船舶廢氣中NOx排放量核算方法及減排措施

董世培 喬建哲 壽幼平

摘要：指出了船舶大氣污染物中以NO_x控制難度最大，重點針對船舶廢氣中NO_x發生量核算方法和減排措施進行了分析總結，為控制港口氮氧化物提供量化依據，并對未來船舶廢氣中NO_x減排措施主要方向給出了建議。

關鍵詞：船舶;氮氧化物;排放量;減排措施

中圖分類號：U698

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0064-02

1引言

氮氧化物（NO_x）主要包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、一氧化二氮（N₂O）、三氧化二氮（N₂O₃）、四氧化二氮（N₂O₄）和五氧化二氮（N₂O₅）等。其中以NO₂化學性質最為穩定，其他NO_x在一定條件下極容易形成NO₂。NO_x對人的影響主要是刺激呼吸系統，容易造成呼吸系統疾病。同時，氮氧化物也是形成光化學煙霧和酸雨的主要物質。

地球表面積的70%由海洋覆蓋，全球外貿運輸的90%靠船舶運輸來完成。水路運輸為世界經濟的發展和人類社會的繁榮進步做出了巨大的貢獻。但同時，水路運輸業為化石燃料消費的重點行業。隨著經濟全球化的不斷深化，世界范圍內的船舶運輸數量不斷增長，船舶廢氣對大氣環境造成的污染日趨嚴重。目前，船用燃料主要為柴油，船舶尾氣中的污染物以SO₂和NO₂為主，通過采用低硫燃料可以顯著改善SO₂的排放量，但是對NO₂排放量的控制并沒有效果。相關統計數據顯示，船舶尾氣中NO₂年排放量約占全球排放總量的15%。

自2006年8月23日，《1973年國際防止船舶造成污染公約的1978年議定書》附則VI，即《防止船舶造成空氣污染規則》正式對我國生效以來，船舶大氣污染防治工作逐漸受到重視。

根據國務院2013年9月印發的《大氣污染防治行動計劃》，以及交通運輸部于2015年12月出臺的《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》，針對港口船舶廢氣的管控開始制度化和精細化。因此，研究適用于不用區域、不同類型的船舶廢氣NO_x排放量核算方法，采取適用性最好的NO_x減排措施，對丁保障城市NO_x排放管控具有重要的現實意義。

本文將重點針對船舶廢氣中NO_x發生量核算方法和減排措施進行分析總結，為控制港口NO_x提供量化依據。

2船舶廢氣中NO_x排放量核算方法

2.1經驗核算法

根據不同船型發動機功率和單位時間內發動機耗油量，計算出單位時間內該船型總的耗油量，對照《環境保護實用數據手冊》，燃燒1 m³柴油其排放的NO_x量為2.8 kg的經驗數據，計算特定船型單位時間內NOx排放量。該計算方法主要的參數見表1。

這種方法適用于單一船型排放NO_x的核算，但是對于船舶類型較多的綜合性港口NO_x年均排放量的核算適用性較差。

2.2基于燃由消耗量的模型計算法

2006年IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）國家溫室氣體清單指南推薦采用的溫室氣體排放估算公式可表達為：

式（1）中：E為排放量，FC為燃料消耗量，t;EF為排放因子，kg/t -燃料;a為燃料類型;m為發動機類型;k為廢氣成分。

基于上述模型計算方法，IPCC指南給出了兩種測算方法（Tierl和Tier2），兩個方法均是基于燃料消耗量和排放因子。Tier1可不考慮公式中的參數m。該方法中燃料消耗量和排放因子均來源于燃油類型。Tier2除了考慮燃料消耗量之外，還需要考慮燃油類型、船舶類型、發動機類型以及所在國的排放控制因子等因素。

