引言

目前,柴油機仍然是船舶的主要動力源之一。柴油機工作過程中會產(chǎn)生NoC、soC、PM、Co2、Co、HC等污染物,這些污染物是導(dǎo)致霧霾、光化學(xué)煙霧、酸雨的主要原因,會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成巨大危害。為了控制船舶排放污染,國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)紛紛制定了嚴(yán)格的船舶排放控制法規(guī)。國際海事組織(InternationalMarineorganization,IMo）、歐洲、美國等走在世界前列,已陸續(xù)頒布了船舶柴油機排放控制法規(guī),對船舶污染物提出了嚴(yán)格的排放限值要求。我國也在加緊開展船舶排放污染控制工作,已發(fā)布首部關(guān)于船舶發(fā)動機排放控制的國家標(biāo)準(zhǔn)。但我國船舶排放污染治理工作起步較晚,目前仍處于起步階段,船舶排放控制任重道遠(yuǎn)。

本文將介紹我國船舶柴油機排放污染概況,解讀國內(nèi)外船舶柴油機排放控制法規(guī),分析我國船舶柴油機排放控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,闡述近年來在船舶污染排放控制方面的技術(shù)研發(fā)情況及其未來的發(fā)展方向。

1我國船舶排放污染概況

我國擁有豐富的沿海及內(nèi)河航運資源,是世界航運大國。據(jù)統(tǒng)計,全球十大集裝箱港口有7個位于我國,年吞吐量占全球近3成:沿海港口生產(chǎn)用碼頭泊位5675個,內(nèi)河港口生產(chǎn)用碼頭泊位26085個。2020年,全國港口累計完成貨物吞吐量高達145億t。

當(dāng)前,航運業(yè)發(fā)展帶來的大氣污染問題日益突出,船舶排放污染治理形勢日益嚴(yán)峻。船舶排放已成為我國沿江、沿海區(qū)域大氣污染的重要來源。2019年,船舶排放的NoC、PM和HC分別占非道路移動源大氣污染排放的28.2%、24.2%和19.8%。港口城市船舶排放污染尤為嚴(yán)重。以上海為例,2010年船舶排放污染對上海大氣污染物總量的貢獻主要集中在so2、NoC和PM10,分別達到12.4%、11.6%和5.6%。因此,船舶排放污染控制已成為我國大氣污染防治工作的重要組成部分。

2船舶排放法規(guī)

鑒于船舶排放污染的嚴(yán)峻形勢,國內(nèi)外紛紛制定了日益嚴(yán)格的船舶排放法規(guī)加以應(yīng)對,主要包括IMo國際航行船舶空氣污染排放的控制要求以及美國EPA(EnvironmentalProtectionAgency）船舶排放法規(guī)、歐盟法令、《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）》(GB15097—2016）等區(qū)域性船舶排放法規(guī)。目前,排放法規(guī)已成為船舶行業(yè)準(zhǔn)入和污染減排的重要依據(jù)。下面主要對IMo及我國船舶排放法規(guī)進行簡要介紹。

2.11Mo船舶排放法規(guī)

1995年9月,在倫敦召開的IMo第37次會議(IMoMEPC37）上,MARPoL73/78附則V(即《經(jīng)1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約》）"防止船舶造成大氣污染規(guī)則"被正式提出。

(1）IMo船舶排放控制區(qū)。

附則V的簽署國可以向IMo申請設(shè)立更為嚴(yán)格的"排放控制區(qū)"(EmiIIionControlArea,ECA）。目前IMo已批準(zhǔn)生效的船舶排放控制區(qū)共有4個,主要集中在歐美發(fā)達國家。

(2）NoC排放控制。

如圖1所示,NoC排放控制標(biāo)準(zhǔn)分為sierT、sierI、sierⅢ三個階段,分別于2000年、2011年、2016年實施。目前,排放控制區(qū)執(zhí)行sierⅢ限值,sierⅢ僅適用于2016年1月1日后的新造船,以完成龍骨鋪設(shè)為節(jié)點進行劃分。全球其他區(qū)域執(zhí)行sierⅡ限值。

(3）soC排放控制。

IMo主要通過燃油硫含量限值來控制soC排放,但也允許在燃用高硫油的情況下使用尾氣凈化裝置來滿足soC排放要求。soC排放控制標(biāo)準(zhǔn)分為3個階段實施。在排放控制區(qū)內(nèi)外實施不同的soC排放限值。目前,排放控制區(qū)內(nèi)的燃油硫含量限值為0.1%,全球其他區(qū)域自2020年1月1日起燃油硫含量限值為0.5%。

2.2我國船舶排放法規(guī)

(1）我國排放控制區(qū)。

2016年1月1日開始實施的《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》規(guī)定,我國的排放控制區(qū)范圍是珠三角、長三角及環(huán)渤海(京津冀）水域的內(nèi)河水域、沿海水域(12海里）及港口?，F(xiàn)階段,我國排放控制區(qū)主要控制s0X排放,要求燃油硫含量≤0.5%,但也允許采取連接岸電、使用清潔能源、尾氣后處理等與上述排放控制要求等效的替代措施。

圖11Mo船舶排放法規(guī)(Nox）

(2）我國首部船舶排放國家標(biāo)準(zhǔn)。

我國船舶發(fā)動機排放控制的國家標(biāo)準(zhǔn)《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）》(GB15097一2016）于2016年8月22日發(fā)布,2018年7月1日起開始實施[7]。

