船舶發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣NOX和SOX控制技術(shù)研究現(xiàn)狀淺析

武文濤 蔡云凱

（1. 安徽省高等級(jí)公路工程監(jiān)理有限公司 合肥 237000； 2.武漢理工大學(xué) 船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430070）

0 引 言

遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸作為三大運(yùn)輸體系之一，具有運(yùn)輸成本低、運(yùn)輸量大和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在全球貨物運(yùn)輸中承擔(dān)著90%以上的運(yùn)輸任務(wù)。遠(yuǎn)洋船舶主要使用柴油機(jī)作為其動(dòng)力來(lái)源，這些柴油機(jī)使用廉價(jià)的重油作為燃料，降低了航運(yùn)成本，但同時(shí)其尾氣中NO和SO等也造成了嚴(yán)重的大氣污染。

長(zhǎng)期吸入NO會(huì)對(duì)人體內(nèi)臟（心、肝、腎等器官和造血組織）的功能造成嚴(yán)重傷害，甚至?xí){人的生命安全；SO則會(huì)對(duì)人的口鼻黏膜造成很強(qiáng)的刺激性，并引發(fā)呼吸道相關(guān)疾病。此外，NO和SO也是造成光化學(xué)煙霧、霧霾和酸雨等有害天氣的重要因素之一。

為了控制船舶柴油機(jī)尾氣污染、減少船舶大氣污染物的排放，國(guó)際海事組織（international maritime organization，IMO）修訂了MARPOL 73/78公約附則VI，從法規(guī)層面嚴(yán)格限制船舶柴油機(jī)尾氣中NO及SO的排放。

近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)制定了船舶大氣污染物控制的相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，先后印發(fā)了《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案（2015—2020年）》、《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》以及《船舶排放控制區(qū)調(diào)整方案》，提出了船舶與港口大氣污染治理的總體目標(biāo)、具體目標(biāo)和技術(shù)措施等。總之，國(guó)際和國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)從法規(guī)層面上對(duì)船舶排放控制愈加嚴(yán)苛，亟需開(kāi)展船舶尾氣排放進(jìn)行治理。

1 尾氣脫硫脫硝技術(shù)后處理研究現(xiàn)狀

目前，船舶尾氣SO控制方法主要有3種：使用低硫燃油、使用其他替代燃料和使用排氣后處理裝置。其中，濕法煙氣脫硫（wet flue gas desulfurization，WFGD）適用于舊船改裝，應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)MARPOL公約，從2020年1月1日起，在全球范圍限硫令生效的情況下，船東對(duì)于安裝脫硫塔的興趣越來(lái)越大。對(duì)于SO的脫除，WFGD系統(tǒng)可以達(dá)到較高的脫除效率（95%以上）；而對(duì)于NO的脫除，濕法洗滌的脫除效果很差（低于20%），原因在于船舶柴油機(jī)尾氣中90%以上的NO是NO，而NO在水中溶解度很小且不與堿液反應(yīng)。

控制NO排放的技術(shù)路徑可以分為：從生成機(jī)理上控制NO生成的機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)以及在尾氣中對(duì)NO處理的排氣后處理技術(shù)。機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)是指通過(guò)各種途徑（如優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、噴油策略等）以優(yōu)化其缸內(nèi)的燃料分布均勻性和燃燒溫度等，最終從源頭上降低NO生成的技術(shù)，主要有高壓共軌、缸內(nèi)噴水、油水乳化和廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）等技術(shù)。在眾多NO排氣后處理技術(shù)中，選擇性催化還原法（selective catalyst reduction，SCR）是去除NO的主流方法，脫硝效率可達(dá)90%以上，應(yīng)用廣泛且技術(shù)也較為成熟。SCR系統(tǒng)的工作原理是向排氣中噴射添藍(lán)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%尿素水溶液），其受熱分解生成的NH作為還原劑與NO反應(yīng)，最終生成無(wú)害的N和HO。圖1顯示了SCR系統(tǒng)的組成及其工作原理。

