船舶減排滿足IMO Tier Ⅲ法規的探討與實踐

王偉彬, 曹昌魁

(1.中遠海運特種運輸股份有限公司，廣州 510623；2.上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

船舶減排滿足IMOTierⅢ法規的探討與實踐

王偉彬1, 曹昌魁2

(1.中遠海運特種運輸股份有限公司，廣州 510623；2.上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

為滿足國際海事組織(International Maritime Organization,IMO) Tier Ⅲ排放標準，在新造船上開展降低NOx排放的技術研究已成為航運業的共識。探討國內船用柴油機滿足IMO Tier Ⅲ標準的最新NOx減排技術；綜合柴油機減排效果、減排技術的研究進展情況和減排技術經濟性等因素，對這些技術進行對比優選；介紹中遠海運集團應用這些優選技術的最新情況。相關分析對我國自主研發滿足IMO Tier Ⅲ排放標準的技術具有一定的指導作用。

船用柴油機；氮氧化物；IMO Tier Ⅲ；減排技術；選擇性催化還原

隨著航運業不斷發展，船用柴油機廢氣排放對環境的污染日益加劇。據統計，全球海運船舶每年的NOx排放量占全球每年總NOx排放量的18%～30%。[1]我國內河船舶每年的NOx和SOx的排放量高達100萬t。[2]當前，船用柴油機廢氣排放給內河和沿海港口帶來的大氣污染和溫室效應已引起世界各國的高度重視，越來越多的國家和相關組織開始對船用柴油機的NOx排放進行嚴格限制。

為限制船用柴油機的廢氣排放，世界各國紛紛制定排放標準，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在此基礎上提出《國際防止船舶造成污染公約》(《MARPOL 73/78》)附則VI，對船用柴油機尾氣排放中的NOx排放量給出明確的規定(見表1)。根據規定，對于2016 年1月1日及以后建造的船舶：若在排放控制區(Emission Control Area,ECA)內航行，則其NOx排放必須滿足IMO Tier Ⅲ標準的要求；若在ECA外航行，則其NOx排放必須滿足IMO TierⅡ標準的要求。IMO Tier Ⅲ標準對NOx排放的要求相當于在原IMO Tier I標準的基礎上削減80%的 NOx排放量(見圖1和表 1)。[3-4]IMO Tier Ⅲ標準的制定無疑對船用柴油機提出了更為嚴格的要求。對此，優選能降低NOx排放的高效、環保的技術，在新造船上開展相關滿足IMO Tier Ⅲ標準要求的實踐，已成為全球各船舶所有人的共識。

圖1 柴油機NOx排放量限制值和轉速

表1 IMO規定的NOx排放量適用范圍

1 船用柴油機減排技術

面對國際上越來越嚴格的船舶污染物排放標準，有必要加大研發力度，盡快找到滿足IMO Tier Ⅲ標準要求的船舶NOx減排技術。目前國內航行的船舶所使用的動力設備一般為柴油機，由于其在運行時產生的NOx是高溫條件下的空氣在氣缸內燃燒形成的產物，因此柴油機的性能直接與NOx等廢氣的排放量有關。為尋求合適的船舶減排技術，需首先了解國內船用柴油機的排放現狀。

1.1國內船舶柴油機排放現狀

根據相關文獻[5-6]，國內船舶采用的柴油機可分為以下2類：

1)引進MAN和W?RTSIL?等國外企業的技術許可生產的柴油機。該類柴油機采用兩級增壓技術結合選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)后處理技術及兩級增壓技術結合廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術等國外先進的減排技術。柴油機在燃油排放控制區內采用的燃料為MGO，在非排放控制區內采用的燃料為HFO。基于以上措施，該類柴油機NOx的排放基本上滿足國際公約的要求。