總體而言,雖然我國近年來加緊開展了船舶排放污染控制工作,目前已實施《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》,并且已發(fā)布首部關(guān)于船舶發(fā)動機排放控制的國家標(biāo)準(zhǔn),但是我國船舶排放污染治理工作目前仍處于起步階段,總體控制水平相對較低,主要表現(xiàn)在:船舶排放法規(guī)實施時間較晚,相對嚴(yán)格的控制法規(guī)剛剛實施或在未來幾年才會實施:船舶排放污染物控制種類少,目前已實施的法規(guī)僅控制N0X和s0X排放:排放限值標(biāo)準(zhǔn)低,船機限值明顯低于其他移動源排放限值,如車用柴油機:技術(shù)能力相對薄弱,我國船舶排放控制技術(shù)研究起始于近十幾年,技術(shù)開發(fā)及工程應(yīng)用經(jīng)驗積累較少。因此,我國船舶排放污染治理工作仍然任重道遠(yuǎn)。

3我國船舶排放控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

船舶排放控制技術(shù)根據(jù)其與發(fā)動機的關(guān)系,主要分為機前、機內(nèi)和機后控制。機前控制主要包括燃料凈化、清潔燃料替代等,機內(nèi)控制主要包括燃燒優(yōu)化、廢氣再循環(huán)(EGR）等,機后控制主要包括選擇性催化還原(sCR）、廢氣洗滌(EGC）、顆粒捕集(DPF）等。下面分別以N0X和s0X控制技術(shù)為例,簡要介紹目前我國船舶排放控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。

3.1NoX排放控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

(1）機前控制。

N0X排放機前控制的有效方法之一是使用清潔替代燃料。液化天然氣(LNG）是目前應(yīng)用最為廣泛的替代清潔燃料,使用LNG替代傳統(tǒng)柴油可大幅減少N0X排放。但目前我國LNG等清潔燃料供給覆蓋面較小,導(dǎo)致清潔燃料大范圍推廣使用受到限制。

(2）機內(nèi)控制。

廢氣再循環(huán)(EGR）技術(shù)是目前應(yīng)用較成熟的機內(nèi)控制手段,其工作過程是將燃燒后將排出的廢氣的一部分再次引入進氣,使其再度參與燃燒,從而達到降低N0X排放的目的。

(3）機后控制。

排氣污染物機后控制,即后處理技術(shù)是應(yīng)對日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)的重要途徑。sCR技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的船舶N0X排放后處理技術(shù)。

sCR技術(shù)的反應(yīng)溫度條件是實現(xiàn)N0X高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。對于船用中、高速柴油機,排氣溫度適中(300～400℃）,sCR反應(yīng)溫度條件較好,有利于船舶sCR技術(shù)開發(fā)。目前,我國船用中、高速柴油機sCR技術(shù)相對成熟。對于船用低速柴油機,渦輪增壓器后排氣出口處溫度較低(200～240℃）,sCR反應(yīng)溫度條件較差,導(dǎo)致船舶低壓sCR技術(shù)(sCR裝置布置在渦輪增壓器后）開發(fā)難度相對較大:若采用高壓sCR技術(shù)(sCR裝置布置在渦輪增壓器前）,由于渦輪增壓器前屬于機內(nèi)部分,在此增設(shè)sCR裝置必將受到國外主機制造商的限制。目前船用低速柴油機sCR的研發(fā)重點是突破低溫催化劑等關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)低速柴油機低壓sCR系統(tǒng)。近年來,七一一研究所成功開發(fā)了適用于低速柴油機的低溫sCR系統(tǒng),為低壓sCR技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3.2soX排放控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

由于s0X來源于燃油中含有的硫組分,與機內(nèi)關(guān)系不大,因此s0X控制方法主要是機前與機后控制。

(1）機前控制。

s0X機前控制的主要手段是使用低硫油。但是低硫油的價格遠(yuǎn)高于高硫油,使用成本極高。同時,低硫與高硫燃油切換系統(tǒng)涉及主機、輔機和鍋爐等裝置,需要對供油系統(tǒng)、燃燒裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等進行改造,也大大增加了船舶運營成本。此外,在2020年全球硫氧化物法規(guī)生效后,使用低硫油造成的柴油機缸套磨損等問題大量暴露出來,給船東的后續(xù)使用帶來了極大的困擾。

(2）機后控制。

廢氣洗滌(EGC）是目前船用領(lǐng)域最為成熟有效的s0X機后控制(后處理）技術(shù)。EGC脫硫以海水或堿液,如Na0H溶液、Mg(0H）2漿液作為吸收劑脫除廢氣中的s0X。目前業(yè)內(nèi)常見的海水噴淋濕式脫硫技術(shù)具有脫硫效率高,經(jīng)濟性好,無須對柴油機、供油系統(tǒng)進行改造等優(yōu)勢,因而被大量船東選用。

4結(jié)語

針對日趨嚴(yán)格的船舶排放法規(guī)要求以及我國船舶排放污染控制的迫切需求,本文從排放法規(guī)和技術(shù)研發(fā)等方面,簡要介紹了我國船舶排放污染概況,解讀了國內(nèi)外船舶排放控制法規(guī),詳細(xì)分析了我國船舶污染排放控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。