圖1 SCR系統(tǒng)的組成及其工作原理

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的SCR系統(tǒng)，根據(jù)SCR的布置形式，可以分為渦輪后布置的低壓-SCR系統(tǒng)以及渦輪前布置的高壓-SCR系統(tǒng)，其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 船用發(fā)動(dòng)機(jī)低壓-SCR系統(tǒng)與高壓-SCR系統(tǒng)示意圖

渦輪后布置低壓-SCR系統(tǒng)對(duì)渦輪增壓器的影響較小，在中高速船舶柴油機(jī)上應(yīng)用廣泛。低速船舶柴油機(jī)的低排氣溫度限制了低壓-SCR系統(tǒng)的脫硝效率。為提高排氣溫度，需要在其排氣系統(tǒng)中安裝廢氣加熱裝置。高壓-SCR系統(tǒng)安裝于柴油機(jī)渦輪增壓器之前，可以提高SCR反應(yīng)溫度，主要應(yīng)用于燃用重油的低速柴油機(jī)。高壓-SCR系統(tǒng)對(duì)廢氣熱量利用率高，但對(duì)渦輪增壓器的性能影響較大。

此外，實(shí)船試驗(yàn)及應(yīng)用中仍存在硫酸腐蝕、鹽類(lèi)堵塞以及切換延遲等運(yùn)行問(wèn)題。

對(duì)于燃用重油的船舶，其燃油平均硫含量約為2.6%，為了同時(shí)控制NO及SO排放，將SCR技術(shù)與WFGD聯(lián)用，主要存在圖3所示的2個(gè)問(wèn)題。

圖3 SCR與WFGD系統(tǒng)聯(lián)用存在的問(wèn)題

（1）先脫硝再脫硫在低排溫高硫分的船機(jī)排氣氛圍中，SO與NH容易形成亞硫酸銨和硫酸銨，會(huì)粘結(jié)排氣中的灰分，覆蓋在SCR催化劑表面的活性位，導(dǎo)致脫硝效率降低。因此，IMO建議SCR技術(shù)的應(yīng)用以船舶燃油硫含量＜0.1%作為前提條件。

（2）為避免上述情況發(fā)生，可將SCR置于濕法脫硫之后。但經(jīng)過(guò)洗滌后的尾氣溫度低于100 ℃，釩基催化劑的最佳活性溫度窗口為300 ～ 400 ℃，銅基等低溫催化劑的活性溫度窗口為200 ～ 360 ℃，洗滌后尾氣溫度難以達(dá)到SCR催化劑的最佳活性溫度窗口，尾氣脫硝受到限制。

因此，研究適合船舶應(yīng)用條件的脫硫脫硝一體化技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。

與煙氣脫硫技術(shù)類(lèi)似，脫硫脫硝一體化技術(shù)也可以分為干法和濕法。現(xiàn)階段船舶濕法脫硫技術(shù)效果較好，技術(shù)成熟度高且已經(jīng)取得商業(yè)化應(yīng)用。因此，濕法脫硫脫硝技術(shù)易與現(xiàn)有脫硫洗滌塔集成，從而減少整個(gè)系統(tǒng)的投資和占地空間，是未來(lái)船舶廢氣綜合處理技術(shù)的重要發(fā)展方向。目前，船舶濕法脫硫脫硝一體化技術(shù)有絡(luò)合吸收法、氧化吸收法、電解海水法和低溫等離子體結(jié)合濕法洗滌等。

1.1 絡(luò)合吸收法

絡(luò)合吸收法的工作原理是通過(guò)在洗滌液中添加能與NO發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的絡(luò)合劑，從而使洗滌液對(duì)NO的溶解度增加，從而促進(jìn)脫除NO，最終使?jié)穹摿蛳到y(tǒng)可以同時(shí)完成脫硫和脫硝。目前，絡(luò)合吸收法脫硫脫硝中研究較多的絡(luò)合劑主要有亞鐵類(lèi)絡(luò)合劑和鈷類(lèi)絡(luò)合劑。

