控制船舶NOx排放措施
摘要：隨著航運業的不(bu)斷發(fa)展(zhan)，船(chuan)舶(bo)柴油機(ji)廢氣排放(fang)已日益引起人們(men)的重視，許多國(guo)(guo)家和(he)國(guo)(guo)際(ji)組織都在(zai)積極(ji)采取(qu)各種(zhong)有(you)效措(cuo)施，把限制(zhi)船(chuan)舶(bo)排放(fang)物對大氣的污染提到(dao)了(le)議(yi)事日程上。本文從立法、經(jing)濟、技(ji)術等幾(ji)方面(mian)介紹了(le)降低船(chuan)舶(bo)NOx排放(fang)的控制(zhi)措(cuo)施，并對我國(guo)(guo)應(ying)對NOx排放(fang)控制(zhi)提出(chu)了(le)相應(ying)的管理對策和(he)建議(yi)。
關鍵詞：船(chuan)舶(bo) NOx排放 控(kong)制措施
1. 前言
近年來，隨(sui)著(zhu)航(hang)運業的(de)(de)(de)(de)繁榮和發展，船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)大(da)氣排(pai)(pai)放(fang)(fang)污染問題也日(ri)益嚴重，其中(zhong)(zhong)船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)排(pai)(pai)放(fang)(fang)的(de)(de)(de)(de)有害廢氣主要有NOx、SOx、COx、VOC等，而NOx是船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)排(pai)(pai)放(fang)(fang)產(chan)物(wu)中(zhong)(zhong)對(dui)人(ren)類和環(huan)境危害最大(da)的(de)(de)(de)(de)。據挪威1998年向國際海(hai)(hai)事(shi)組織提(ti)供(gong)的(de)(de)(de)(de)資料表(biao)明，預計到2000年船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)年排(pai)(pai)放(fang)(fang)NOx達(da)602萬t，占(zhan)世界排(pai)(pai)放(fang)(fang)總量(liang)的(de)(de)(de)(de)7％；SOx達(da)634萬t，約占(zhan)世界排(pai)(pai)放(fang)(fang)總量(liang)的(de)(de)(de)(de)4％。船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)大(da)氣污染已(yi)經(jing)到了不容忽視的(de)(de)(de)(de)地步，特別是在港(gang)口、海(hai)(hai)峽和一些航(hang)線密(mi)集、船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)流(liu)量(liang)大(da)的(de)(de)(de)(de)海(hai)(hai)區，船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)排(pai)(pai)放(fang)(fang)的(de)(de)(de)(de)廢氣甚至(zhi)成(cheng)為該地區的(de)(de)(de)(de)主要污染源。所以(yi)對(dui)NOx排(pai)(pai)放(fang)(fang)的(de)(de)(de)(de)控制措施(shi)的(de)(de)(de)(de)研究，已(yi)成(cheng)為當今研究的(de)(de)(de)(de)熱點之一。
2. 控制船舶NOx排放的措施
2.1 立法措施(shi)
通過(guo)立法強制(zhi)性限(xian)(xian)(xian)制(zhi)船舶排(pai)放，并輔以有助(zhu)于法規(gui)有效實(shi)施(shi)的(de)(de)政策手段，無疑是最有力的(de)(de)措施(shi)。在(zai)這方面(mian)，無論在(zai)起(qi)動(dong)速(su)度(du)，還是在(zai)限(xian)(xian)(xian)制(zhi)廣度(du)和(he)嚴(yan)度(du)方面(mian)，歐美、日本等工業發達(da)國家走(zou)在(zai)了前面(mian)，并對國際性排(pai)放限(xian)(xian)(xian)制(zhi)法規(gui)的(de)(de)制(zhi)訂與實(shi)施(shi)起(qi)到牽引與推動(dong)作用。
