中國(guó)沿海船舶實(shí)現(xiàn)低硫排放的建議

趙超

摘 要：針對(duì)IMO Tier III Sox船舶低硫尾氣排放法規(guī)，目前主要采用低硫燃油、液化天然氣、廢氣洗滌技術(shù)以及岸電四種減排措施。基于我國(guó)航運(yùn)發(fā)展?fàn)顩r、沿海船舶分布狀況，分別從成本、環(huán)境效益、可行性、對(duì)船舶動(dòng)力裝置影響等方面，比較分析上述四種減排方案，對(duì)不同船舶提出最優(yōu)的低硫排放建議。

關(guān)鍵詞：硫排放；減排措施；比較分析；船舶；建議

中圖分類(lèi)號(hào)：D9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.070

0 引言

船舶使用高硫燃油排放的顆粒物、NOx和Sox威脅人類(lèi)健康和環(huán)境。國(guó)際海事組織IMO制定了MARPOL公約《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》，對(duì)船舶燃油含硫量標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施時(shí)間做了規(guī)定。為了響應(yīng)國(guó)際法規(guī)和我國(guó)建設(shè)綠色海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，中國(guó)政府劃定了船舶低硫排放控制區(qū)（ECA）。規(guī)定指出：包括長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海海域在內(nèi)，2018年1月1日后，船舶靠岸停泊期間使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油；2019年1月1日后，船舶進(jìn)入排放控制區(qū)內(nèi)應(yīng)使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油。

為了改善我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量，建設(shè)綠色海洋，我國(guó)非常重視船舶廢氣Sox排放控制技術(shù)的發(fā)展，目前主要有低硫燃油、LNG、廢氣洗滌技術(shù)以及岸電四種減排措施。下面分別從成本、環(huán)境效益、可行性、對(duì)船舶動(dòng)力裝置影響等方面對(duì)上述四種減排措施進(jìn)行分析，并基于我國(guó)航運(yùn)發(fā)展?fàn)顩r，提出低硫控制排放建議。

1 低硫燃油減排措施

低硫燃油減排措施是用含硫量較少的MGO（0.1%S）替代HFO（3.5%S）。船舶動(dòng)力裝置使用MGO從根本上可以減少硫排放。雖然MGO替代HFO不需要額外的技術(shù)投資，主要增加的是油耗成本與船舶改造成本，但是低硫燃油與重油的理化性質(zhì)差別較大，直接使用低硫燃油會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力裝置造成影響，縮短柴油機(jī)壽命。

1.1 船舶使用低硫燃油的投資成本分析

船舶使用低硫燃油時(shí)，除了需配備常規(guī)高硫燃油外，還須額外配備低硫燃油及相應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備，并在進(jìn)出排放控制區(qū)時(shí)進(jìn)行燃油切換。同時(shí)，須根據(jù)低硫燃油的黏度、潤(rùn)滑特性選取合適的鍋爐、柴油機(jī)燃油泵，并須對(duì)現(xiàn)有鍋爐、柴油機(jī)的燃油轉(zhuǎn)換裝置、供油系統(tǒng)、燃燒裝置、監(jiān)控和顯示系統(tǒng)等進(jìn)行相應(yīng)的改造。

目前煉油廠(chǎng)大多采用催化加氫的方法提煉低硫燃油。與加工重油相比，由于催化加氫過(guò)程消耗能量較高且設(shè)備資金昂貴，使得低硫燃油價(jià)格昂貴。將2015-2018年上海港IFO380和MGO價(jià)格作比較（圖1），低硫燃油價(jià)格明顯比重油高，船舶燃用MGO與IFO380相比，營(yíng)運(yùn)成本大約增加了50%-70%。并且隨著ECA區(qū)域?qū)嵭腥痰土蚺欧牛土蛉加凸?yīng)量有限，燃油成本有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)。