亞鐵類(lèi)絡(luò)合劑中，乙二胺四乙酸合鐵Fe（Ⅱ）EDTA具有絡(luò)合吸收能力強(qiáng)、吸收速率快以及廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)，在濕法絡(luò)合脫硫脫硝領(lǐng)域得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛研究。但是，在煙氣富氧條件下（氧氣含量5%～15%），F(xiàn)e（Ⅱ）EDTA很容易被氧化為Fe（Ⅲ）EDTA，而Fe（Ⅲ）EDTA卻沒(méi)有絡(luò)合NO的能力。因此，在脫硝過(guò)程中，一方面Fe（Ⅱ）EDTA與NO發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成Fe（Ⅱ）EDTA-NO；另一方面，F(xiàn)e（Ⅱ）EDTA不斷被O氧化，生成Fe（Ⅲ）EDTA，導(dǎo)致絡(luò)合劑失效。所以，若不補(bǔ)充新的Fe（Ⅱ）EDTA，洗滌液很難長(zhǎng)時(shí)間維持較高的脫硝效率。如何能高效、低成本地再生Fe（Ⅱ）EDTA絡(luò)合劑，是此研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題。

鈷類(lèi)絡(luò)合劑中研究較多的主要為六氨合鈷（Co（NH））。Co（NH）不僅能絡(luò)合吸收NO，而且能與O反應(yīng)并生成具有強(qiáng)氧化性配合物，將吸收液中的NO氧化成NO；繼而，NO與氨水反應(yīng)，生成相應(yīng)的銨鹽（NHNO和NHNO）, 從而同時(shí)氧化和吸收NO。在氧化NO時(shí)，Co（NH）會(huì)被氧化成Co（NH），而 Co（NH）不能活化分子氧，使催化氧化NO能力下降。為了保持鈷氨溶液吸收NO的能力，需將Co（NH）還原成Co（NH）。

目前，雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下研發(fā)了很多脫硝效率較高的絡(luò)合劑，但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，絡(luò)合吸收的脫硝效率僅能達(dá)到10%～60%。絡(luò)合吸收劑易被氧化失效、再生困難且效率低，這些都是絡(luò)合吸收法在工業(yè)應(yīng)用前亟須解決的問(wèn)題。

1.2 氧化吸收法

濕法洗滌技術(shù)具有很高的脫硫效率，但是脫硝效率很低。這是因?yàn)榕艢庵蠳O主要以NO形式存在（占比95%以上），而NO很難溶于水，且不與堿液反應(yīng)。NO容易被堿液脫除，因此，將NO氧化為NO是一種提高濕法洗滌系統(tǒng)脫硝效率的有效途徑。按照氧化劑的狀態(tài)，細(xì)化吸收法具體可以分為液相氧化吸收法和氣相氧化-液相吸收法。

液相氧化吸收法是一種通過(guò)在洗滌液中添加氧化劑（高鐵酸鹽、KMnO、HO、NaClO、NaClO和NaClO等）與煙氣中的NO進(jìn)行氧化反應(yīng)，將NO氧化成易于吸收的NO，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硫脫硝的方法。液相氧化吸收的一個(gè)研究重點(diǎn)是氧化脫硝藥劑的選取, 目前NaClO是最有效的脫硝藥劑。