2.1.1 國際海事組織
國際(ji)海事組織(IMO)在73/78防污公約(yue)（MARPOL）附則(ze)Ⅵ《防止船舶(bo)造成大氣(qi)污染規則(ze)》中(zhong)(zhong)規定：對(dui)于NOx，限制排(pai)放(fang)。2000年1月1日及以后(hou)建(jian)造的新船，低速機(n≤130r/min)為17.0g/kWh；中(zhong)(zhong)速機(130≤n≤2000r/min) 為45.9n(-0.2)g/kWh；高速機(n>2000r/min)為9.84g/kWh。
MEPC第57屆會議(yi)對NOx排(pai)放(fang)規則(ze)作了(le)最新修正，通過了(le)關(guan)于新主機(ji)（根據其安(an)裝(zhuang)日(ri)(ri)期(qi)）的(de)(de)更為(wei)嚴(yan)格的(de)(de)氮氧(yang)化物排(pai)放(fang)標(biao)準(zhun)修正案：第一(yi)層(ceng)次(ci)(ci)要求(qiu)(qiu)2000年(nian)(nian)1月1日(ri)(ri)及其以(yi)后至2011年(nian)(nian)1月1日(ri)(ri)以(yi)前安(an)裝(zhuang)的(de)(de)柴油(you)主機(ji)根據已生效的(de)(de)MARPOL附則(ze)Ⅵ適(shi)用17g/kWh的(de)(de)標(biao)準(zhun)；第二層(ceng)次(ci)(ci)要求(qiu)(qiu)2011年(nian)(nian)1月1日(ri)(ri)以(yi)后安(an)裝(zhuang)的(de)(de)柴油(you)主機(ji)的(de)(de)NOx排(pai)放(fang)標(biao)準(zhun)為(wei)14.4g/kWh；第三層(ceng)次(ci)(ci)要求(qiu)(qiu)當船舶航行于指定的(de)(de)排(pai)放(fang)控制區(qu)域內時(shi)，2016年(nian)(nian)1月1日(ri)(ri)以(yi)后安(an)裝(zhuang)的(de)(de)柴油(you)主機(ji)的(de)(de)NOx 排(pai)放(fang)標(biao)準(zhun)為(wei)3.4g/kWh；在排(pai)放(fang)控制區(qu)域外仍(reng)適(shi)用第二層(ceng)次(ci)(ci)的(de)(de)要求(qiu)(qiu)。
現有主(zhu)機(ji)(ji)：MEPC通過(guo)了有關1990年1月(yue)1日及其以(yi)后至2000年1月(yue)1日以(yi)前安(an)裝(zhuang)的(de)，輸出功(gong)率在5000kw以(yi)上且每一(yi)汽缸都(dou)在90升以(yi)上的(de)柴油主(zhu)機(ji)(ji)的(de)NOx排(pai)放限制標準為17.0g/kWh。
2.2 經濟措(cuo)施
2.2.1 美國
美國聯邦環(huan)保局制訂了減少(shao)船舶污染(ran)大氣的稅(shui)收政策，規定：
（1）從2001年起征(zheng)收(shou)NOx排(pai)放稅；
（2）每噸(dun)10000美元，依降低NOx排放(fang)的效果減收(shou)；所收(shou)稅(shui)金貼補采(cai)取(qu)降低污染措施而增加的費用。
2.2.2 瑞典
（1）對NOx排放稅是(shi)6$/kg, 99% 的收入(ru)在有用的能源輸出上重(zhong)新投資；
（2）瑞典海事管(guan)理局于1998年1月率(lv)先推出了(le)因環境而異的港(gang)口(kou)、(泊地內)航(hang)道稅(shui)收制，取消了(le)原(yuan)低額入(ru)港(gang)稅(shui)和以(yi)貨物重量為(wei)基礎的航(hang)道稅(shui)；
