船舶污染物减排发展现状与思考

凌贵阳杨立新徐笑锋杨泽慧

1.上海组合港管委会办公室

2.上海海事大学

0 研究背景与意义

截至2013年底，中国拥有水上运输船舶17.26万艘，净载重量2.44亿t。全球十大港口，中国占据八席，吞吐量约占全球四分之一。船舶运输所带来的环境污染问题日益突出。据测算，2013年全国船舶二氧化硫（SO2）排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物（NOx）排放量占11.3%。受船舶污染影响最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。根据《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL公约）定义，排放控制区是指对船舶采取强制措施以防止、减少和控制硫氧化物（颗粒物）或者氮氧化物的区域。近年来，国际海事组织先后批准了4个排放控制区：波罗的海排放控制区、北海排放控制区、北美排放控制区和美国加勒比海排放控制区。这四大排放区域均是硫排放控制区，北海排放控制区和美国加勒比海排放控制区对NOx和碳烟的排放也有要求。

2019年12月1日，中共中央、国务院印发了《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》（以下简称“规划纲要”），并发出通知，要求各地区、各部门结合实际认真贯彻落实。规划纲要指出，长三角是我国经济发展最活跃、开放程度最高、创新能力最强的区域之一，在全国经济中具有举足轻重的地位。长三角一体化发展具有极大的区域带动和示范作用，要紧扣“一体化”和“高质量”两个关键，带动整个长江经济带和华东地区发展，形成高质量发展的区域集群。2019年11月4日，长三角海事一体化融合发展领导小组会议在上海举行，深入贯彻落实习近平总书记关于推动长三角高质量一体化发展的重要指示精神，共同谋划推进长三角海事一体化融合发展。这是海事全力服务长三角一体化发展国家战略部署，助推交通强国和海洋强国建设的重大举措。会议明确了长三角海事一体化融合发展的思路举措，提出了涵盖创新区域一体化协调机制、提升数字监管能力水平、提升水上安全区域协同能力、强化区域生态环境共保联治、推进船员队伍发展和优化营商环境六个方面的24项具体工作任务。其中，在“强化区域生态环境共保联治”方面，明确提出了“强化船舶排放控制，强化船舶水污染防治，服务美丽长江建设”等三项具体任务。

长三角地区位于“一带一路”交会点，既是海上丝绸之路重要节点，也是连通亚欧大陆重要的东西陆路出海、上岸通道。长三角地区拥有全球最大的集装箱港口、全球最大的货运港口，在全国海洋运输体系中具有十分重要的地位和作用，具有发展铁水联运的综合优势。目前长三角地区的港口有上海港、宁波-舟山港、连云港港、南京港、镇江、温州、合肥、芜湖等港口，其中上海港两大港区：外高桥港区和洋山港区均位于浦东新区。外高桥港区毗邻自贸区中的外高桥保税区和外高桥保税物流园区，现已发展成为集装箱吞吐量占上海港半壁江山、危险品吞吐量超过全港40%份额的重要货物集散地，影响力覆盖苏浙沪，辐射整个长江流域经济腹地。更为重要的是：外高桥港区距离市中心仅20 km左右，船舶排放所造成的空气污染直接影响到市区的空气环境和居民的身体健康。因此，船舶排放监测监管工作尤为重要，需要政府环保部门、海事部门、发改委、财政局、市经济信息化委、港口部门、船级社等多方通力协作，建立更有效的区域联防联控机制和监管体制。

自交通运输部2016年1月1日印发《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》后，长三角水域已率先开始进行减排工作。但是，现阶段依然缺乏对船舶排放气体直接进行监测的技术应用，还没有成熟的方法针对船舶尾气进行硫化物、NOx及颗粒物（PM）等含量的检测，因此也缺乏直接、实时的执法依据。项目拟通过主成分分析法-相对熵模型对减排技术进行分析，建立减排新技术评价体系。气体检测与原油检测在技术原理上存在本质不同，为解决实时性问题，有必要建立二者之间的对应关系，为快速检测船舶尾气排放提供技术支持和执法依据。同时，对整个港区所有船舶尾气排放进行核算，找出主要污染源进行必要的处理，对提升中国（上海）自贸区空气质量至关重要。因此，本项目在上海港进行试点研究，取得成功示范后将在上海港进行推广，后续可以向珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域港口进行推广应用，填补国内在该技术领域的空白。