氣相氧化-液相吸收法是利用O、O、Cl和ClO等氣相氧化劑，在氣相中將NO氧化為NO，使得WFGD系統(tǒng)可同時(shí)脫除NO。較常見(jiàn)的有O氧化結(jié)合濕法洗滌技術(shù)，可在完成脫硫的同時(shí)，達(dá)到85%～90%的脫硝效率。但是，制備O的設(shè)備投資及運(yùn)行成本高，使O氧化技術(shù)的推廣應(yīng)用受到制約。也有研究采用ClO作為氧化劑，雖然ClO對(duì)NO有著極高的氧化效率（NO的氧化度可達(dá)100%），但同時(shí)也是一種危險(xiǎn)的化學(xué)藥劑，具有強(qiáng)烈腐蝕作用，使接觸它的設(shè)備需要進(jìn)行防腐處理，因此限制了ClO推廣應(yīng)用。使用強(qiáng)氧化劑氧化，可以達(dá)到很高的NO氧化效率，結(jié)合濕法洗滌可有效脫除NO，但是這種方法會(huì)消耗大量氧化劑，成本較高，同時(shí)氧化劑泄露會(huì)造成二次污染。

鑒于廢氣中本身含有大量O，為了降低運(yùn)行成本、減少反應(yīng)時(shí)間和氧化裝置的體積，有研究者提出可利用催化劑促進(jìn)O對(duì)NO的氧化效率，催化劑的性能是其中的關(guān)鍵。現(xiàn)有文獻(xiàn)中研究較多的催化劑主要有金屬氧化物和貴金屬催化劑。但此類(lèi)催化劑的活性溫度較高（300～400 ℃），且抗硫性差，所以不適合在船舶尾氣低溫高硫的條件下工作。

1.3 電解海水法

遠(yuǎn)洋船舶航行途中，海水是一種取之不盡的資源。季向赟提出一種利用電解海水完成船舶尾氣脫硫脫硝的技術(shù)路線。電解海水法是基于隔膜電解技術(shù)對(duì)海水改性，電解槽陽(yáng)極產(chǎn)生的酸性水具有強(qiáng)氧化性，可將船舶廢氣中的NO氧化；電解槽陰極產(chǎn)生具有強(qiáng)堿性的溶液，可與SO和NO發(fā)生中和反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硫脫硝，見(jiàn)圖4。

圖4 隔膜電解海水模塊示意圖

實(shí)驗(yàn)室條件下，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)98%以上的脫硫效率以及50%～80%的脫硝效率。但是，天然海水中存在很多雜質(zhì)，而離子交換膜對(duì)水質(zhì)要求較高，故這種技術(shù)在實(shí)船應(yīng)用時(shí)，需要在電解前設(shè)置海水凈化裝置，這使系統(tǒng)投資成本較高。開(kāi)發(fā)適合海水水質(zhì)條件的離子交換膜是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

于景奇提出了一種無(wú)隔膜電解海水的煙氣脫硫脫硝方法，規(guī)避了離子交換膜對(duì)水質(zhì)的苛刻要求。這種方法的基本原理是以電解液中的余氯為氧化劑，結(jié)合濕法噴淋洗滌塔完成船舶尾氣的脫硫脫硝，試驗(yàn)室條件下可實(shí)現(xiàn)98%以上的脫硫效率，58%的脫硝效率。為進(jìn)一步提高電解海水法的脫硝效率，楊少龍將紫外光（UV）輻照與電解海水相結(jié)合進(jìn)行脫硝試驗(yàn)，基于紫外-鼓泡光催化反應(yīng)器，初步研究UV輻照對(duì)電解海水脫硝性能的影響規(guī)律，并探討相關(guān)反應(yīng)機(jī)理。試驗(yàn)室條件下,脫硝效率可達(dá)到80%左右。但目前UV輻照能耗較高（0.047 W/cm），有待于進(jìn)一步研究。

1.4 低溫等離子體濕法洗滌脫硫脫硝一體化技術(shù)

低溫等離子體（non-thermal plasma，NTP）氧化結(jié)合濕法洗滌技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型脫硫脫硝一體化技術(shù)，具有反應(yīng)速率快、脫除效率高、占地面積小、可在低排氣溫度運(yùn)行及投資和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為脫硫脫硝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