2)在引進國外相關技術的基礎上自主化生產的柴油機。參考大連海事大學排放測試中心對國內近150臺母型機(其生產商主要是占有較大市場份額的濰柴、淄柴和濟柴等，能反映國內航行船舶NOx的排放狀況)的NOx排放的測試，這些母型機對應1 220臺子機，其額定轉速為91～2 450 r/min，額定功率為130～18 860 kW。測試結果表明：轉速<300 r/min的低速柴油機和轉速>1 000 r/min的高速柴油機，其NOx的排放已滿足IMO Tier Ⅱ標準的要求；轉速在300～1 000 r/min的柴油機仍有部分不能滿足IMO Tier Ⅱ標準的要求。[2]

與國外船用柴油機NOx排放水平相比，國內自主生產的船用柴油機基本上能滿足IMO Tier I標準和IMO Tier Ⅱ標準的要求，但與IMO Tier Ⅲ標準相比仍有很大差距。因此，我國應加大柴油機的研發力度，盡早開發出滿足IMO Tier Ⅲ標準要求的產品。

1.2國內船舶柴油機減排技術

目前國內的柴油機減排技術可分為機前處理技術、機內處理技術和機后處理技術等3類[2]，具體減排技術見圖2。

圖2 船用柴油機減排技術

1.2.1機前處理技術

機前處理技術包括燃料凈化和燃料替代等技術，其中：燃料凈化技術可通過提高燃料的十六烷值達到降低NOx排放的目的，但其減排效果不明顯；燃料替代技術主要通過燃用清潔綠色燃料來降低NOx排放，其減排效果比較明顯。[1]

實踐證明，使用液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)等清潔燃料替代原船用燃油可有效控制NOx的排放量。LNG是世界上公認的清潔能源之一，不僅能減少NOx排放量，還可減少顆粒物排放。但是，受LNG燃料船技術改造成本較高、LNG加注基礎建設滯后和商業運作模式不成熟等因素影響，LNG作為船舶燃料應用有一定的限制。

1.2.2機內處理技術

機內處理技術包括燃燒優化、缸內加水和EGR等技術，主要通過降低燃燒溫度等措施抑制NOx的產生。[1]采用燃燒優化技術一般可降低10%～20%的NOx排放。[7]采用缸內加水技術所需成本較低，但氣缸內的水容易破壞氣缸潤滑油膜。EGR技術是將更多的O2轉化為CO2，從而降低燃燒溫度，使NO2排放量下降。

EGR是目前機內控制中較為高效的手段,相關技術在一定范圍內可有效降低NOx排放。

1.2.3機后處理技術

機后處理技術包括SCR技術、廢氣洗滌和催化氧化等技術，主要通過對已生成的廢氣進行催化還原來降低NOx的排放[7]，例如加裝SCR裝置。SCR技術是指在催化劑的作用下，通過還原劑NH3將NOx還原成無害的N2和水。SCR作為目前控制NOx排放的主流后處理技術，可實現NOx的高效轉化，最高轉化效率達95%以上。

2 船用柴油機減排技術優選

2.1不同船用柴油機減排效果對比

圖3為船用柴油機采用不同技術措施時的NOx減排效果[1-2]，其中：DF為雙燃料技術；EGR為廢棄再循環技術；HAM為進氣加濕技術；Internal為機內燃燒過程優化；SCR為選擇性還原技術；WFE為油水乳化技術。

圖3 柴油機采用不同技術措施時的NOx減排效果

由圖3可知：要滿足IMO TierⅡ標準的要求，可通過改善燃燒過程中的技術來實現。但是,要滿足IMO Tier Ⅲ標準的要求，須通過采取EGR技術、SCR技術及DF技術來實現，其他技術會因不滿足標準的要求而逐步被淘汰。

2.2不同柴油機減排技術研究進展對比

國外部分柴油機廠商很早就對SCR技術和EGR技術進行研究。早期的SCR技術和EGR技術在汽車上應用，NOx減排效果較好，后來被逐漸應用到船用柴油機上。與SCR技術和EGR技術相比，DF技術發展較晚，但發展潛力較大。