1.2 船舶使用低硫燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響

目前，船舶動(dòng)力機(jī)械相關(guān)元件均按照燃用高硫燃油進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，與重油相比，低硫燃油具有硫分值低、潤(rùn)滑性差、黏度小、閃點(diǎn)和比重較低的特點(diǎn)，直接燃用低硫燃油會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行、維護(hù)等方面造成嚴(yán)重的影響。

1.2.1 低硫燃油中鋁、硅含量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

采用催化裂化提煉的低硫燃油中鋁、硅含量較高，通常低硫燃油中的硅鋁含量超過(guò)25 （mg/kg），有相當(dāng)部分以微粒形式存在于成品燃油中，燃燒時(shí)加速了柴油機(jī)的磨粒磨損，損壞噴油嘴、燃燒室等部件，縮短了柴油機(jī)壽命。

1.2.2 低硫燃油較低的潤(rùn)滑性和粘度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

低硫燃油采用催化加氫方法，降低了燃油含硫量的同時(shí)也降低了燃油的潤(rùn)滑性和粘度。較低的燃油潤(rùn)滑性，加速了柴油機(jī)高壓油泵和噴油器粘著磨損，增加噴嘴積碳，縮短機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起油泵漏油；較低粘度的燃油加劇了燃油供給泵、噴射泵和噴油器內(nèi)部泄露，影響燃油霧化質(zhì)量，降低了主機(jī)運(yùn)行功率。

2 LNG減排措施

LNG主要由甲烷構(gòu)成，不含硫和粉塵，其燃燒產(chǎn)物不含Sox和PM，在奧托循環(huán)主機(jī)中的燃燒溫度低，NOx排放相應(yīng)也低。船舶改用LNG后能夠顯著降低Sox、顆粒物等有害物質(zhì)的排放。

LNG燃料與傳統(tǒng)燃油相比，主要有以下優(yōu)勢(shì)：（1）儲(chǔ)量豐富（世界含量約為1.45×1014立方米）；（2）與低硫燃油相比，價(jià)格較低；（3）LNG較高的燃點(diǎn)（650攝氏度）和爆炸濃度（5%-15%），大大降低了船舶機(jī)艙火災(zāi)事故。

LNG作為船舶最潔凈環(huán)保的綠色能源，存在著如下缺點(diǎn)：

（1）船舶改造費(fèi)用昂貴：船舶改用LNG燃料后，須設(shè)置獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)艙室；LNG易燃易爆，當(dāng)以液態(tài)存在時(shí)，LNG管道須采用雙層殼，管道之間的環(huán)形空間需要被惰化或者通風(fēng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否泄漏，以滿(mǎn)足在高壓和低壓條件下正常工作；船舶改用LNG燃料后，須改變主機(jī)和燃料艙的設(shè)計(jì)布置，圓柱形壓力罐所需空間約為等量柴油機(jī)所需空間的3-4倍，特殊的儲(chǔ)氣罐和艙室結(jié)構(gòu)增加了LNG儲(chǔ)存的重量，約為船用柴油的1.5倍，使建造成本增加約8%-20%，同時(shí)維護(hù)成本也會(huì)隨之增加。除此之外，為了防止船舶碰撞造成天然氣泄漏，儲(chǔ)氣罐必須安裝在船舶首尾線(xiàn)上。

（2）加氣配套措施不足：目前，國(guó)內(nèi)港口LNG補(bǔ)給和儲(chǔ)存等設(shè)施覆蓋率較低，處于發(fā)展初期，且LNG管道為低溫管道，不易延展和伸縮，海水漲退潮給船舶加裝LNG燃料造成了困難，無(wú)法時(shí)刻有效滿(mǎn)足船舶的加氣需求。

（3）續(xù)航能力有限：一方面LNG燃料加裝港口覆蓋率低，另一方面LNG較大的儲(chǔ)罐體積達(dá)不到遠(yuǎn)洋航運(yùn)的要求，與使用MGO燃料相比，船舶續(xù)航能力有限。