等離子體的產(chǎn)生方式主要有3種：電子束（electron beam，EB）、電暈放電（corona discharge，CD）和介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）。等離子體技術(shù)基本原理是通過(guò)強(qiáng)電場(chǎng)使電子在電場(chǎng)中移動(dòng)，從而獲得能量；繼而電子與氣體分子發(fā)生碰撞和能量交換，使氣體分子（如O和HO）發(fā)生電離、激發(fā)和解離反應(yīng)，產(chǎn)生的O、OH和HO等氧化性自由基與煙氣中的SO和NO發(fā)生氧化反應(yīng)，生成SO、NO、HSO和HNO等易溶于水的物質(zhì)；最后，在等離子體反應(yīng)器后利用堿性溶液對(duì)尾氣進(jìn)行濕法洗滌，完成NO及SO的最終脫除。

電子束（EB）、電暈放電（CD）和介質(zhì)阻擋放電（DBD）3種低溫等離子體技術(shù)中，EB法需要大容量的電子加速器，具有功率大、耗電高、價(jià)格昂貴且需要X射線防護(hù)設(shè)備等特點(diǎn)，限制了其推廣應(yīng)用；CD法屬于局部非均勻放電，放電空間帶電粒子密度較小，主要集中在電極尖端，擴(kuò)散性較差且電子能量較低,多數(shù)能量消耗在較大放電空間內(nèi)的N激勵(lì)上，能量利用率低，在工業(yè)化應(yīng)用中受到了限制；DBD反應(yīng)器的電極之間由于存在至少一層絕緣介質(zhì)，使放電電流增長(zhǎng)會(huì)受到抑制，從而能夠防止氣體放電模式由較均勻的類(lèi)輝光放電模式向火花放電和弧光放電轉(zhuǎn)化，故DBD法可在較大的氣壓（10～1 000 kPa）和放電頻率（50 Hz～1 MHz）范圍內(nèi)，以穩(wěn)定、均勻的放電模式運(yùn)行，因而容易進(jìn)行工業(yè)化放大，處理大流量煙氣，是當(dāng)前最有工業(yè)應(yīng)用前景的一種低溫等離子體技術(shù)。但是，低溫等離子體需要額外提供電能，如何優(yōu)化電源參數(shù)和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗、提高低溫等離子體脫硫脫硝效率，是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖5 各種等離子體放電脫硫脫硝原理示意圖

2 基于代用燃料或者燃料電池的新能源綠色船舶技術(shù)

2.1 代用燃料

目前，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)低硫代用燃料主要有液化天然氣（LNG）、甲醇（CHOH）、乙醇（CHOH）、氫氣（H）和氨氣（NH）等。

LNG是一種清潔低碳的替代燃料，幾乎不會(huì)產(chǎn)生SO排放，同時(shí)可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中85%以上的PM排放，因而備受關(guān)注。但舊船想要使用LNG，則需要對(duì)船舶現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃料存儲(chǔ)、供給系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改裝，不僅改造周期長(zhǎng)，且面臨LNG燃料加注問(wèn)題及船舶續(xù)航能力問(wèn)題。因此，目前使用LNG作為燃料的船舶多為在北歐等ECA區(qū)域內(nèi)短途航行或者不航行的渡輪以及FPSO等海工船舶，而其他航線的船舶使用LNG作為燃料的主動(dòng)性并不是很強(qiáng)。