目前采用SCR技術的發動機廠商主要有瓦錫蘭集團、德國曼恩集團、戴姆勒—奔馳集團、日本三菱重工工業集團和日本三井集團等；采用EGR技術的發動機廠商主要有日本三菱集團、德國曼恩集團和瓦錫蘭集團等；采用DF技術的發動機廠商主要有瓦錫蘭集團、德國曼恩集團和卡特彼勒公司等。由此可見，目前大多數發動機廠商選擇對EGR技術、SCR技術和DF技術等3種技術進行研究。

2.3不同柴油機減排技術經濟性對比

SCR技術、EGR技術和DF技術的經濟性對比[2]見表2。

表2 不同柴油機減排技術經濟性對比

1)從安裝成本上看：應用DF技術的柴油機一般交替燃用柴油/重油和LNG，但在船上安裝LNG動力設備的初始投資要比安裝傳統的柴油機高約30%[8]；SCR設備的初裝成本為柴油機總成本的40%左右，且占用的空間較大，在船上安裝也需較高的投資[9]；采用EGR技術不需要對柴油機的燃燒室結構和噴油系統進行較大改動，在安裝成本和安裝空間上都更有優勢。

2)從運營成本上看：SCR系統可減少柴油機的燃油消耗量[10]，從而降低運營成本；由于LNG的價格遠低于燃油價格，因此采用DF技術可使運營成本降低25%左右；EGR技術對燃油和潤滑油的品質要求較高，且需較高的維護費用。因此，相比EGR技術，SCR技術和DF技術在運營成本上更有優勢。

3)從減排技術適用性上看：對于航程較短的船舶，雖然其運營成本不高，但采用SCR技術和DF技術的安裝成本都較高，因此EGR技術具有較強的適用性；而對于航程較長的船舶，采用SCR技術和DF技術相對比較經濟。

2.4船用柴油機減排技術優選

目前已有越來越多的柴油機廠商將研究重心轉移到SCR技術、EGR技術和DF技術上，并努力降低安裝和運營成本。這3種技術在匹配柴油機、船舶航行區域和燃油成本等方面各有優劣[2，8]，主要對比如下。

1)從匹配柴油機方面看，若要在柴油機上應用EGR 技術和DF技術，需對其進行一定的改造，因此這2種技術比較適合應用在國內具有自主知識產權或部分新建的柴油機上；與DF技術和EGR技術相比，SCR技術具有較強的耦合性。對于引進國外技術制造的柴油機，國內一般不具有自主設計權，因此采用DF技術和EGR技術較為困難，建議在這些柴油機上采用SCR技術。

2)從船舶航行區域方面看，相對于航程較長的遠洋船舶，內河流域的船舶一般具有功率小、航程短的特點，因此其采用 EGR技術帶來的燃油經濟性惡化基本上可忽略。此外，內河船舶發動機的功率較小，采用DF技術所需的改裝成本也相應較低。因此，內河船舶比較適合采用DF技術和EGR技術。但是，對于大功率、長航程的遠洋運輸船舶來說，考慮到EGR技術帶來的燃油經濟性變差及DF技術帶來的改裝成本變高，此類船舶更加適合采用SCR技術。

3)從船舶所用燃料方面看，目前船舶使用的燃料主要有LNG和柴油2類。當前國內船舶所用柴油的品質普遍不高，因此采用對燃油品質要求較高的EGR技術會導致船舶發動機燃油的經濟性變差。對于漁船及小型運輸船等功率較小的船舶來說，采用DF技術的改造成本雖比采用EGR技術的改造成本高，但其運營成本較低，綜合來看采用DF技術更為可行；對于功率較大的船舶來說，采用DF技術的改造成本較高，即使很低的運營成本也無法彌補該缺陷，因此采用EGR技術更為可行；對于功率超大的遠洋運輸船舶來說，LNG儲罐會占據很大的空間，導致運貨利潤下降，加上我國LNG加注基礎建設滯后、商業運作模式不成熟，這些船舶更加適合采用SCR技術。