（4）安全性：LNG是低溫的液化氣他，對(duì)船體會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的熱應(yīng)力，破壞了船體的延展性，增加了船體發(fā)生脆裂變形的危險(xiǎn)；LNG主要由烴類(lèi)物質(zhì)組成，具有毒性，如果不慎發(fā)生泄漏，將會(huì)使人知覺(jué)，甚至死亡。

3 廢氣洗滌減排措施

隨著燃油價(jià)格的不斷上漲，一方面船舶燃用低硫燃油對(duì)船舶動(dòng)力裝置的性能有影響，另一方面船舶改裝LNG混合動(dòng)力裝置需要高昂的費(fèi)用，且船舶靠港加裝LNG設(shè)施不完善，而廢氣洗滌裝置經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可靠，所以目前船舶廢氣脫硫技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的研究和應(yīng)用。脫硫洗滌裝置主要分為干法和濕法兩種。其中干法采用氫氧化鈣吸附尾氣中的SOx，形成硫酸鹽；濕法洗滌系統(tǒng)分為開(kāi)式、閉式、混合三種，主要以海水或堿性物質(zhì)為洗滌劑，利用堿酸化合反應(yīng)原理除去尾氣中的SOx。

3.1 成本分析

優(yōu)點(diǎn)：船舶在ECA航行時(shí)可以繼續(xù)使用HFO，與使用MGO相比，燃油成本顯著減小。雖然洗滌設(shè)備安裝初期費(fèi)用較高（300萬(wàn)-1000萬(wàn)美元），在同樣的減排效果下，與直接使用MGO相比，成本優(yōu)勢(shì)較為明顯。以一臺(tái)MAN 5G90ME柴油機(jī)為例，額定功率31200kW，實(shí)際工作26500kW，油耗為180.7（g/（kW·h）），每日耗油108.2t，按一年運(yùn)行260天計(jì)算，如果燃燒IFO，按照當(dāng)前油價(jià)410$/t，一年燃油費(fèi)用1153萬(wàn)美元，若改燒MGO，按照當(dāng)前MGO油價(jià)672$/t，一年燃油費(fèi)用為1887萬(wàn)美元，每年燃油費(fèi)用增加734萬(wàn)美元，不考慮MGO的價(jià)格升高，安裝廢棄洗滌裝置成本回收期不到一年。

3.2 對(duì)環(huán)境影響分析

船舶采用廢氣洗滌技術(shù)主要是將SOx吸附溶解，干法利用堿性物質(zhì)吸收SOx后，產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)影響，濕法采用海水吸收SOx，最終形成H2SO4，不能保證所有經(jīng)過(guò)洗滌器洗滌后的廢氣PM符合MARROL附則VI第14條：從洗滌器系統(tǒng)排放的廢氣中的PM水平應(yīng)接近于低硫酸水平。未達(dá)標(biāo)的處理污水直接排放會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成影響。

3.3 對(duì)船舶影響分析

船舶廢氣洗滌設(shè)備、廢氣旁通閥占用體積較大，因此是否有足夠空間布置安裝也是需要考慮的問(wèn)題。由于被洗滌的器件具有腐蝕性，所有這些設(shè)備必須使用高質(zhì)量的防腐材料制造。如果在機(jī)艙安裝閉式系統(tǒng)，不僅需要安裝相應(yīng)的冷卻、洗滌水系統(tǒng)以及給水和清潔系統(tǒng)，還需增加苛性堿和減震箱、殘?jiān)蛛x器和殘?jiān)鼉?chǔ)存柜。

4 岸電減排措施

船舶岸電系統(tǒng)是指船舶靠港后，停止使用船舶副機(jī)發(fā)電，轉(zhuǎn)而使用陸地電源向船載系統(tǒng)供電，保障船舶生產(chǎn)用電、生活用電、輔助機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)供電。船舶采用岸電后，可在不燃燒含硫燃油情況下保障船舶的正常運(yùn)行，有效的減少了尾氣排放對(duì)ECA區(qū)域的環(huán)境污染。為了加速推進(jìn)我國(guó)港口岸電設(shè)施的建造，我國(guó)交通運(yùn)輸部先后出臺(tái)了《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范 （JTS155—2012）》、《港口岸電布局方案》等指導(dǎo)性文件。加快了現(xiàn)有船舶改造岸電裝置速度，為ECA硫排放控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2016年7月全國(guó)規(guī)模以上港口具備向船舶提供岸電能力的生產(chǎn)性泊位共1278個(gè)，容量在200KVA以上的泊位共292個(gè)，其中沿海泊位133個(gè)、內(nèi)河159個(gè)，高壓29個(gè)、低壓263個(gè)。

