船舶大氣污染排放控制趨勢及措施

尹彤華

中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部

在國際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護委員會第70屆會議（MEPC70）上，通過了2020年實施全球船舶在排放控制區(qū)（ECA）外使用硫含量不高于0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的燃料油的規(guī)定，同時對尾氣中NOx、CO2等污染物排放也規(guī)定了限值。為此需要采取船舶尾氣處理、燃用低硫燃料、改善船用燃料結(jié)構(gòu)等多種措施，既要保證船舶的運營成本最低，也要滿足日益嚴(yán)格的大氣排放要求。本文分析了國際、國內(nèi)的船舶污染排放控制要求和標(biāo)準(zhǔn)，同時介紹了減少船舶尾氣排放的技術(shù)措施。

在公路、鐵路、水運、航空和管道等主要運輸方式中，水路運輸憑借其裝貨量大、運費低、距離遠等優(yōu)勢成為當(dāng)今國際貿(mào)易的主要運輸方式，約占國際貨物運輸總量90%左右的份額。二戰(zhàn)以后，國際貿(mào)易迅猛增長，帶動全球海上運輸量顯著增加。目前具備遠洋資質(zhì)的船舶約9萬艘，每年實際有5萬多艘船舶在跨洲際運輸貨物，消耗燃油超過2.0×108t。與車用汽油、柴油相比，目前船用燃料油的產(chǎn)品質(zhì)量遠遠偏低。由于大部分船舶未安裝尾氣處理設(shè)施，燃燒尾氣直接排放到環(huán)境中，對空氣質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。假設(shè)一艘中型到大型集裝箱船使用硫含量為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的船用燃料油，并以最大功率的70%行駛時，其一天排放的PM2.5總量相當(dāng)于我國3萬輛國Ⅳ貨車一天的排放量[1]。因此，近些年國際、國內(nèi)均開始關(guān)注船舶污染排放對空氣質(zhì)量的影響，明確了具體時間要求，對船舶建造和船用燃料油生產(chǎn)均提出了新的要求。

船舶發(fā)動機尾氣污染物控制與標(biāo)準(zhǔn)

國際海事組織概況

國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱IMO）是聯(lián)合國負責(zé)海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的一個專門機構(gòu)，目前已有171個正式成員。中國于1973年恢復(fù)在IMO中的成員國地位，1998年當(dāng)選為IMO的10個A類理事會成員之一，并連任至今。

早在1988年IMO就正式開展防止船舶造成大氣污染議題的研討和審議工作，形成了《1973年防止船舶污染國際公約之1978年議定書》（簡稱MARPOL73/78公約），旨在將向海洋傾倒污染物、排放油類以及向大氣中排放的有害氣體等污染降至最低的水平，是世界上最重要的國際海事環(huán)境公約之一。該公約已有136個締約國。1997年議定書納入了 “防止船舶造成大氣污染規(guī)則”，并使之成為公約的附則6[2]，規(guī)定了不同時間、地區(qū)船舶燃料硫含量限值，同時允許船舶采用替代性選擇方案，要求這些替代方案可以有效降低排放尾氣中的硫含量，至少達到合格船用燃料的硫排放標(biāo)準(zhǔn)。對于硫排放來講，替代性方案包括采用排放尾氣清洗系統(tǒng)（EGCS）、除去尾氣中的硫氧化物（SOX）。

國際船舶污染物控制與標(biāo)準(zhǔn)

在20世紀(jì)90年代期間，IMO、美國環(huán)保署（EPA）和歐盟（EU）等國際組織和政府部門一直開展減少船舶發(fā)動機尾氣中污染物排放方面的研究工作，美國TierⅡ（編輯注：美國排放標(biāo)準(zhǔn)用TierI/TierII/TierIII表示第一階段、第二階段、第三階段）標(biāo)準(zhǔn)將問題主要集中在新建船舶尾氣中氮氧化物（NOX）和所有船舶尾氣中SOX的最低限值要求上，同時要求在未來發(fā)動機設(shè)計和研究發(fā)展中也要考慮減少尾氣中顆粒物（PM)、未燃燒碳氫化合物和CO2的措施。

