船舶排放控制法规解读及应对

引言

目前,柴油机仍然是船舶的主要动力源之一。柴油机工作过程中会产生NoC、soC、PM、Co2、Co、HC等污染物,这些污染物是导致雾霾、光化学烟雾、酸雨的主要原因,会对生态环境和人体健康造成巨大危害。为了控制船舶排放污染,国内外相关机构纷纷制定了严格的船舶排放控制法规。国际海事组织(InternationalMarineorganization,IMo）、欧洲、美国等走在世界前列,已陆续颁布了船舶柴油机排放控制法规,对船舶污染物提出了严格的排放限值要求。我国也在加紧开展船舶排放污染控制工作,已发布首部关于船舶发动机排放控制的国家标准。但我国船舶排放污染治理工作起步较晚,目前仍处于起步阶段,船舶排放控制任重道远。

本文将介绍我国船舶柴油机排放污染概况,解读国内外船舶柴油机排放控制法规,分析我国船舶柴油机排放控制技术发展现状及趋势,阐述近年来在船舶污染排放控制方面的技术研发情况及其未来的发展方向。

1我国船舶排放污染概况

我国拥有丰富的沿海及内河航运资源,是世界航运大国。据统计,全球十大集装箱港口有7个位于我国,年吞吐量占全球近3成:沿海港口生产用码头泊位5675个,内河港口生产用码头泊位26085个。2020年,全国港口累计完成货物吞吐量高达145亿t。

当前,航运业发展带来的大气污染问题日益突出,船舶排放污染治理形势日益严峻。船舶排放已成为我国沿江、沿海区域大气污染的重要来源。2019年,船舶排放的NoC、PM和HC分别占非道路移动源大气污染排放的28.2%、24.2%和19.8%。港口城市船舶排放污染尤为严重。以上海为例,2010年船舶排放污染对上海大气污染物总量的贡献主要集中在so2、NoC和PM10,分别达到12.4%、11.6%和5.6%。因此,船舶排放污染控制已成为我国大气污染防治工作的重要组成部分。

2船舶排放法规

鉴于船舶排放污染的严峻形势,国内外纷纷制定了日益严格的船舶排放法规加以应对,主要包括IMo国际航行船舶空气污染排放的控制要求以及美国EPA(EnvironmentalProtectionAgency）船舶排放法规、欧盟法令、《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段）》(GB15097—2016）等区域性船舶排放法规。目前,排放法规已成为船舶行业准入和污染减排的重要依据。下面主要对IMo及我国船舶排放法规进行简要介绍。

2.11Mo船舶排放法规

1995年9月,在伦敦召开的IMo第37次会议(IMoMEPC37）上,MARPoL73/78附则V(即《经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约》）"防止船舶造成大气污染规则"被正式提出。

(1）IMo船舶排放控制区。

附则V的签署国可以向IMo申请设立更为严格的"排放控制区"(EmiIIionControlArea,ECA）。目前IMo已批准生效的船舶排放控制区共有4个,主要集中在欧美发达国家。

(2）NoC排放控制。

如图1所示,NoC排放控制标准分为sierT、sierI、sierⅢ三个阶段,分别于2000年、2011年、2016年实施。目前,排放控制区执行sierⅢ限值,sierⅢ仅适用于2016年1月1日后的新造船,以完成龙骨铺设为节点进行划分。全球其他区域执行sierⅡ限值。

(3）soC排放控制。

IMo主要通过燃油硫含量限值来控制soC排放,但也允许在燃用高硫油的情况下使用尾气净化装置来满足soC排放要求。soC排放控制标准分为3个阶段实施。在排放控制区内外实施不同的soC排放限值。目前,排放控制区内的燃油硫含量限值为0.1%,全球其他区域自2020年1月1日起燃油硫含量限值为0.5%。

2.2我国船舶排放法规

(1）我国排放控制区。

2016年1月1日开始实施的《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》规定,我国的排放控制区范围是珠三角、长三角及环渤海(京津冀）水域的内河水域、沿海水域(12海里）及港口。现阶段,我国排放控制区主要控制s0X排放,要求燃油硫含量≤0.5%,但也允许采取连接岸电、使用清洁能源、尾气后处理等与上述排放控制要求等效的替代措施。

图11Mo船舶排放法规(Nox）

(2）我国首部船舶排放国家标准。

我国船舶发动机排放控制的国家标准《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段）》(GB15097一2016）于2016年8月22日发布,2018年7月1日起开始实施[7]。