（3）實行具(ju)有刺激作(zuo)用(yong)的(de)(de)減稅(shui)政策。例如，NOx排放量在12-2g/kWh范圍內的(de)(de)船(chuan)(chuan)舶，其(qi)所繳納的(de)(de)稅(shui)金按(an)比例遞減，最多可(ke)以(yi)少繳Skr1.6/grt （1.6瑞典克朗/登記總(zong)噸位）。還(huan)有，2000年(nian)(nian)前5年(nian)(nian)時(shi)間里(li)新建或改裝船(chuan)(chuan)艇(ting)為降(jiang)低NOx排放而裝用(yong)催化轉換裝置（SCR）時(shi)，政府(fu)可(ke)另給予船(chuan)(chuan)東(dong)或使(shi)用(yong)者(zhe)(zhe)40%設(she)備購置、安(an)裝費的(de)(de)回(hui)扣(kou)(kou)(kou)（即打6折）或補(bu)貼，2000年(nian)(nian)以(yi)后(hou)(hou)逐步將回(hui)扣(kou)(kou)(kou)額度微調到30%。該政策規定，回(hui)扣(kou)(kou)(kou)的(de)(de)這部(bu)分款項必須從船(chuan)(chuan)舶繳納的(de)(de)入港稅(shui)中支出(chu)。據稱，這樣(yang)一種稅(shui)收、回(hui)扣(kou)(kou)(kou)政策，既不(bu)增(zeng)加政府(fu)收入，也不(bu)使(shi)航運業的(de)(de)整體(ti)費用(yong)提(ti)高，"惟肇污染者(zhe)(zhe)付錢(qian)"。瑞典政府(fu)推行這一財政支持機(ji)制后(hou)(hou)，已(yi)對(dui)1000多艘(sou)船(chuan)(chuan)的(de)(de)船(chuan)(chuan)東(dong)或使(shi)用(yong)者(zhe)(zhe)作(zuo)出(chu)使(shi)用(yong)低硫(liu)燃料、裝用(yong)SCR的(de)(de)承諾(nuo)，收到了積極效果。
2.2.3 其他(ta)發達國家(jia)
挪(nuo)威、德(de)國、丹(dan)麥、芬蘭和(he)法國等也正在或(huo)計劃構筑(zhu)類似的(de)排(pai)放稅框架，旨在通過(guo)進入港口國船(chuan)舶排(pai)放直(zhi)接(jie)與排(pai)放稅掛(gua)鉤（排(pai)放NOx和(he)SOx越(yue)多(duo)，繳納(na)入港稅或(huo)航(hang)道稅越(yue)高）的(de)辦法，凈化這些國家劃定的(de)“特別(bie)海區”。
2.3技術措施
船舶柴油機NOx排放的控制(zhi)措施(shi)大體可分為燃(ran)料(liao)預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)、工作(zuo)過(guo)程處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)和排氣(qi)后處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)三類。其中預處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)可分為：采用低氮(dan)燃(ran)油或甲烷(或LNG)等低氮(dan)燃(ran)料(liao)、燃(ran)油乳(ru)化等；過(guo)程處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)包(bao)括：廢(fei)氣(qi)再循環、噴油定時延(yan)遲、改(gai)變(bian)噴油器參數及燃(ran)油一水分層噴射(she)；后處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)包(bao)括：廢(fei)氣(qi)再燃(ran)燒處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)和催化還(huan)原法(fa)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)(li)。下面對(dui)目前船用柴油機常(chang)用的控制(zhi)NOx排放的措施(shi)加(jia)以重點說(shuo)明。
2.3.1 燃油乳化(hua)（Water-in-Fuel Emulsion）