甲醇不含硫，不會(huì)產(chǎn)生SO排放，可以滿足IMO和國(guó)內(nèi)的排放控制區(qū)對(duì)于SO排放的要求；同時(shí)，甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放較低，結(jié)合油水乳化以及EGR技術(shù)，可以滿足IMO Tier Ⅲ對(duì)NO排放的要求。相比于LNG，甲醇作為船舶代用燃料的優(yōu)勢(shì)在于存儲(chǔ)方便（不需要絕熱和低溫存儲(chǔ)），并且燃料艙的制造和運(yùn)營(yíng)成本更低；而且甲醇屬于可再生能源，來(lái)源廣泛，煤炭、天然氣、焦?fàn)t氣和生物質(zhì)等都可以用來(lái)制取甲醇。此外，在全球減碳背景下，H（可由電解水、光解水產(chǎn)生）與CO在一定溫度和壓力下合成甲醇，是一種具有前景的碳捕捉、利用和存儲(chǔ)技術(shù)（carbon capture, utilization and storage，CCUS）。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外可再生甲醇合成技術(shù)發(fā)展迅速。位于冰島的碳循環(huán)公司利用地?zé)崮苌a(chǎn)甲醇，成為全球首個(gè)用CO工業(yè)化生產(chǎn)甲醇的企業(yè)。Mar Pérez-Fortes等通過(guò)光化學(xué)合成甲醇，綜合效率達(dá)到7.1%，超過(guò)光合作用的效率。我國(guó)低溫合成甲醇以及CO加氫制備技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步。原機(jī)械工業(yè)部部長(zhǎng)何光遠(yuǎn)認(rèn)為，我國(guó)甲醇生產(chǎn)在原料和生產(chǎn)技術(shù)方面都不存在短板，在可再生甲醇的合成生產(chǎn)方面處于國(guó)際先進(jìn)水平，提議將甲醇作為新興能源納入國(guó)家能源體系。因此，甲醇燃料的推廣使用有利于我國(guó)“雙碳戰(zhàn)略”（碳達(dá)峰、碳中和）的達(dá)成，是最有前景的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料之一。

國(guó)際上，MAN公司于2013年7月初步完成了船用甲醇低速機(jī)的研發(fā)，這標(biāo)志著甲醇燃料開(kāi)始真正進(jìn)入船用低速機(jī)領(lǐng)域，該發(fā)動(dòng)機(jī)系列型號(hào)為ME-LGI。2015年，瑞典的Stena Germanica號(hào)客滾渡船在波蘭Remontowa造船廠經(jīng)改裝后成為全球首艘甲醇動(dòng)力渡輪，如圖6所示。

圖6 全球首艘甲醇動(dòng)力渡輪Stena Germanica號(hào)

2016年，Waterfront Shipping 公司租用了7艘裝備MAN公司ME-LGIM（液態(tài)噴射甲醇）二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醇運(yùn)輸船。截止2021年，MAN公司已為業(yè)界提供了超過(guò)20臺(tái)ME-LGIM甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，全球最大的航運(yùn)公司馬士基集團(tuán)宣布將于2023年啟用以甲醇為燃料的支線集裝箱船舶。在國(guó)內(nèi)，2021年天津大學(xué)的姚春德等在高速船用柴油機(jī)上進(jìn)行了柴油/甲醇組合燃燒（diesel/methanol compound combustion，DMCC）的研究，主要工況的甲醇對(duì)柴油的替代率都超過(guò)40%，為甲醇燃料在船舶上的應(yīng)用提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。甲醇燃料面臨的挑戰(zhàn)主要有閃點(diǎn)低、汽化潛熱大、熱值低、自點(diǎn)火性能差和汽化溫度低等，在大型低速二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用還有待深入研究。此外，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中，醇醛類(lèi)非常規(guī)排放問(wèn)題也需要考慮。

氫氣是一種綠色、零碳燃料，燃燒后不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，其推廣使用對(duì)于我國(guó)“雙碳戰(zhàn)略”以及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。船用氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)具備高效、高功率密度、可靠和長(zhǎng)里程等優(yōu)勢(shì)，是目前最現(xiàn)實(shí)可行的無(wú)碳船舶動(dòng)力之一。但是，氫發(fā)動(dòng)機(jī)在大缸徑船舶發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用面臨“異常燃燒”的問(wèn)題難以解決。此外，氫氣的安全存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。

