排放会对周围环境产生影响。

4.2.2 低硫燃油

减少SOX排放最直接的方法是减少燃料中的硫含量，重油硫含量的降低是有一定限度的。重油颜色呈黑色，它是由原油精炼过程中提炼的粗渣组成，轻油被用于其他用途，大部分船舶都是使用重油。IMO MARPOL附则VI规定：到2020年之前，全球（航运用）燃油的硫含量要降至3.5%，相比之下，公路运输用柴油（超低硫柴油）硫含量仅0.0010%（质量分数）。美国要求可以依据自己制定的规则或者依据IMO组织MARPOL附则VI规定的排放控制区（ECAS）的限制来降低燃料中的硫含量。当然，也可使用更高品质的船用柴油机燃油，但成本很高。

轻油被称为船用柴油（MDO）或海洋天然气石油（MGO）。超低硫柴油、 MGO和MDO一般被称为馏分，有些船的辅机使用MGO或MDO发电。MDO和MGO硫含量低，一般在0.1%左右。MDO和MGO在澳大利亚一般不提供，如果船舶被要求使用除重油以外的燃料或者运行在港口附近，他们或者自带MDO、MGO或者使用澳大利亚制造的超低硫柴油ULSD（含硫量非常低）。天然气是另一种替代燃料，但不容易实现低硫馏分。

5 靠港时的减排措施

港口一般靠近市区。船舶柴油发电机发电以供泊岸负载、货物装卸和压载水泵等处的使用。燃油锅炉主要用来加热燃料或货物，所产生的蒸汽可供蒸汽驱动货物泵运行以及制造热水。巡航船有较高的泊岸负载，用来提供空调、照明、冷藏、烹饪等。

目前已施行减少靠港排放的两项措施：

（1）燃料转换。目前涉及靠港使用低硫燃料减少SOX和PM的排放量，未来也可能会看到靠港使用LNG的船舶发电机，这将进一步降低SOX和PM的排放量，也会减少NOX的排放量。

（2） 岸电或AMP（Alternative Maritime Power）。采用陆地电网对船舶供电，这就降低了港口的废气排放，其净增益依赖于岸电。柴油发动机比现有的大规模煤或天然气发电设备效率更高，所以使用岸电可能导致温室气体的增加。然而，柴油发动机产生更多的氮氧化物NOX和颗粒物PM。使用岸电的电力不能替代燃油锅炉，所以使用岸电并不能使SOX有很大程度的降低。一些港口实施使用液化天然气动力辅助发电机为船舶供电。

6 采用天然气燃料发动机

天然气主要由甲烷组成，几乎不含硫。天然气发动机运行产生的NOX和PM比液体燃料的柴油发动机少20%，而SOX的排放量可忽略不计。

双燃料发动机以天然气为主要燃料来源，喷入少量的柴油进行初始燃烧。双燃料发动机可以依靠80%～ 99%的气体燃料运行，特别适用于海洋使用，如果气体供给失败，发动机可以立即切换到100%的液体燃料运转中，为船舶安全提供高度可靠的推进装置。

发动机技术已经相当发达，从主要的发动机制造商那里可以获得一系列双燃料发动机，气体发动机也可获得并将用于多台主机的船舶上。

如果燃烧系统设计良好，天然气的使用可以减少25%的温室气体，因此不存在明显的甲烷排放。气体发动机在不使用后处理的情况下，其排放能满足最严格的IMO NOX和SOX排放限值（IMO Tier III排放控制区），但与液体燃料的柴油发动机排放的颗粒物相比是非常低的。

在给定的体积下，液化天然气比压缩天然气具有更多的燃油量。气体以非常冷的液态形式储存在高度隔热且有中等压力的罐体内，存储和安全处理的技术非常发达。

挪威正在为国内航运业建立重要的液化天然气基础设施。液化天然气在澳大利亚国内航运业具有很大的吸引力。澳大利亚拥有丰富的天然气储量，而石油则已所剩无几。

7 温室气体排放

航运业的CO2排放量占全球交通运输业的15%左右，而航运业却执行全球货运任务的70%左右。船舶运输每吨每公里的CO2排放量是公路运输的30%左右，这使得航运成为减少温室气体排放的一个具有吸引力的选择。与船舶CO2排放量相比，铁路、公路和航空运输的排放量如下页图3所示。

图3 2005年全球运输行业的CO2排放量比较图（不包括小轿车，仅有货物运输）

CO2是船舶主要排放的温室气体。与CO2相比，船舶发动机排放的甲烷（CH4）和N2O对全球变暖有轻微的作用，此外，SOX，NOX，PM和VOC对全球变暖也有轻微的作用。温室气体减排措施和空气质量减排措施之间有相互作用。例如，减少NOX排放量可以增加燃油消耗，从而增加CO2的排放量。

现今，减少航运业温室气体排放的措施有很多。

7.1 降速航行控制温室气体排放

降速航行是一项可操作的措施，可以明显减少CO2的排放。在同一段距离中，当速度降低10%时，油耗可降低20%以上。发动机可以通过优化运行过程来降低速度，如提高压缩比，提高涡轮增压器增压压力以恢复气缸压力，这样每次循环可以减少燃油喷射。

德国劳氏船级社最近建议，集装箱船12～14 kn的速度将是最佳速度，而现行规范是20 kn以上，这个最佳速度（经济航速）可以节省燃料成本、减少排放量，并且吸收产能过剩的船队。

7.2 其他措施控制温室气体排放

这些措施包括：使用替代能源，如天然气、风能、第2代/第3代生物燃料（藻类，木质纤维（如木材），热解油，合成柴油，生物甲烷）；改进船体和螺旋桨效率；提高船舶能源效率；优化气象导航；新的后处理技术，例如CSNOX（新加坡Ecospec公司生产的），可以从废气中除去74%的CO2、93%的SOX，以及82%的NOX，但这项技术尚未被证实。

此外，关于排放贸易/碳税的问题已被多方讨论执行，多种备选方案也正在积极考虑之中。澳大利亚船东协会（如同其他一些国家类似的协会）已经为国际航运业提出了一个全球性的上限和交易制度。

8 结 论

船舶发动机排出的废气已给世界一些水路航运比较活跃的地区带来许多有害的影响，但许多防治措施也已在全球施行，并且取得显着的进步［10-11］。

少数关于空气质量排放的研究已经在澳大利亚等国的某些港口和港口周围进行探索，但是这需要进行指导性的研究以量化船舶排放对空气质量影响的关系。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。相比于公路或铁路运输，航运业排放相对较低的温室气体，因此可为其提供优先选择权。这些选择权包括鼓励航运和奖励采用其他替代燃料，如低硫馏分或LNG等替代燃料；此外，还应大力推进水路运输节能减排重大关键技术、先进适用技术与产品的研发与推广，积极采用船机废气排放控制新技术，促进绿色水运建设可持续发展。

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［3］ 胡以怀，应启光．船舶柴油机振动、噪声及废气排放［M］．大连：大连海事大学出版社，2003．

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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

广东省交通运输厅科技项目（科技-2014-02-31）；广东省高职教育机电类专业教改项目（jd201307）；粤交职院导向性课题（2013DX）。

2014-04-28；

2014-06-16

高 炳（1983-），男，硕士，讲师，研究方向：轮机工程技术、船舶动力装置性能优化与节能减排。

赵自奇（1982-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶动力装置设计与性能分析、船舶建造。