上述方法中，燃料消耗量數據是根據燃料銷售商的銷售數據得到的，準確性取決于所獲得的一年中全國水運行業各類型燃油量是否準確。

2.3基于船舶載重量的類比核算法

這種方法是參照計算汽車、火車等采用內燃機移動發生源產生的NO_x排放量，將運輸工具的單位重量（一般以t計）每公里NO_x排放量按照一定的換算系數而算定的方法，其單位重量每公里NO_x排放量計算用以下公示求出：

T_kml=a·E_km（2）

式（2）中：T_kml為單位載重量每公里污染物排放量，a為換算系數，E_km為單位載重量每公里消耗的燃油量。

該方法中燃油消耗量可通過各船舶燃油消耗記錄或得，相對來說獲取難度較低，這種方法適合特定船型運輸過程中NO_x排放量的核算。

3船舶廢氣中NO_x減排措施分析

3.1源頭控制措施

目前，罔內主要的船舶動力均采用柴油機，使用的燃料多以船用柴油為主。船舶廢氣中NO_x主要是柴油燃燒產生的，提高燃油品質可小件NO_x產生量。如燃料巾十六烷值的含量對柴油機的NOx排放有著相當大的影響，提高燃料中十六烷值比重，可以降低燃油的自燃溫度，縮短滯燃期，降低氣缸內的溫度和壓力，從而減少NO_x的排放。采用LNG、乙醇等燃料來取代柴油或者與柴油混合使用，也可以減少NO_x的排放。目前，這種方法主要的不足之處是新型燃料相對傳統船用柴油的成本要高，并且采用新型燃料并沒有根本上解決船舶廢氣中NO_x排放的問題。

3.2采用新型動力系統

船舶停港期間，主要靠副機工作保證船舶的運行，在此期間，其燃油消耗率為200 g/kW·h左右。目前，美國等國家部分港口采用的岸電代替船舶副主機工作的方式，可使船舶在港期間廢氣排放降低95%以上。目前，我國的連云港港、天津港等部分沿海港口已經逐步開展了岸電改造試點工作，并已投入使用。

采用岸電系統替代船舶副機工作雖然減排效果明顯，但是由丁目前岸電系統沒有統一的規范和標準，不同類型、不同噸級的船舶對電壓、頻率等供電要求存在較大差異，使得港口大范圍建設和使用岸電系統存在較大的不確定性。因此，針對岸電系統相應的規范、標準的制定和實施是船舶岸電技術在港口全面展開的前提。

3.3終端控制措施

終端控制措施主要是借鑒陸上的燃油電廠廢氣排放控制措施中的脫硝系統，在船舶廢氣排放終端通過催化氧化裝置，將船舶廢氣中NO_x處理后再排放的方法。

20世紀70年代中期，選擇性非催化還原法（ SNCR）脫硝技術首先應用于日本的燃氣和燃油電廠。該技術是通過向高溫煙氣中噴射還原劑，將NO_x還原成氮氣和水，SNCR技術能夠使NO_x排放量降低30%～50%。

20世紀70年代末，日本首先提出了選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術，SCR技術是以氨類物質為還原劑，在催化劑的作用下，將尾氣中的NO_x還原為氮氣和水。SCR技術雖然在發電廠燃煤鍋爐尾氣處理中得到廣泛應用，但是其設備成本高，低溫催化劑性質不穩定等問題，制約了該技術在船舶尾氣中NO_x治理方面的應用。因此，如何提高低溫催化劑的穩定性，降低設備成本是未來船用SCR技術的研究方向。

4結論

通過分析三種船舶廢氣中NO_x發生量核算的方法可知，對于港口船舶廢氣NO_x的核算，需要根據不同的管理要求選用最優的核算方法，在核算參數不夠完整的情況卜，可同時采用上述三種方法進行校核對比。對于船舶廢氣中NO_x的排放控制措施是未來港口大氣治理的重點。長期來看，在船用燃料和動力類型沒有根本改變的情況下，加裝船舶尾氣處理裝置是最為現實有效的方法，隨著船舶廢氣終端處理技術的不斷進步，船舶廢氣中NO_x的排放能夠得到有效管控。