1 相关领域国内外现状

船舶的大气排放物主要包括大气污染物和温室气体两类物质，船舶排放的大气污染物，主要包括NOx、硫氧化物（SOx）、一氧化碳（CO）和PM等[1-2]，不仅严重污染大气环境并导致全球气候变化，而且对人体健康也产生严重危害。虽然二者属于两类不同的大气排放物，但是船舶排放主要是由于发动机和锅炉中的化石燃料燃烧，而且都是排放到地球大气中，危害大气环境和人体健康。Goldsworthy等[3]研究表明，澳大利亚船舶排放的NOx、SO2、PM10、VOC、CO和CO2分别占非船舶排放造成 污 染 的24.0%、17.0%、2.4%、0.2%、0.3%和2.7%；JALKANEN等[4]在欧洲开发了STEAM系统，使用基于AIS信息的动力法计算了波罗的海沿岸多个国家船舶大气污染物排放，并用于评估排放控制区政策对欧洲各国空气质量的影响。

近年来，国内开始重视船舶大气污染物排放研究，YAO等[5]对长三角地区船舶大气污染物排放特征进行了分析；田玉军等[6]研究了珠江口湾区靠港船舶转用低硫油的经济成本与环境效益、船舶大气污染物排放控制区实施方案对珠三角区域空气质量的影响；顾建等[7]结合船舶自动识别系统(AIS)中的船舶轨迹信息、船舶档案数据库信息及调研信息，实现基于船舶活动的排放清单编制；伏晴艳等[8]对我国重大活动环境空气质量监测评估体系的研究表明，通过建立大气污染物动态调控排放清单，可以为重污染预警和重大活动污染调控提供最为根本的污染源动态台账数据，推动大气污染防治工作精细化和精准化。

1.1 SOx排放控制技术

目前，国内外已处于中试或实船应用的船舶SOx排放控制技术，根据工作原理可划分为低硫燃油、替代燃料、干法脱硫与湿法脱硫共4类[9]。低硫燃油技术是指炼油厂通过精炼燃料油脱除硫分的一种燃料处理技术，作为最直接的船舶SOx减排方式，曾被认为是解决船舶SOx排放的主流技术。许多航行于欧洲北海、波罗的海等SECA的船舶通过改装燃油系统并联合选择性催化还原（SCR）技术，实现船舶同时脱硫脱硝[10]。替代燃料技术是指以液化天然气（LNG）、甲醇、生物燃料等新型清洁能源为代表的燃料[11]，替代传统船用燃料油燃烧的技术。这类燃料具有较为突出的环保绩效，能有效降低船舶废气中SOx、NOx、PM等排放，且燃料价格相对便宜，有助于降低运营成本。干法脱硫技术是以石灰基材料作为吸附剂，脱除船舶废气中的SOx。2010年研究的干法脱硫系统没有液体介入，生成的固体废料需要随船存储与到岸卸载，不产生海洋环境二次污染。湿法脱硫技术是指基于酸碱中和原理[12]，通过喷淋洗涤方式吸收废气中的SOx，实现船舶废气脱硫。根据洗涤剂的循环方式不同，湿法脱硫系统可分为开式海水系统、闭式淡水系统与混合式脱硫系统。

1.2 NOx排放控制技术

在目前世界船用柴油机呈现出的五大发展趋势中，高效节能减排环保是重要的发展趋势之一。船用柴油机NOx生成主要与反应物浓度、最高温度和高温度区停留时间长短相关。通过研究燃油系统、进气系统、燃烧室结构、现代先进燃烧技术，优化燃烧提高热效率、减少碳排放的同时控制缸内NOx生成[13-15]，研究当前减少NOx排放的尾气后处理技术。目前国内柴油机减排技术包括机前处理技术、机内处理技术和机后处理技术。

机前处理技术包括燃料净化和燃料替代等技术。其中，燃料净化技术可通过提高燃料的十六烷值达到降低NOx排放的目的；燃料替代技术主要是通过燃用清洁绿色燃料来降低NOx，实践证明，使用LNG等清洁燃料替代原船用燃油可有效控制NOx排放量[16-18]。