作為節(jié)能減排、控制港口城市大氣污染的最有效手段之一的船舶岸電技術(shù)，主要有以下幾點(diǎn)挑戰(zhàn)：

（1）船岸并網(wǎng)技術(shù)不成熟。包括高功率電子變頻技術(shù)、岸電電壓穩(wěn)定、供電系統(tǒng)電制匹配、船電與岸電的無(wú)縫切換、電纜管理和快速鏈接。目前岸上供電設(shè)施和船舶受電設(shè)施間的帶載轉(zhuǎn)移技術(shù)仍需完善，部分船舶帶載轉(zhuǎn)移過(guò)程中可能會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)造成沖擊，威脅船舶電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并對(duì)船載精密儀器造成損害。

（2）配套制度不完善。港口岸電設(shè)施用電量大，港口企業(yè)在岸電系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中需要進(jìn)行電力增容時(shí)手續(xù)較為繁瑣，部分港口申請(qǐng)電力增容困難；國(guó)家尚未出臺(tái)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，港口無(wú)法直接向船舶收取電費(fèi)；岸電運(yùn)營(yíng)模式不規(guī)范，尚未對(duì)岸電操作流程和安全責(zé)任認(rèn)定等問(wèn)題進(jìn)行規(guī)范。

（3）缺少科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)。港口岸電工程主要依靠港口企業(yè)自發(fā)建設(shè)，短期難以形成規(guī)模，現(xiàn)有的港口岸電工程沒(méi)有全面覆蓋主要運(yùn)輸航線(xiàn)和船舶排放控制區(qū)。

5 四種減排措施比較

采用以上四種減排措施都能有效控制船舶低硫排放，滿(mǎn)足IMO法規(guī)，四種減排措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，技術(shù)對(duì)比如表1。

6 我國(guó)ECA硫排放控制狀況

針對(duì)日益嚴(yán)重的船舶尾氣污染狀況，中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，要求我國(guó)沿海重要區(qū)域設(shè)計(jì)船舶排放控制區(qū)以降低船舶尾氣對(duì)大氣的污染。交通運(yùn)輸部印發(fā)了《船舶與港口污染防治專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案 （2015-2020年） 》、《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海 （京津冀） 水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》（圖2）。規(guī)定：2018年1月1日后，船舶在駛?cè)胛覈?guó)長(zhǎng)三角排放控制區(qū)中的上海港、舟山港、蘇州港、南通港，環(huán)渤海海域中的秦皇島港、唐山港、天津港、黃驊港，珠三角水域中的廣州港、珠海港、深圳港期間須使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油；2019年1月1日后，船舶進(jìn)入上述排放控制區(qū)內(nèi)應(yīng)使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油。

7 我國(guó)沿海船舶概況

中國(guó)沿海船舶種類(lèi)復(fù)雜，從種類(lèi)上分為集裝箱船、散貨船、特種船、漁船等，其中長(zhǎng)江等內(nèi)河航道船舶呈現(xiàn)散、亂、差特征。我國(guó)沿海3個(gè)ECA控制區(qū)船舶大致可分為以下3類(lèi)：

（1）沿海小型船舶：小型船舶燃油艙數(shù)量少、艙體容積小，有專(zhuān)用低硫油艙可能性較小，即使加裝低硫MGO后也無(wú)法調(diào)駁，大多使用HFO，由于高昂的改造費(fèi)用，船東對(duì)這些小型船舶再進(jìn)行低硫油艙和管路改造的可能性也小。

