船舶減排滿足IMO Tier Ⅲ法規(guī)的探討與實(shí)踐

王偉彬, 曹昌魁

(1.中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司，廣州 510623；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

船舶減排滿足IMOTierⅢ法規(guī)的探討與實(shí)踐

王偉彬1, 曹昌魁2

(1.中遠(yuǎn)海運(yùn)特種運(yùn)輸股份有限公司，廣州 510623；2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

為滿足國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO) Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，在新造船上開展降低NOx排放的技術(shù)研究已成為航運(yùn)業(yè)的共識(shí)。探討國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的最新NOx減排技術(shù)；綜合柴油機(jī)減排效果、減排技術(shù)的研究進(jìn)展情況和減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選；介紹中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)應(yīng)用這些優(yōu)選技術(shù)的最新情況。相關(guān)分析對(duì)我國(guó)自主研發(fā)滿足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)具有一定的指導(dǎo)作用。

船用柴油機(jī)；氮氧化物；IMO Tier Ⅲ；減排技術(shù)；選擇性催化還原

隨著航運(yùn)業(yè)不斷發(fā)展，船用柴油機(jī)廢氣排放對(duì)環(huán)境的污染日益加劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球海運(yùn)船舶每年的NOx排放量占全球每年總NOx排放量的18%～30%。[1]我國(guó)內(nèi)河船舶每年的NOx和SOx的排放量高達(dá)100萬t。[2]當(dāng)前，船用柴油機(jī)廢氣排放給內(nèi)河和沿海港口帶來的大氣污染和溫室效應(yīng)已引起世界各國(guó)的高度重視，越來越多的國(guó)家和相關(guān)組織開始對(duì)船用柴油機(jī)的NOx排放進(jìn)行嚴(yán)格限制。

為限制船用柴油機(jī)的廢氣排放，世界各國(guó)紛紛制定排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在此基礎(chǔ)上提出《國(guó)際防止船舶造成污染公約》(《MARPOL 73/78》)附則VI，對(duì)船用柴油機(jī)尾氣排放中的NOx排放量給出明確的規(guī)定(見表1)。根據(jù)規(guī)定，對(duì)于2016 年1月1日及以后建造的船舶：若在排放控制區(qū)(Emission Control Area,ECA)內(nèi)航行，則其NOx排放必須滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的要求；若在ECA外航行，則其NOx排放必須滿足IMO TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)的要求。IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx排放的要求相當(dāng)于在原IMO Tier I標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上削減80%的 NOx排放量(見圖1和表 1)。[3-4]IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的制定無疑對(duì)船用柴油機(jī)提出了更為嚴(yán)格的要求。對(duì)此，優(yōu)選能降低NOx排放的高效、環(huán)保的技術(shù)，在新造船上開展相關(guān)滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)要求的實(shí)踐，已成為全球各船舶所有人的共識(shí)。

圖1 柴油機(jī)NOx排放量限制值和轉(zhuǎn)速

表1 IMO規(guī)定的NOx排放量適用范圍

1 船用柴油機(jī)減排技術(shù)

面對(duì)國(guó)際上越來越嚴(yán)格的船舶污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，有必要加大研發(fā)力度，盡快找到滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)要求的船舶NOx減排技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)航行的船舶所使用的動(dòng)力設(shè)備一般為柴油機(jī)，由于其在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的NOx是高溫條件下的空氣在氣缸內(nèi)燃燒形成的產(chǎn)物，因此柴油機(jī)的性能直接與NOx等廢氣的排放量有關(guān)。為尋求合適的船舶減排技術(shù)，需首先了解國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)的排放現(xiàn)狀。

1.1國(guó)內(nèi)船舶柴油機(jī)排放現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-6]，國(guó)內(nèi)船舶采用的柴油機(jī)可分為以下2類：

1)引進(jìn)MAN和W?RTSIL?等國(guó)外企業(yè)的技術(shù)許可生產(chǎn)的柴油機(jī)。該類柴油機(jī)采用兩級(jí)增壓技術(shù)結(jié)合選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)后處理技術(shù)及兩級(jí)增壓技術(shù)結(jié)合廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術(shù)等國(guó)外先進(jìn)的減排技術(shù)。柴油機(jī)在燃油排放控制區(qū)內(nèi)采用的燃料為MGO，在非排放控制區(qū)內(nèi)采用的燃料為HFO?；谝陨洗胧?，該類柴油機(jī)NOx的排放基本上滿足國(guó)際公約的要求。