机内处理技术包括燃烧优化、缸内加水和EGR等技术，主要通过降低燃烧温度等抑制NOx的产生。EGR技术是将更多的O2转化为CO2，从而降低燃烧温度，使NOx排放量下降。EGR是目前机内控制中较为高效的手段[19-20]，相关技术在一定范围内可以有效降低NOx的排放。

机后处理技术包括SCR技术、废气洗涤和催化氧化等技术，主要通过对已生成的废气进行催化还原来降低NOx的排放。SCR作为目前控制NOx排放的主流后处理技术，可实现NOx的高效转化[21-22]。

1.3 其他排放控制关键技术

燃料净化一般是在燃料中添加催化物质[23-24]，提高燃料的利用率，减少碳排放，达到减排目的；燃料替代主要是使用绿色燃料降低排放，如LNG等清洁能源，能有效减少废气以及PM的排放，是公认的清洁能源之一。

船舶在靠泊期间，关闭船舶发动机，选择通过靠岸码头的通电供能。相比发动机使用的重油，船舶靠泊期间使用岸电[25-26]能大幅度减少大气污染物的排放。但不同类型的船舶对电压、频率等供电要求的标准不同，使得港口大范围建设使用岸电系统具有不确定性。因此，制订相应的岸电系统规范是大规模推行的前提。船体结构的优化[27-28]包括对船舶的型线优化降低船体阻力；推进系统优化，提高推进效率和燃油效率；船舶新材料的应用，通过减轻船舶重量降低能耗；安装节能装置，降低能耗，减少排放。

目前化石燃料技术只能将船舶排放保持在当前的水平，不会显著减少或消除碳排放及废气排放，实现航运业减排的唯一途径是完全使用新型能源[29-32]。太阳能是一种清洁可再生的能源，将光热转化、光电转化技术投入到船舶使用，是未来船舶能源发展的一个方向；在帆翼理论下，风帆助航技术受到很多研究，风帆系统提供的风能极大地减少了污染排放，提高了节能效果；海洋能是一种待研发的新型能源，主要包括潮汐能、波浪能等，将海洋能转化为电能为船舶动力系统提供能源，是日后实现节能减排的重要举措[33]。

1.4 国内外各港口减排措施与政策

1）欧洲船舶排放控制政策

欧盟海运温室气体减排的法律规制与实践奉行单方面行动的道路。20世纪80年代中期，欧洲共同体就针对能源政策的改革问题提出要关注气候变化，遏制全球气候变暖。1985-1994年，欧洲开始形成温室气体减排的法律政策。自从1994年《联合国气候变化框架公约》正式生效后，欧盟温室气体减排的法律制度得到了初步发展，不仅包括了对能源方面的减排法律制度，还包含了运输业和排放税收的减排法律制度。1998年3月，欧盟出台了《欧盟关于气候问题战略》，认可了各国履行减排责任时可遵循“共同但有区别的责任原则”。2000年6月，欧委会启动了第一个“欧洲气候变化计划”，其目的是为了落实《京都议定书》的温室气体减排目标，尽快完成各成员国的减排任务。为控制船舶排放，欧盟采取的政策措施包括：

（1）海运温室气体排放补偿基金。欧盟计划建立海运温室气体排放补偿基金制度，以法律的形式对海洋环境大气污染建立损害赔偿，使环境污染损害赔偿基金规范化、系统化、法制化，船舶CO2（温室气体）排放者要为其排放行为缴纳补偿费用。

（2）明确船舶强制性减排目标。依据各国或企业船舶的能源使用效率指数，以及历史温室气体排放量，为船舶制定的一项强制实行的减排目标和任务。2012年欧盟制定的海运业碳减排目标是在2020年前碳排放量要比2005年减少20%（得到英、法等国家的支持，但却遭到希腊等几个欧盟国家的反对）。

（3）温室气体排放交易机制（EUETS）。EUETS是欧盟实施效果最好的温室气体减排政策，也是欧盟海运温室气体减排工作的重要措施之一，涵盖航空、航海运输等行业，其中海运行业是重点对象。2008年1月23日，为了完成减排目标，欧盟委员会再次修订了排放交易指令。2012年欧委会再次提出将国际海运温室气体减排也纳入欧盟温室气体减排承诺目标和交易体系之中的建议。