氨氣作為一種氫能載體，其存儲(chǔ)和運(yùn)輸簡(jiǎn)單，合成工藝成熟，燃燒后產(chǎn)物為水和氮?dú)猓邢Ｍ蔀槲磥?lái)綠色船舶代用燃料。為開(kāi)發(fā)一種用于海運(yùn)的二沖程氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，丹麥創(chuàng)新基金（Innovation Fund Denmark）機(jī)構(gòu)聯(lián)合了MAN Energy Solutions公司、丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）和挪威德國(guó)船級(jí)社（DNVGL），計(jì)劃在2024年完成船用氨發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)；瓦錫蘭公司也計(jì)劃于2023年推出純氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。氨氣燃燒速率較低，發(fā)動(dòng)機(jī)直接使用純氨燃料時(shí)，熱效率較低。為改善氨發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，通常需要與其他燃料進(jìn)行摻燒，而針對(duì)氨發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒優(yōu)化（摻燒比例、燃燒室設(shè)計(jì)和氨燃料噴射方式等）是必須要考慮的問(wèn)題。此外，氨燃料動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)需解決氨儲(chǔ)存、供給系統(tǒng)在船舶上的布置問(wèn)題，且需妥善處置使用氨燃料時(shí)的氨泄漏/逃逸及由此引起的火災(zāi)/爆炸等安全問(wèn)題。

總之，代用燃料在氣缸內(nèi)的燃燒過(guò)程是劇烈的放熱過(guò)程，不可避免會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，燃料的不完全燃燒也會(huì)造成二次污染等問(wèn)題。

2.2 燃料電池

燃料電池可以將燃料中的能量直接轉(zhuǎn)化為電能，且能避免燃料燃燒過(guò)程中造成空氣污染，是一種零排放、低噪聲的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)化效率高（60%～80%），約為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的2倍，被認(rèn)為是蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第3代動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)解決“能源”與“環(huán)保”這兩大世界難題以及人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

歐美國(guó)家對(duì)于船舶燃料電池系統(tǒng)的研究及應(yīng)用更早。2003年，挪威開(kāi)發(fā)的Viking Lady平臺(tái)供應(yīng)船成為世界首艘商業(yè)運(yùn)營(yíng)的安裝燃料電池的混合動(dòng)力船舶。2018年7月，美國(guó)在舊金山灣區(qū)開(kāi)工建造了首艘氫燃料電池客船Water-Go-Round號(hào)，如圖7所示。

圖7 美國(guó)氫燃料電池客船Water-Go-Round號(hào)

國(guó)內(nèi)燃料電池船舶目前仍基本處在理論研究階段，工程化應(yīng)用較少。2005年，上海海事大學(xué)研制了可搭載2人的天翔1號(hào)氫燃料電池試驗(yàn)船。2019年，中船集團(tuán)的500千瓦級(jí)氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案獲得中國(guó)船級(jí)社（CCS）原理認(rèn)可（AIP）證書(shū)，該船將用于廣東省“綠色珠江”專項(xiàng)工程。但是，氫燃料電池在推廣應(yīng)用過(guò)程中仍面臨著建造成本高昂、加氫站基礎(chǔ)設(shè)施缺乏、安全性以及使用壽命有待提升等諸多問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)了目前船舶尾氣脫硫脫硝的主要控制技術(shù)，并對(duì)各技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及其不足進(jìn)行了分析：

（1）基于尾氣后處理系統(tǒng)的脫硫脫硝一體化技術(shù)，允許船舶繼續(xù)燃用廉價(jià)重油，且對(duì)船舶改動(dòng)較少，適合舊船改裝，可使船舶在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)滿足排放法規(guī)限值，是船舶排放控制的短期處理方案。但是，尾氣后處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本和二次污染等是其應(yīng)用過(guò)程需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

（2）在船舶污染物排放控制法規(guī)限值以及全球減碳的大背景下，雖然基于可再生能源及零碳燃料的船舶代用燃料和燃料電池的綠色船舶技術(shù)依然面臨建造成本高、燃料供給系統(tǒng)不完善以及安全性等問(wèn)題亟待解決，但依然是未來(lái)船舶污染物控制、降低溫室氣體排放的最理想解決方案。