2008年10月，國際海事組織召開會議，確定了TierⅡ、Tier Ⅲ船舶發(fā)動機尾氣控制標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是基于2008年5月MEPC58會議所確定修改采用AnnexVI（附則Ⅵ）和NOX技術(shù)規(guī)則的意見。

IMO和加州空氣資源委員會(CARB）對SOX的限制

對于船用燃料油硫含量的限制，按照 “防止船舶造成大氣污染規(guī)則”要求，2012年起硫含量從不大于4.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降低至不大于3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），到2020年(2025年)將降低至不大于0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。船用燃油硫含量限值見表1。

2012年，美國加州已經(jīng)要求船用輕質(zhì)燃料油（MDO）硫含量不大于0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），重質(zhì)燃料油（MGO）硫含量不大于1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），歐美排放限制區(qū)域（北歐的波羅的海、北海含英吉利海峽、北美及美國加勒比海四大SOX排放控制區(qū)）要求船用燃料油的硫含量不大于1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。從2014年1月和2015年1月起，兩個地區(qū)的船用燃料油硫含量執(zhí)行不大于0.1%的要求[3]。

IMO對NOX的限值

按照IMO的要求，對于轉(zhuǎn)速小于130 r/min的發(fā)動機，TierⅠ標(biāo)準(zhǔn)要求NOX含量不大于17 g/kWh，TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)要求降至不大于14.4 g/kWh，TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)要求降至不大于3.4 g/kWh；對于轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min的發(fā)動機，TierⅠ標(biāo)準(zhǔn)要求NOX含量不大于9.8 g/kWh，TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)要求降至不大于7.7 g/kWh， TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)要求降至不大于2.2 g/kWh；TierⅢ與TierⅠ標(biāo)準(zhǔn)相比，NOX含量降低了約80%。2011年起，新造船舶實施了TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)， 2015年，在排放限制區(qū)內(nèi)實施了TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)。IMO對NOX排放的限值要求見圖1。

對CO2排放的要求

對于船舶發(fā)動機廢氣中CO2指標(biāo)的控制，一般采用節(jié)能設(shè)計指數(shù)（EEDI）來表征，要求在2012年的基礎(chǔ)上，2015年降低10%，2020年降低20%，2025年降低30%。

我國船舶污染控制要求與標(biāo)準(zhǔn)

對硫含量的限制

我國于2006年5月23日加入MARPOL73/78公約附則VI，該公約同年8月23日對我國生效。2016年1月1日，交通運輸部頒布的《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》正式生效，設(shè)立了珠三角、長三角和環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)，并劃定核心港口區(qū)域，2016年1月1日起鼓勵有條件的核心港口區(qū)域先行實施；2017年1月1日核心港口區(qū)域船舶靠岸停泊期間、2018年1月1日排放控制區(qū)內(nèi)所有港口、2019年1月1日整個排放控制區(qū)使用硫含量小于0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的燃油。

表1 船用燃油硫含量限值

在船用燃料油標(biāo)準(zhǔn)方面，近年來我國參照ISO8217制訂了GB/T 17411《船用燃料油》，對殘渣型船用燃料油（即重質(zhì)船燃、HFO）硫含量指標(biāo)上限要求分別為不大于3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），執(zhí)行區(qū)域和時間由行政主管部門確定。

對其他排放指標(biāo)的要求

國家環(huán)境保護部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2016年8月22日頒布了《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》（主要參照美國TierII標(biāo)準(zhǔn)制訂），分別于2018年7月1日和2021年7月1日實施，具體指標(biāo)見表2、表3。

由表2、表3可見：

◇在第一階段，對于HC（碳氫化合物）+NOX排放限值要求，第1類單缸排量較小的船舶發(fā)動機的為7.2～7.5 g/kWh，第2類為7.8～11.0 g/kWh；