2)在引進(jìn)國(guó)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主化生產(chǎn)的柴油機(jī)。參考大連海事大學(xué)排放測(cè)試中心對(duì)國(guó)內(nèi)近150臺(tái)母型機(jī)(其生產(chǎn)商主要是占有較大市場(chǎng)份額的濰柴、淄柴和濟(jì)柴等，能反映國(guó)內(nèi)航行船舶NOx的排放狀況)的NOx排放的測(cè)試，這些母型機(jī)對(duì)應(yīng)1 220臺(tái)子機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為91～2 450 r/min，額定功率為130～18 860 kW。測(cè)試結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速<300 r/min的低速柴油機(jī)和轉(zhuǎn)速>1 000 r/min的高速柴油機(jī)，其NOx的排放已滿足IMO Tier Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的要求；轉(zhuǎn)速在300～1 000 r/min的柴油機(jī)仍有部分不能滿足IMO Tier Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的要求。[2]

與國(guó)外船用柴油機(jī)NOx排放水平相比，國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的船用柴油機(jī)基本上能滿足IMO Tier I標(biāo)準(zhǔn)和IMO Tier Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的要求，但與IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)相比仍有很大差距。因此，我國(guó)應(yīng)加大柴油機(jī)的研發(fā)力度，盡早開發(fā)出滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品。

1.2國(guó)內(nèi)船舶柴油機(jī)減排技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)減排技術(shù)可分為機(jī)前處理技術(shù)、機(jī)內(nèi)處理技術(shù)和機(jī)后處理技術(shù)等3類[2]，具體減排技術(shù)見圖2。

圖2 船用柴油機(jī)減排技術(shù)

1.2.1機(jī)前處理技術(shù)

機(jī)前處理技術(shù)包括燃料凈化和燃料替代等技術(shù)，其中：燃料凈化技術(shù)可通過提高燃料的十六烷值達(dá)到降低NOx排放的目的，但其減排效果不明顯；燃料替代技術(shù)主要通過燃用清潔綠色燃料來降低NOx排放，其減排效果比較明顯。[1]

實(shí)踐證明，使用液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)等清潔燃料替代原船用燃油可有效控制NOx的排放量。LNG是世界上公認(rèn)的清潔能源之一，不僅能減少NOx排放量，還可減少顆粒物排放。但是，受LNG燃料船技術(shù)改造成本較高、LNG加注基礎(chǔ)建設(shè)滯后和商業(yè)運(yùn)作模式不成熟等因素影響，LNG作為船舶燃料應(yīng)用有一定的限制。

1.2.2機(jī)內(nèi)處理技術(shù)

機(jī)內(nèi)處理技術(shù)包括燃燒優(yōu)化、缸內(nèi)加水和EGR等技術(shù)，主要通過降低燃燒溫度等措施抑制NOx的產(chǎn)生。[1]采用燃燒優(yōu)化技術(shù)一般可降低10%～20%的NOx排放。[7]采用缸內(nèi)加水技術(shù)所需成本較低，但氣缸內(nèi)的水容易破壞氣缸潤(rùn)滑油膜。EGR技術(shù)是將更多的O2轉(zhuǎn)化為CO2，從而降低燃燒溫度，使NO2排放量下降。

EGR是目前機(jī)內(nèi)控制中較為高效的手段,相關(guān)技術(shù)在一定范圍內(nèi)可有效降低NOx排放。

1.2.3機(jī)后處理技術(shù)

機(jī)后處理技術(shù)包括SCR技術(shù)、廢氣洗滌和催化氧化等技術(shù)，主要通過對(duì)已生成的廢氣進(jìn)行催化還原來降低NOx的排放[7]，例如加裝SCR裝置。SCR技術(shù)是指在催化劑的作用下，通過還原劑NH3將NOx還原成無害的N2和水。SCR作為目前控制NOx排放的主流后處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)NOx的高效轉(zhuǎn)化，最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)95%以上。

2 船用柴油機(jī)減排技術(shù)優(yōu)選

2.1不同船用柴油機(jī)減排效果對(duì)比

圖3為船用柴油機(jī)采用不同技術(shù)措施時(shí)的NOx減排效果[1-2]，其中：DF為雙燃料技術(shù)；EGR為廢棄再循環(huán)技術(shù)；HAM為進(jìn)氣加濕技術(shù)；Internal為機(jī)內(nèi)燃燒過程優(yōu)化；SCR為選擇性還原技術(shù)；WFE為油水乳化技術(shù)。

圖3 柴油機(jī)采用不同技術(shù)措施時(shí)的NOx減排效果

由圖3可知：要滿足IMO TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)的要求，可通過改善燃燒過程中的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。但是,要滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的要求，須通過采取EGR技術(shù)、SCR技術(shù)及DF技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其他技術(shù)會(huì)因不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求而逐步被淘汰。

2.2不同柴油機(jī)減排技術(shù)研究進(jìn)展對(duì)比

國(guó)外部分柴油機(jī)廠商很早就對(duì)SCR技術(shù)和EGR技術(shù)進(jìn)行研究。早期的SCR技術(shù)和EGR技術(shù)在汽車上應(yīng)用，NOx減排效果較好，后來被逐漸應(yīng)用到船用柴油機(jī)上。與SCR技術(shù)和EGR技術(shù)相比，DF技術(shù)發(fā)展較晚，但發(fā)展?jié)摿^大。