總體來看，EGR技術、SCR技術及DF技術有著各自的特點和應用范圍。目前采用SCR技術是使遠洋船舶柴油機在排放控制區滿足IMO Tier III排放標準要求的較為成熟、經濟的解決方案。

3 船舶排放滿足IMO Tier Ⅲ要求的實踐

根據以上對不同船用柴油機減排技術的對比，中遠海運集團針對 NOx排放的限制要求，在載重量7 500 t新瀝青船的設計上采用SCR技術。該船主要采用某低壓SCR 系統(LP SCR)實現達標排放。該LP SCR產品主要由尿素水溶液儲罐、輸送裝置、計量裝置、噴射裝置、催化器及溫度和排水傳感器等組成，具有較高的靈活性、可靠性和成熟程度，不會影響柴油機原有的特性，其特點見表3。

載重量7 500 t瀝青船的主機采用的是MAN 6S35ME-C電噴柴油機，包含尿素的噴射控制、NOx傳感器控制等，相關的系統接口和供應部件也滿足特殊要求。該船的主機采用低溫催化劑+溫度補償單元輔助方案；3臺船舶副機采用中溫、高溫催化劑方案。

表3 LP SCR產品特點

試驗結果表明，該載重量7 500 t瀝青船采用的LP SCR產品可在滿足目標最大氨逃逸率限值的前提下使柴油機的NOx排放值由18.04 g/(kW·h)降低至2.68 g/(kW·h)，使NOx減排率達到80%以上。由此可知，該LP SCR產品完全滿足IMO Tier Ⅲ標準的排放限值要求。

4 結束語

IMO Tier Ⅲ標準的制定對船舶廢氣排放提出了更為嚴格的要求。優選能降低船舶NOx排放的技術已成為全球各大船舶所有人的共識。中遠海運集團的載重量7 500 t瀝青船采用LP SCR產品來滿足IMO Tier Ⅲ標準的要求，對航運界有較大影響。相關航運企業可參考該案例，配合海事主管部門、檢驗主管機關及造船廠、SCR設備廠等單位，實質性地推進我國航運業的綠色發展。

[1] 胡必柱.廢氣再循環對船用中速柴油機性能及排放的影響研究[D].北京：中國艦船研究院,2013.

[2] 吳哲，陳永艷，曹林．船用柴油機應對IMO Tier Ⅲ排放法規的路線選擇[J]．船舶工程，2015(8)：25-29．

[3] 魏永，廉寶剛，金賢，等．大型船舶NOx和SOx控制技術[J]．船舶工程，2013(S2)：151-155．[4] 羅嘯,劉赟.船舶柴油機SCR控制系統研究[J].柴油機，2013，35(1)：22-25.

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DiscussionandPracticeAboutShipEmissionReductiontoMeetIMOTierIIIEmissionRegulations

WANGWeibin1,CAOChangkui2

(1.COSCO SHIPPING Specialized Carriers Co.Ltd.，Guangzhou 510623,China; 2.State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology,Shanghai Ship and Shipping Research Insitute,Shanghai 200135,China)

It has become the consensus of the shipping industry to carry out technical research on reducing NOxemissions to meet the emission standards of International Maritime Organization(IMO) Tier III.The new technologies for meeting IMO Tier III emission regulations are summarized and compared in terms of maturity and economy with suggestions for selection.The latest developments of the technical practice in COSCO Shipping for IMO Tier III regulations are introduced.

marine diesel engine；nitrogen oxide；IMO Tier III；emissions reduction technology；SCR

U664.121；U692.1

A

2017-03-15

王偉彬(1963—),男，廣東澄海人，高級工程師，研究方向為船舶技術及應用。E-mail:wangwb@coscol.com.cn

1000-4653(2017)02-0108-04