总体而言,虽然我国近年来加紧开展了船舶排放污染控制工作,目前已实施《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》,并且已发布首部关于船舶发动机排放控制的国家标准,但是我国船舶排放污染治理工作目前仍处于起步阶段,总体控制水平相对较低,主要表现在:船舶排放法规实施时间较晚,相对严格的控制法规刚刚实施或在未来几年才会实施:船舶排放污染物控制种类少,目前已实施的法规仅控制N0X和s0X排放:排放限值标准低,船机限值明显低于其他移动源排放限值,如车用柴油机:技术能力相对薄弱,我国船舶排放控制技术研究起始于近十几年,技术开发及工程应用经验积累较少。因此,我国船舶排放污染治理工作仍然任重道远。

3我国船舶排放控制技术发展现状及趋势

船舶排放控制技术根据其与发动机的关系,主要分为机前、机内和机后控制。机前控制主要包括燃料净化、清洁燃料替代等,机内控制主要包括燃烧优化、废气再循环(EGR）等,机后控制主要包括选择性催化还原(sCR）、废气洗涤(EGC）、颗粒捕集(DPF）等。下面分别以N0X和s0X控制技术为例,简要介绍目前我国船舶排放控制技术的发展现状及趋势。

3.1NoX排放控制技术发展现状及趋势

(1）机前控制。

N0X排放机前控制的有效方法之一是使用清洁替代燃料。液化天然气(LNG）是目前应用最为广泛的替代清洁燃料,使用LNG替代传统柴油可大幅减少N0X排放。但目前我国LNG等清洁燃料供给覆盖面较小,导致清洁燃料大范围推广使用受到限制。

(2）机内控制。

废气再循环(EGR）技术是目前应用较成熟的机内控制手段,其工作过程是将燃烧后将排出的废气的一部分再次引入进气,使其再度参与燃烧,从而达到降低N0X排放的目的。

(3）机后控制。

排气污染物机后控制,即后处理技术是应对日益严苛的排放法规的重要途径。sCR技术是目前应用最广泛的船舶N0X排放后处理技术。

sCR技术的反应温度条件是实现N0X高效转化的关键。对于船用中、高速柴油机,排气温度适中(300～400℃）,sCR反应温度条件较好,有利于船舶sCR技术开发。目前,我国船用中、高速柴油机sCR技术相对成熟。对于船用低速柴油机,涡轮增压器后排气出口处温度较低(200～240℃）,sCR反应温度条件较差,导致船舶低压sCR技术(sCR装置布置在涡轮增压器后）开发难度相对较大:若采用高压sCR技术(sCR装置布置在涡轮增压器前）,由于涡轮增压器前属于机内部分,在此增设sCR装置必将受到国外主机制造商的限制。目前船用低速柴油机sCR的研发重点是突破低温催化剂等关键技术,开发低速柴油机低压sCR系统。近年来,七一一研究所成功开发了适用于低速柴油机的低温sCR系统,为低压sCR技术的推广应用奠定了坚实的基础。

3.2soX排放控制技术发展现状及趋势

由于s0X来源于燃油中含有的硫组分,与机内关系不大,因此s0X控制方法主要是机前与机后控制。

(1）机前控制。

s0X机前控制的主要手段是使用低硫油。但是低硫油的价格远高于高硫油,使用成本极高。同时,低硫与高硫燃油切换系统涉及主机、辅机和锅炉等装置,需要对供油系统、燃烧装置、监控系统等进行改造,也大大增加了船舶运营成本。此外,在2020年全球硫氧化物法规生效后,使用低硫油造成的柴油机缸套磨损等问题大量暴露出来,给船东的后续使用带来了极大的困扰。

(2）机后控制。

废气洗涤(EGC）是目前船用领域最为成熟有效的s0X机后控制(后处理）技术。EGC脱硫以海水或碱液,如Na0H溶液、Mg(0H）2浆液作为吸收剂脱除废气中的s0X。目前业内常见的海水喷淋湿式脱硫技术具有脱硫效率高,经济性好,无须对柴油机、供油系统进行改造等优势,因而被大量船东选用。

4结语

针对日趋严格的船舶排放法规要求以及我国船舶排放污染控制的迫切需求,本文从排放法规和技术研发等方面,简要介绍了我国船舶排放污染概况,解读了国内外船舶排放控制法规,详细分析了我国船舶污染排放控制技术研究现状及未来发展趋势。