表2 船舶發(fā)動機排氣污染物第一階段排放限值

表3 船舶發(fā)動機排氣污染物第二階段排放限值

◇在第二階段，2類船舶發(fā)動機的HC+NOX排放限值要求分別降低至5.8 g/kWh和6.6～9.8 g/kWh。

減少污染物排放的技術(shù)措施

增加尾氣處理設(shè)施

為了降低船舶尾氣中NOX、SOX、PM、HC、CO、CO2等污染物的排放，目前已經(jīng)采取的船舶發(fā)動機通用措施包括燃料霧化噴嘴、電子控制、水乳化、選擇性催化還原（SCR）、余熱回收等；為適應(yīng)市場需求又研發(fā)了相應(yīng)的改進技術(shù)，主要包括空氣加濕、廢氣再循環(huán)（EGR)、延時燃燒、外部余熱回收系統(tǒng)等措施。

SOX尾氣處理工藝

對于排放尾氣中硫化物的控制主要有2種方式：

◇通過燃料油硫含量的降低滿足尾氣中的排放要求，這種方式會增加較多的原料成本；

◇采用尾氣凈化設(shè)施（圖2），首先用海水通過噴射洗滌器進行尾氣除塵，然后通過活性炭吸附降低硫含量，凈化后的氣體通過蒸汽或冷凝水回收余熱。

NOX尾氣處理工藝

降低船舶發(fā)動機排放尾氣中的NOX含量主要采用2種技術(shù)措施。

第1種是EGR。對于二沖程、四沖程發(fā)動機，通過尾氣循環(huán)，用尾氣中的CO2代替部分清潔空氣中的O2含量，降低O2含量比例，增加CO2含量，可以降低燃燒峰的溫度，進而減少NOX的生成，使尾氣中NOX的含量可以達到TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。其具體過程是排放尾氣通過2次水洗（一次是海水，一次是淡水），廢氣中約90%的PM被捕獲，同時約70%的SOX被移走，溫度降低，經(jīng)過清潔的廢氣才可以進入空冷和清掃空氣系統(tǒng)。

第2種是SCR（圖3）。這種方法是在發(fā)動機尾氣排放系統(tǒng)后新建一套選擇性催化還原設(shè)施，尾氣與40%濃度的尿素水溶液一起進入SCR反應(yīng)器，在催化劑的作用下，NO、NO2與NH3反應(yīng)還原成氮氣和水排放到大氣。該技術(shù)對溫度的控制要求較嚴(yán)：如果溫度過高，NH3將先分解而不能與NO/NO2反應(yīng)；如果溫度過低，反應(yīng)速度將會變得很低，同時硫酸銨鹽將會對催化劑產(chǎn)生破壞。SCR催化劑的設(shè)計要考慮廢氣中硫含量、溫度限制、特別是廢氣組成和反應(yīng)壓力。

CO2尾氣處理技術(shù)

CO2被公認(rèn)為溫室氣體，在很多情況下，低速柴油蒸汽發(fā)動機CO2的有效污染是最低的，這也是熱效率高的原因。一般采用廢氣循環(huán)系統(tǒng)來降低排放量，相對其他污染物，處理成本是比較低的。

降低船用燃料油硫含量

船用燃料油分為餾分型船用燃料油（即輕質(zhì)船燃、MGO）和HFO2種。MGO主要為輕柴油、重柴油餾分，相對較輕，可以通過加氫精制的方法直接降低硫含量，但是受油耗、動力性等方面的影響，成本增加較多。HFO按照50 ℃運動黏度不同，分為10、30、50、180、380、500、700等牌號，可由柴油、蠟油、重油等組分按不同比例調(diào)合而成。由于HFO組分較重，受限于氫氣資源、原料品質(zhì)等影響，要達到硫含量小于0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的指標(biāo)要求，加氫脫硫難度及成本均較高。一般煉油廠采用多種路線，充分利用組分資源調(diào)合生產(chǎn)HFO，主要包括：

◇采購低硫原油生產(chǎn)的重油調(diào)合；

◇通過重油加氫裝置深度脫硫直接生產(chǎn)的低硫重油；

◇適當(dāng)降低重油加氫深度，將加氫重油與油漿、低硫催化柴油等組分調(diào)合，生產(chǎn)不同黏度的船用燃料油，與直接生產(chǎn)低硫重油相比，這種調(diào)合生產(chǎn)方案更具經(jīng)濟性。但受限于油漿固體含量與催化柴油密度的影響，需要脫除油漿中的固體催化劑顆粒物，降低催化柴油密度，以保證船用燃料油的使用性能。