燃(ran)油(you)(you)(you)乳(ru)化，是(shi)指燃(ran)油(you)(you)(you)在噴入氣缸(gang)前，在燃(ran)油(you)(you)(you)中混(hun)和(he)一定的(de)(de)水(shui)份，并在超(chao)聲波和(he)機械攪拌(ban)的(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下(xia)，將重油(you)(you)(you)乳(ru)化成為(wei)油(you)(you)(you)包水(shui)的(de)(de)油(you)(you)(you)滴(di)。噴入氣缸(gang)后由于水(shui)蒸汽的(de)(de)“微爆”作(zuo)用(yong)(yong)(yong)使油(you)(you)(you)滴(di)破碎成更細小的(de)(de)油(you)(you)(you)滴(di)，因而促進了(le)混(hun)合氣的(de)(de)形成和(he)燃(ran)燒。燃(ran)燒過程中，由于水(shui)的(de)(de)吸熱作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，可降(jiang)低(di)(di)最高燃(ran)燒溫度(du)，水(shui)與油(you)(you)(you)混(hun)合噴入還可以降(jiang)低(di)(di)燃(ran)油(you)(you)(you)密(mi)度(du)，使最高燃(ran)燒溫度(du)進一步降(jiang)低(di)(di)，從(cong)而減少柴(chai)油(you)(you)(you)機的(de)(de)NOx排放量(liang)。
2.3.2 優化(hua)柴油機結構參數(shu)和(he)運(yun)行參數(shu)
優化柴油機結構參數和運行參數，包括(kuo)：
（1）改(gai)善燃燒(shao)系統，如(ru)采用(yong)分隔(ge)式(shi)燃燒(shao)室(shi)、直(zhi)噴式(shi)加大(da)燃燒(shao)室(shi)直(zhi)徑、增(zeng)大(da)深比等；
（2）優化供給(gei)系統，如減小噴油(you)正時、提(ti)高噴油(you)速率等(deng)；
（3）改善進氣(qi)系統，如加強進氣(qi)漏(lou)流、增大充氣(qi)量等。
所(suo)有這(zhe)些措施，雖(sui)都能(neng)在一定程度(du)上(shang)降低NOx排放，但是效(xiao)果不明顯，使柴油機(ji)可靠性下(xia)降，并且帶來柴油機(ji)組件重新設計制(zhi)造的(de)麻煩(fan)。
2.3.3 濕空氣動力系統（HAM-Humid Air Motors）
濕空(kong)(kong)氣動力系統由(you)于采用另(ling)外的(de)設備來冷卻(que)進口空(kong)(kong)氣和增加其水蒸汽含量(liang)．使濕度(du)在(zai)大(da)氣中提高了幾倍(bei)．從而(er)使NOx的(de)降低量(liang)到達7O％左右．該裝置(zhi)可以(yi)取代(dai)增壓(ya)空(kong)(kong)氣冷卻(que)器(qi)(但應考慮與增壓(ya)器(qi)的(de)匹配問題)。另(ling)外．采用該方法(fa)的(de)同時還可以(yi)采用注(zhu)水法(fa)以(yi)加強降低NO 排(pai)放的(de)效果。
2.3.4 CASS技術（Combustion Air Saturation System）
它(ta)的實現方式，通常是在增壓器(qi)末端噴(pen)入高(gao)壓水(shui)，有時為了防(fang)止混(hun)合氣中水(shui)蒸汽再次凝(ning)結(jie)，需要(yao)提高(gao)空冷器(qi)的溫(wen)度。跟(gen)其他降(jiang)低(di)NOx排放措施(shi)相(xiang)比，降(jiang)低(di)NO 能力(li)的較強(qiang)，達到50％～60％ ，并且不(bu)(bu)會影響(xiang)燃油消(xiao)耗率；可降(jiang)低(di)柴油機的熱負荷，提高(gao)柴油機的潔(jie)凈性；系統結(jie)構簡單(dan)、成本低(di)、不(bu)(bu)增加燃油消(xiao)耗率；必要(yao)時可屏蔽掉噴(pen)水(shui)系統，而(er)不(bu)(bu)影響(xiang)柴油機的正常運轉。
2.3.5 DWI技術 (Direct Water Injection)