（4）增收航海碳排放税。通过构建碳交易市场、征收航海排放税来增加气候应对资金，并试图在国际航空业和海运业两个主要温室气体排放领域采取单边措施。

2）北美船舶排放控制政策

以《清洁空气法案》为基础，美国制定了空气质量标准及船舶排放控制法规等技术法规，包括《空气污染管制法》《清洁空气法案》《国家环境空气质量标准》《排放标准的参考指南》《新海洋船舶柴油机排放控制法规》《非道路柴油机Tier 4规则》《船用柴油机排放控制措施》等。美国国家环境保护局曾制定了减少船舶污染大气的税收政策，规定从2001年起征收NOx排放税，以所收税金补贴采取降低污染措施而增加的费用。2007年10月，美国启动有关船舶气体排放的单边立法，拟替代国际海事组织（IMO）通过的相关船舶气体排放的国际公约，在IMO通过更为严格的规范船舶排放的公约之前，预先对船舶硫化物排放进行控制。2009年3月30日，美国国家环境保护局建议对美国沿海船舶实施更严格的污染气体排放标准，要求在海岸线370 km的范围内设置污染气体排放控制区，船舶从2015年开始执行更严格的硫化物排放标准，到2016年，新船必须安装控制污染气体排放的先进设备。该标准出台后，与现行标准相比，将使大型船舶排放的NOx减少约80%，PM减少约85%。

此外，基于港口空气污染物大多来自船舶在港口航行、靠港和离港操作以及靠港作业时的特点，为进一步减少船舶污染物排放，美国加州对靠港船舶提出更高的控制废气排放要求，于2014年1月1日实施强制靠港船舶使用岸电的减排措施。加利福尼亚州空气资源局于2008年7月24日颁布了《加州水域及基线24海里内海船燃油硫含量和其他操作要求的规则》，并于2011年10月27日进行了修正和补充，要求加州沿海地区24英里海域内航行船舶燃油含硫量从2012年8月1日起船用轻柴油（DMA）硫含量≤1.0% m/m或船用柴油（DMB）硫含量≤0.5% m/m；从2014年1月1日起船用轻柴油（DMA）或船用柴油（DMB）硫含量≤0.1% m/m。若海船不能满足要求，就须支付相应的惩罚性费用；靠港不满足次数越多，费用越高，如到第5次及以上，每次惩罚费用达182 000美元。

加州法典第17篇第1节第7.5分节第93118.3小节“靠泊加利福尼亚港口远洋船舶应用的辅助柴油引擎的有毒空气污染物控制”中强制要求从2014年1月1日起，挂靠加州港口的集装箱船（船公司船舶年挂靠加州港口25次以上）、邮船（船公司船舶年挂靠加州港口5次以上）和冷藏货物运输船靠泊期间必须不断加大关闭引擎和使用岸电的比例。各船公司挂靠每一个加州港口的船舶使用岸电的挂靠次数占其在该港口总挂靠次数的比例在2014-2016年期间应达到50%，2017-2019年期间达到70%，2020年之后达到80%。如果船公司挂靠船舶不能满足上述要求，每次停靠将根据情况罚款1 000～75 000美元。

洛杉矶港对于海船排放污染量的减少所采取的主要措施有降低船舶航速、使用岸电、低硫燃油和更清洁的船舶柴油机技术等。为了鼓励船公司把他们最新和最清洁的船舶靠到洛杉矶港，港口在国际港口协会世界港口气候倡议的支持下推出了自愿环保船舶指数计划，该计划规定从2012年7月1日起，船公司若使用更清洁的技术使得船舶大气污染物排放量比IMO规定的要求更低则可获得奖励。船舶速度（在船舶主机额定转速的20%以上）越低，污染物排放量就越少。洛杉矶港口规定船舶离港口20海里或40海里内航速若小于12节（含），对于20海里内满足要求的船舶按1天靠港费的15%奖励，对于40海里内满足要求的船舶按1天靠港费的30%奖励。