目前采用SCR技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商主要有瓦錫蘭集團(tuán)、德國(guó)曼恩集團(tuán)、戴姆勒—奔馳集團(tuán)、日本三菱重工工業(yè)集團(tuán)和日本三井集團(tuán)等；采用EGR技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商主要有日本三菱集團(tuán)、德國(guó)曼恩集團(tuán)和瓦錫蘭集團(tuán)等；采用DF技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商主要有瓦錫蘭集團(tuán)、德國(guó)曼恩集團(tuán)和卡特彼勒公司等。由此可見，目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠商選擇對(duì)EGR技術(shù)、SCR技術(shù)和DF技術(shù)等3種技術(shù)進(jìn)行研究。

2.3不同柴油機(jī)減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

SCR技術(shù)、EGR技術(shù)和DF技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比[2]見表2。

表2 不同柴油機(jī)減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

1)從安裝成本上看：應(yīng)用DF技術(shù)的柴油機(jī)一般交替燃用柴油/重油和LNG，但在船上安裝LNG動(dòng)力設(shè)備的初始投資要比安裝傳統(tǒng)的柴油機(jī)高約30%[8]；SCR設(shè)備的初裝成本為柴油機(jī)總成本的40%左右，且占用的空間較大，在船上安裝也需較高的投資[9]；采用EGR技術(shù)不需要對(duì)柴油機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油系統(tǒng)進(jìn)行較大改動(dòng)，在安裝成本和安裝空間上都更有優(yōu)勢(shì)。

2)從運(yùn)營(yíng)成本上看：SCR系統(tǒng)可減少柴油機(jī)的燃油消耗量[10]，從而降低運(yùn)營(yíng)成本；由于LNG的價(jià)格遠(yuǎn)低于燃油價(jià)格，因此采用DF技術(shù)可使運(yùn)營(yíng)成本降低25%左右；EGR技術(shù)對(duì)燃油和潤(rùn)滑油的品質(zhì)要求較高，且需較高的維護(hù)費(fèi)用。因此，相比EGR技術(shù)，SCR技術(shù)和DF技術(shù)在運(yùn)營(yíng)成本上更有優(yōu)勢(shì)。

3)從減排技術(shù)適用性上看：對(duì)于航程較短的船舶，雖然其運(yùn)營(yíng)成本不高，但采用SCR技術(shù)和DF技術(shù)的安裝成本都較高，因此EGR技術(shù)具有較強(qiáng)的適用性；而對(duì)于航程較長(zhǎng)的船舶，采用SCR技術(shù)和DF技術(shù)相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)。

2.4船用柴油機(jī)減排技術(shù)優(yōu)選

目前已有越來越多的柴油機(jī)廠商將研究重心轉(zhuǎn)移到SCR技術(shù)、EGR技術(shù)和DF技術(shù)上，并努力降低安裝和運(yùn)營(yíng)成本。這3種技術(shù)在匹配柴油機(jī)、船舶航行區(qū)域和燃油成本等方面各有優(yōu)劣[2，8]，主要對(duì)比如下。

1)從匹配柴油機(jī)方面看，若要在柴油機(jī)上應(yīng)用EGR 技術(shù)和DF技術(shù)，需對(duì)其進(jìn)行一定的改造，因此這2種技術(shù)比較適合應(yīng)用在國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)或部分新建的柴油機(jī)上；與DF技術(shù)和EGR技術(shù)相比，SCR技術(shù)具有較強(qiáng)的耦合性。對(duì)于引進(jìn)國(guó)外技術(shù)制造的柴油機(jī)，國(guó)內(nèi)一般不具有自主設(shè)計(jì)權(quán)，因此采用DF技術(shù)和EGR技術(shù)較為困難，建議在這些柴油機(jī)上采用SCR技術(shù)。

2)從船舶航行區(qū)域方面看，相對(duì)于航程較長(zhǎng)的遠(yuǎn)洋船舶，內(nèi)河流域的船舶一般具有功率小、航程短的特點(diǎn)，因此其采用 EGR技術(shù)帶來的燃油經(jīng)濟(jì)性惡化基本上可忽略。此外，內(nèi)河船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的功率較小，采用DF技術(shù)所需的改裝成本也相應(yīng)較低。因此，內(nèi)河船舶比較適合采用DF技術(shù)和EGR技術(shù)。但是，對(duì)于大功率、長(zhǎng)航程的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶來說，考慮到EGR技術(shù)帶來的燃油經(jīng)濟(jì)性變差及DF技術(shù)帶來的改裝成本變高，此類船舶更加適合采用SCR技術(shù)。