（2）老舊船舶：老舊船舶由于機(jī)器磨損和相對(duì)落后的船舶建造技術(shù)，和現(xiàn)代智能船舶比較，消耗同量的燃料，由于燃燒不充分，輸出效率較低，且尾氣排放中SOx、NOx等有害物質(zhì)較多，考慮到經(jīng)濟(jì)回報(bào)率和折舊率，船東不會(huì)投入資金對(duì)老舊船舶進(jìn)行低硫油設(shè)備的改造。

（3）其余正常營(yíng)運(yùn)船舶：此類(lèi)船舶大多通過(guò)低硫油設(shè)備改造、安裝尾氣洗滌裝置、船舶岸電設(shè)備接入布置實(shí)現(xiàn)尾氣含硫量控制。

8 船舶低硫排放相關(guān)意見(jiàn)和建議

船舶營(yíng)運(yùn)成本關(guān)乎航運(yùn)企業(yè)未來(lái)，船舶燃用低硫燃油從根本上可減少尾氣硫含量，但是有限的石油含量、高昂的油價(jià)、日益嚴(yán)格的排放法規(guī)勢(shì)必會(huì)再一次對(duì)原本不景氣的航運(yùn)業(yè)造成沖擊。同時(shí)國(guó)際低硫燃油的品質(zhì)有待提高，據(jù)伍德麥肯茲公司的資料，增加一座渣油加氫裂化裝置的成本接近10億美元，而且整個(gè)過(guò)程可能長(zhǎng)達(dá)10年，高昂的技術(shù)改造資金和復(fù)雜的煉油加工工藝，使得目前大多數(shù)煉廠(chǎng)無(wú)法生產(chǎn)達(dá)標(biāo)的低硫油。LNG作為一種高效的綠色能源，其豐富的儲(chǔ)量和綠色燃燒產(chǎn)物一定會(huì)作為未來(lái)船舶的主要能源。其需要解決技術(shù)問(wèn)題、安全問(wèn)題、配套設(shè)施問(wèn)題，雖然目前船舶LNG技術(shù)發(fā)展迅速，但還處于發(fā)展期，并不適合全面用于控硫排放。船舶廢氣洗滌裝置雖然價(jià)格昂貴，回報(bào)期較長(zhǎng)，但隨著技術(shù)的不斷成熟，國(guó)家相關(guān)資金補(bǔ)助，相比于使用低硫燃油，不僅有效地控制了營(yíng)運(yùn)成本，還利于航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，有助于我國(guó)沿海船舶散、亂、差的治理。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)新造船舶都有岸電接入設(shè)備，營(yíng)運(yùn)船舶的70%實(shí)現(xiàn)了岸電接入設(shè)施改造，鑒于我國(guó)豐富的電能儲(chǔ)備和國(guó)家前期船舶岸電設(shè)施的鋪設(shè)準(zhǔn)備，隨著國(guó)家建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)政策的出臺(tái)，靠港船舶使用岸電率將會(huì)進(jìn)一步提高。鑒于以上分析，針對(duì)不同船舶提出如下建議：

（1）針對(duì)沿海小型船舶：由于其較低的油耗率和經(jīng)濟(jì)效益，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，宜采用低硫燃油的減排措施，系泊期間較低的電網(wǎng)負(fù)荷建議采用岸電降低硫排放。

（2）針對(duì)老舊船舶：柴油機(jī)排放污染較重，經(jīng)濟(jì)效益差，不適宜采用采取廢氣洗滌裝置等成本較高的減排措施，建議采用低硫燃油減排措施，并加快船舶的更新?lián)Q代。

（3）針對(duì)其它正常營(yíng)運(yùn)的船舶：考慮到加裝低硫燃油對(duì)船舶性能的影響和目前低硫油市場(chǎng)質(zhì)量問(wèn)題，與廢棄洗滌裝置綜合比較，其成本較高，建議采用燃燒重油+安裝廢棄洗滌減排措施。

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