加拿大高度重视空气环境质量，对海、陆、空的交通运输工具的排放限制非常严格。颁布实施的环境保护和清洁空气法，以及针对船舶排放颁布的技术法规包括《加拿大环境保护法》《加拿大航运法》《柴油机硫含量规则》《防治船舶和危险化学品污染的法规》《环境响应规则》《加拿大管辖的豪华游轮操作导则》《船舶废气排放新规则》等。加拿大运输部于2013年5月颁布了《船舶废气排放新规则》，要求对于行驶在北美排放控制区和加拿大领海北纬60°以内的水域，船用燃油最大硫含量为1.00% m/m；从2015年1月1日起，行驶在这一水域的船舶燃油最大硫含量不得超过0.10%m/m。

3）香港特区船舶排放控制政策

2011年，13家船舶运营商在香港主动签署入港船舶转用含硫量0.5% m/m以下低硫燃油的《乘风约章》(Fair Winds Charter)，经过几年运行，有18家大型船舶运营商成为会员企业，诸如马士基航运、达飞轮船、中远集运、东方海外等都已悉数加入，参与的船舶运营商自愿承诺旗下入港班轮在葵青港区使用含硫量不多于0.5%m/m的低硫燃油，离港后才再使用普通燃油，以改善港区附近的空气质量。

《乘风约章》订立之初，设立了两年有效期（2011年1月1日至2012年12月31日），在有效期即将期满之时，《乘风约章》成员认为，如果香港特区政府不能就港口燃料油硫排放规范设立法规的话，相关成员也将放弃目前已经在香港港口进行的燃油转换计划。

香港特区政府在2012年9月推出资助计划，鼓励远洋轮船在泊岸时转用含硫量不超过0.5%m/m的低硫燃油，可获宽免50%港口设施及灯标费。尽管如此，施行燃油转换计划的船舶运营商仍需承担50%～80%的清洁燃油转换成本。与此同时，马士基航运等公司认为，参与燃油转换计划的公司与不参与计划的同业竞争者将承担不同的运营成本，不利于公平竞争，因此《乘风约章》的成员都认为应该在香港推动相应的强制性法规出台。香港方面亦担心因为成本问题，货主或将部分货源转移至深圳港，因而一直呼吁在珠三角流域建立亚洲首个船舶污染物排放控制区。

2015年7月1日香港特区政府颁布了《空气污染管制（远洋船只）（停泊期间所用燃料）规例》（以下简称“规例”），规定远洋船只在香港停泊时使用洁净燃料，以减少远洋船舶的排放，改善空气质量。

该规例指定的合规格燃料包括含硫量不超过0.5% m/m的低硫船用燃料、液化天然气或环境保护署认可的其他燃料。规例明确要求，除在停泊期间的首小时及最后1小时外，远洋船只在香港停泊时不得使用不合规格的燃料。船长和船东都必须记录转用燃料的日期和时间，并保存有关记录3年。香港特区政府已于2021年3月18日向立法会提交规例。

规例生效后，任何远洋船只在香港停泊期间使用不合规格燃料，即属违法，一经定罪，有关船长和船东最高可判处罚款20万港元及监禁6个月。如有关船长和船东没有按规例要求记录或备存所需数据，也属违法，一经定罪，最高可判处罚款5万港元及监禁3个月。

2 结论

船舶的大气排放物除温室气体之外，还包括NOx、SOx、CO和PM等大气污染物。目前，针对各种排放物的减排技术不断出现，它们以对燃料进行预处理的技术为主，然而这些技术对船舶污染物减排的作用有限。相比之下，替代燃料技术能从源头治理污染，具有较为突出的环保绩效。如今，各地也纷纷针对船舶排放制定相关政策，采用鼓励与严惩相结合的模式，强制控制污染物排放。法律法规的逐步完善以及愈加严格的排放标准，也使得控制污染气体排放的先进设备在船舶的安装率越来越高，减排效果明显。

未来船舶污染物的减排工作应着重注意以下几个方面：

1）在现有技术的基础上，加大对先进减排技术的研发投入，针对企业和高校设立相关技术奖项，鼓励推动减排技术的创新。

2）逐步完善船舶排放相关法律法规，鼓励企业更换使用高效率、低能耗的生产设备和清洁燃料，同时加大对使用不合规格燃料等违法现象的惩罚力度。

3）重视绿色燃料替代技术的研发，逐步使用可再生能源，减少对化石能源的依赖，从源头治理污染。