調(diào)整船用燃料結(jié)構(gòu)

根據(jù)2016年7月荷蘭研究咨詢機構(gòu)CE Delft的《船用燃料油可獲得性評估報告》統(tǒng)計，2012年，全球HFO消費量2.28×108t、MGO消費量6.4×107t、LNG消費量8×106t，HFO、MGO與液化天然氣（LNG）占比分別為76%、21.3%、2.7%。其中，HFO主要消費區(qū)域在亞洲（48%）、歐洲（23%）、北美（11%）、拉美（9%）、中東（8%）。

未來，隨著遠洋業(yè)的不斷發(fā)展，船用燃料的需求還將不斷增加，但考慮2015年和2020年排放限制區(qū)及全球船舶排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)的影響，油氣的使用量將有一個增長，船用燃料結(jié)構(gòu)還將發(fā)生一定變化，其中LNG的比例從2015年開始已逐步增加。由于LNG成本低，污染物排放少，未來在近海船舶中將得到更多的應(yīng)用，預(yù)計到2030年其占船用燃料的比例將達到15%左右。

天然氣是一種清潔、方便、高效的優(yōu)質(zhì)能源。未來成本低、污染少的燃料將逐步得到應(yīng)用，但是受儲存、加注、續(xù)航、設(shè)備等方面因素的影響，LNG應(yīng)用增長緩慢，且只能考慮在中小型船舶及近海使用，從發(fā)動機設(shè)計上來看，基本上是在現(xiàn)有發(fā)動機的基礎(chǔ)上增加加氣系統(tǒng)，保證船舶可以切換使用不同的燃料。另外，煤、生物質(zhì)、其他氣體等燃料都有可能應(yīng)用于船舶發(fā)動機。

低硫船用燃料油發(fā)展趨勢

2012年，硫含量在3%～3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的船用燃料油約占總量的64%，硫含量在0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的船用燃料油約占總量的15%。

由于2015年開始，部分排放限制地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)，為此硫含量在0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的船用燃料油比例將可能達到15%。

到2020年，全球船用燃料油排放標(biāo)準(zhǔn)將普遍加嚴(yán)，硫含量在0.1%～0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的低硫船用燃料油與硫含量在2.5%～5.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高硫船用燃料油比例將接近1∶1，屆時使用高硫船用燃料油的船舶需要增設(shè)尾氣脫硫設(shè)施。

結(jié)論

☆長期以來，船用發(fā)動機設(shè)計多是保證發(fā)動機功率強大、持久耐用、耗油量低，以使其持續(xù)處于工作就緒狀態(tài)。但是，近些年污染物排放控制對于發(fā)動機設(shè)計、制造的發(fā)展已經(jīng)變得非常重要，這些污染物包括NOX、SOX、顆粒物以及不斷增加的CO2排放等。這些方面的控制會影響發(fā)動機的總效率，需要通過改進發(fā)動機葉輪等技術(shù)進一步提高效率。

☆隨著環(huán)保要求的不斷提高，海上污染物控制已經(jīng)得到各界的重視，船舶發(fā)動機尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高。IMO已確定全球統(tǒng)一減排計劃，要求2020年開始，船舶加入的燃料油硫含量小于0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），特別是部分排放限制區(qū)域如北歐的北海、波羅的海等，已于2015年起將船用燃料油的硫含量降低至0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下。我國已經(jīng)正式提出降低船舶大氣污染排放的要求。

☆從污染物類型看，主要需要控 制 NOX、SOX、CO2、PM 等。通過尾氣循環(huán)降低燃燒峰的溫度或采用選擇性催化還原措施可以降低NOX濃度；尾氣循環(huán)同時可以降低CO2和PM的含量；SOX的減少可以通過降低燃料油硫含量或增加尾氣吸附脫硫設(shè)施、調(diào)整船用燃料結(jié)構(gòu)等措施實現(xiàn)。增加LNG等替代能源的使用也是減少船舶尾氣排放的措施之一，但需要替代燃料同時滿足船舶運營與排放法規(guī)的要求。