3)從船舶所用燃料方面看，目前船舶使用的燃料主要有LNG和柴油2類。當(dāng)前國(guó)內(nèi)船舶所用柴油的品質(zhì)普遍不高，因此采用對(duì)燃油品質(zhì)要求較高的EGR技術(shù)會(huì)導(dǎo)致船舶發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的經(jīng)濟(jì)性變差。對(duì)于漁船及小型運(yùn)輸船等功率較小的船舶來說，采用DF技術(shù)的改造成本雖比采用EGR技術(shù)的改造成本高，但其運(yùn)營(yíng)成本較低，綜合來看采用DF技術(shù)更為可行；對(duì)于功率較大的船舶來說，采用DF技術(shù)的改造成本較高，即使很低的運(yùn)營(yíng)成本也無法彌補(bǔ)該缺陷，因此采用EGR技術(shù)更為可行；對(duì)于功率超大的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶來說，LNG儲(chǔ)罐會(huì)占據(jù)很大的空間，導(dǎo)致運(yùn)貨利潤(rùn)下降，加上我國(guó)LNG加注基礎(chǔ)建設(shè)滯后、商業(yè)運(yùn)作模式不成熟，這些船舶更加適合采用SCR技術(shù)。

總體來看，EGR技術(shù)、SCR技術(shù)及DF技術(shù)有著各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。目前采用SCR技術(shù)是使遠(yuǎn)洋船舶柴油機(jī)在排放控制區(qū)滿足IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)要求的較為成熟、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

3 船舶排放滿足IMO Tier Ⅲ要求的實(shí)踐

根據(jù)以上對(duì)不同船用柴油機(jī)減排技術(shù)的對(duì)比，中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)針對(duì) NOx排放的限制要求，在載重量7 500 t新瀝青船的設(shè)計(jì)上采用SCR技術(shù)。該船主要采用某低壓SCR 系統(tǒng)(LP SCR)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。該LP SCR產(chǎn)品主要由尿素水溶液儲(chǔ)罐、輸送裝置、計(jì)量裝置、噴射裝置、催化器及溫度和排水傳感器等組成，具有較高的靈活性、可靠性和成熟程度，不會(huì)影響柴油機(jī)原有的特性，其特點(diǎn)見表3。

載重量7 500 t瀝青船的主機(jī)采用的是MAN 6S35ME-C電噴柴油機(jī)，包含尿素的噴射控制、NOx傳感器控制等，相關(guān)的系統(tǒng)接口和供應(yīng)部件也滿足特殊要求。該船的主機(jī)采用低溫催化劑+溫度補(bǔ)償單元輔助方案；3臺(tái)船舶副機(jī)采用中溫、高溫催化劑方案。

表3 LP SCR產(chǎn)品特點(diǎn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，該載重量7 500 t瀝青船采用的LP SCR產(chǎn)品可在滿足目標(biāo)最大氨逃逸率限值的前提下使柴油機(jī)的NOx排放值由18.04 g/(kW·h)降低至2.68 g/(kW·h)，使NOx減排率達(dá)到80%以上。由此可知，該LP SCR產(chǎn)品完全滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的排放限值要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)船舶廢氣排放提出了更為嚴(yán)格的要求。優(yōu)選能降低船舶NOx排放的技術(shù)已成為全球各大船舶所有人的共識(shí)。中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)的載重量7 500 t瀝青船采用LP SCR產(chǎn)品來滿足IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)航運(yùn)界有較大影響。相關(guān)航運(yùn)企業(yè)可參考該案例，配合海事主管部門、檢驗(yàn)主管機(jī)關(guān)及造船廠、SCR設(shè)備廠等單位，實(shí)質(zhì)性地推進(jìn)我國(guó)航運(yùn)業(yè)的綠色發(fā)展。

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DiscussionandPracticeAboutShipEmissionReductiontoMeetIMOTierIIIEmissionRegulations

WANGWeibin1,CAOChangkui2

(1.COSCO SHIPPING Specialized Carriers Co.Ltd.，Guangzhou 510623,China; 2.State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology,Shanghai Ship and Shipping Research Insitute,Shanghai 200135,China)

It has become the consensus of the shipping industry to carry out technical research on reducing NOxemissions to meet the emission standards of International Maritime Organization(IMO) Tier III.The new technologies for meeting IMO Tier III emission regulations are summarized and compared in terms of maturity and economy with suggestions for selection.The latest developments of the technical practice in COSCO Shipping for IMO Tier III regulations are introduced.

marine diesel engine；nitrogen oxide；IMO Tier III；emissions reduction technology；SCR

U664.121；U692.1

A

2017-03-15

王偉彬(1963—),男，廣東澄海人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇凹夹g(shù)及應(yīng)用。E-mail:wangwb@coscol.com.cn

1000-4653(2017)02-0108-04