實現方式(shi)是通過(guo)組合的(de)(de)噴油器將水(shui)(shui)和燃(ran)油噴入燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)，實現水(shui)(shui)與燃(ran)燒(shao)混(hun)合氣的(de)(de)混(hun)合。如果需(xu)要也(ye)可(ke)以(yi)在不(bu)影響柴(chai)油機工作的(de)(de)情況下屏蔽掉噴水(shui)(shui)系統。DWI技術能降低NOx排放(fang)50％ ～60％；可(ke)降低柴(chai)油機的(de)(de)熱負荷(he)，并(bing)提高柴(chai)油機運行的(de)(de)清潔性；消(xiao)耗淡(dan)水(shui)(shui)量較少(shao)。但是，DWI技術會(hui)導(dao)致(zhi)燃(ran)油消(xiao)耗率略有提高;燃(ran)燒(shao)含硫量較高的(de)(de)燃(ran)油時(shi)需(xu)考慮燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)材料和采用(yong)特殊的(de)(de)噴嘴。
2.3.6選擇性催(cui)化還原法(fa)（SCR-Selective Catalytic Reduction）
用(yong)氨(an)做還(huan)(huan)原(yuan)劑對(dui)含(han)NOx的(de)氣(qi)體進行催化(hua)還(huan)(huan)原(yuan)處理，使氨(an)能有選(xuan)擇(ze)地與氣(qi)體中的(de)NOx進行反(fan)(fan)應(ying)，而(er)不與氧(yang)發生反(fan)(fan)應(ying)，稱為(wei)選(xuan)擇(ze)性(xing)催化(hua)還(huan)(huan)原(yuan)法(fa)。選(xuan)擇(ze)性(xing)催化(hua)還(huan)(huan)原(yuan)法(fa)來降低廢(fei)氣(qi)中的(de)NOx，是利用(yong)廢(fei)氣(qi)在(zai)通過一層特(te)殊的(de)催化(hua)劑之前與氨(an)相結合，溫度為(wei)300～400℃，使NOx還(huan)(huan)原(yuan)為(wei)N2和H2O。
選(xuan)擇性(xing)催化還(huan)原系統(tong)利用選(xuan)擇性(xing)催化還(huan)原技(ji)術(shu)對柴(chai)油機的(de)廢氣(qi)作后處理(li)可除(chu)去(qu)高(gao)達90％的(de)NOx，部分(fen)煙氣(qi)和碳氫化合物亦會被SCR中(zhong)的(de)反應器的(de)氧化作用除(chu)去(qu)。因此(ci)SCR技(ji)術(shu)能夠(gou)較好(hao)的(de)滿足一些航區對NOx排放控制較嚴的(de)要求。
各技術措(cuo)施性能列表
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注：部分(fen)數(shu)據來(lai)源于MEPC 56/4/7，The need to reduce emissions of nitrogen oxide from existing engines。
控制柴油(you)機(ji)廢氣排(pai)(pai)放技(ji)術(shu)的(de)種(zhong)類很多(duo)，影響(xiang)柴油(you)機(ji)動(dong)力性、經濟性的(de)程度也(ye)各不相同，單純某一種(zhong)降低NOx排(pai)(pai)放的(de)措(cuo)施，不能(neng)滿足排(pai)(pai)放法規越(yue)來越(yue)苛刻的(de)要求，綜合利用機(ji)內、機(ji)外的(de)幾種(zhong)控制排(pai)(pai)放措(cuo)施，是發展的(de)必然(ran)趨勢(shi)。
3. 中國應對NOx排放控制對策建議
3.1實施(shi)日趨(qu)嚴格(ge)的(de)NOx排放標準
從美、日(ri)、歐等西方發達(da)國(guo)(guo)(guo)家控制NOX排(pai)放的經(jing)驗(yan)表明，制定并(bing)實施日(ri)趨嚴格(ge)的NOX排(pai)放標準(zhun)是(shi)控制NOX排(pai)放量的根(gen)本手段。加(jia)(jia)強我國(guo)(guo)(guo)船(chuan)(chuan)舶污(wu)染(ran)防治(zhi)(zhi)立(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa),建立(li)(li)(li)和(he)完善(shan)我國(guo)(guo)(guo)的海洋環(huan)境(jing)(jing)法(fa)(fa)(fa)體(ti)系。在加(jia)(jia)強國(guo)(guo)(guo)內船(chuan)(chuan)舶污(wu)染(ran)防治(zhi)(zhi)立(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa)的同時, 學習和(he)借鑒(jian)外(wai)國(guo)(guo)(guo)船(chuan)(chuan)舶污(wu)染(ran)防治(zhi)(zhi)立(li)(li)(li)法(fa)(fa)(fa)的先進經(jing)驗(yan)和(he)行之有效(xiao)的管理辦法(fa)(fa)(fa),采用各國(guo)(guo)(guo)通行的船(chuan)(chuan)舶污(wu)染(ran)防治(zhi)(zhi)和(he)海洋環(huan)境(jing)(jing)保(bao)護制度與(yu)措施，并(bing)根(gen)據實際需要,盡可能地(di)參加(jia)(jia)有關公約，應盡力與(yu)國(guo)(guo)(guo)際接軌，將國(guo)(guo)(guo)際公約具體(ti)化、國(guo)(guo)(guo)內化。
3.2加強NOx排放控(kong)制(zhi)技術的研(yan)究開發(fa)與推(tui)廣(guang)應用
目前，我國低NOx燃燒控制(zhi)(zhi)技(ji)術水平(ping)與(yu)發(fa)達(da)國家尚有(you)很大差距(ju)。國家應集中組織各大生產廠家、大專院(yuan)校、船(chuan)級社跟蹤先(xian)進技(ji)術，主(zhu)動參與(yu)與(yu)改造現有(you)船(chuan)舶(bo)，加(jia)大對(dui)NOx排放(fang)控制(zhi)(zhi)技(ji)術的研發(fa)力度，并制(zhi)(zhi)定相關(guan)配(pei)套(tao)措施促進各種NOx排放(fang)控制(zhi)(zhi)技(ji)術的推(tui)廣(guang)應用，降低NOx排放(fang)水平(ping)。
3.3強(qiang)化對船舶NOx排放源的(de)監督管理
海(hai)事(shi)主管機關(guan)作為海(hai)上防治(zhi)船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)污染的主管機關(guan)，無論從環境保護(hu)的角度出發還是從履行國(guo)際公約的角度出發，都有責任和義務(wu)對(dui)船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)排放(fang)NOx實(shi)施源頭(tou)管理，加(jia)強對(dui)船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)污染情況(kuang)的監(jian)督(du)檢查。通(tong)過港口國(guo)監(jian)督(du)檢查等(deng)行政手段，嚴(yan)格控制到(dao)港的外國(guo)籍船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)，必要時對(dui)帶來嚴(yan)重污染的船(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)，采取處(chu)罰措施，，努力將海(hai)域污染降到(dao)最低限度。
4. 結語
綜上所述(shu)，國際上控(kong)制NOx排放(fang)的(de)措施(shi)已(yi)經有很多，MARPOL73/78附則VI也已(yi)在我(wo)國生效。針對(dui)中國船舶NOx排放(fang)現狀(zhuang)及我(wo)國經濟、技術發展水平，尚面(mian)臨諸多緊迫(po)問(wen)題(ti)。必須深入研究，早做(zuo)準(zhun)備，參照美、日、歐等發達國家經驗，采取(qu)積極的(de)應對(dui)措施(shi)，樹立海事主(zhu)管機關履約地位，維護(hu)我(wo)國航運(yun)公司利益(yi)和(he)航運(yun)大國形(xing)象。
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