船舶减排满足IMO Tier Ⅲ法规的探讨与实践

王伟彬, 曹昌魁

(1.中远海运特种运输股份有限公司，广州 510623；2.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

船舶减排满足IMOTierⅢ法规的探讨与实践

王伟彬1, 曹昌魁2

(1.中远海运特种运输股份有限公司，广州 510623；2.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

为满足国际海事组织(International Maritime Organization,IMO) Tier Ⅲ排放标准，在新造船上开展降低NOx排放的技术研究已成为航运业的共识。探讨国内船用柴油机满足IMO Tier Ⅲ标准的最新NOx减排技术；综合柴油机减排效果、减排技术的研究进展情况和减排技术经济性等因素，对这些技术进行对比优选；介绍中远海运集团应用这些优选技术的最新情况。相关分析对我国自主研发满足IMO Tier Ⅲ排放标准的技术具有一定的指导作用。

船用柴油机；氮氧化物；IMO Tier Ⅲ；减排技术；选择性催化还原

随着航运业不断发展，船用柴油机废气排放对环境的污染日益加剧。据统计，全球海运船舶每年的NOx排放量占全球每年总NOx排放量的18%～30%。[1]我国内河船舶每年的NOx和SOx的排放量高达100万t。[2]当前，船用柴油机废气排放给内河和沿海港口带来的大气污染和温室效应已引起世界各国的高度重视，越来越多的国家和相关组织开始对船用柴油机的NOx排放进行严格限制。

为限制船用柴油机的废气排放，世界各国纷纷制定排放标准，国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)在此基础上提出《国际防止船舶造成污染公约》(《MARPOL 73/78》)附则VI，对船用柴油机尾气排放中的NOx排放量给出明确的规定(见表1)。根据规定，对于2016 年1月1日及以后建造的船舶：若在排放控制区(Emission Control Area,ECA)内航行，则其NOx排放必须满足IMO Tier Ⅲ标准的要求；若在ECA外航行，则其NOx排放必须满足IMO TierⅡ标准的要求。IMO Tier Ⅲ标准对NOx排放的要求相当于在原IMO Tier I标准的基础上削减80%的 NOx排放量(见图1和表 1)。[3-4]IMO Tier Ⅲ标准的制定无疑对船用柴油机提出了更为严格的要求。对此，优选能降低NOx排放的高效、环保的技术，在新造船上开展相关满足IMO Tier Ⅲ标准要求的实践，已成为全球各船舶所有人的共识。

图1 柴油机NOx排放量限制值和转速

表1 IMO规定的NOx排放量适用范围

1 船用柴油机减排技术

面对国际上越来越严格的船舶污染物排放标准，有必要加大研发力度，尽快找到满足IMO Tier Ⅲ标准要求的船舶NOx减排技术。目前国内航行的船舶所使用的动力设备一般为柴油机，由于其在运行时产生的NOx是高温条件下的空气在气缸内燃烧形成的产物，因此柴油机的性能直接与NOx等废气的排放量有关。为寻求合适的船舶减排技术，需首先了解国内船用柴油机的排放现状。

1.1国内船舶柴油机排放现状

根据相关文献[5-6]，国内船舶采用的柴油机可分为以下2类：

1)引进MAN和WäRTSILä等国外企业的技术许可生产的柴油机。该类柴油机采用两级增压技术结合选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)后处理技术及两级增压技术结合废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技术等国外先进的减排技术。柴油机在燃油排放控制区内采用的燃料为MGO，在非排放控制区内采用的燃料为HFO。基于以上措施，该类柴油机NOx的排放基本上满足国际公约的要求。

2)在引进国外相关技术的基础上自主化生产的柴油机。参考大连海事大学排放测试中心对国内近150台母型机(其生产商主要是占有较大市场份额的潍柴、淄柴和济柴等，能反映国内航行船舶NOx的排放状况)的NOx排放的测试，这些母型机对应1 220台子机，其额定转速为91～2 450 r/min，额定功率为130～18 860 kW。测试结果表明：转速<300 r/min的低速柴油机和转速>1 000 r/min的高速柴油机，其NOx的排放已满足IMO Tier Ⅱ标准的要求；转速在300～1 000 r/min的柴油机仍有部分不能满足IMO Tier Ⅱ标准的要求。[2]

与国外船用柴油机NOx排放水平相比，国内自主生产的船用柴油机基本上能满足IMO Tier I标准和IMO Tier Ⅱ标准的要求，但与IMO Tier Ⅲ标准相比仍有很大差距。因此，我国应加大柴油机的研发力度，尽早开发出满足IMO Tier Ⅲ标准要求的产品。

1.2国内船舶柴油机减排技术

目前国内的柴油机减排技术可分为机前处理技术、机内处理技术和机后处理技术等3类[2]，具体减排技术见图2。

图2 船用柴油机减排技术

1.2.1机前处理技术

机前处理技术包括燃料净化和燃料替代等技术，其中：燃料净化技术可通过提高燃料的十六烷值达到降低NOx排放的目的，但其减排效果不明显；燃料替代技术主要通过燃用清洁绿色燃料来降低NOx排放，其减排效果比较明显。[1]

实践证明，使用液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)等清洁燃料替代原船用燃油可有效控制NOx的排放量。LNG是世界上公认的清洁能源之一，不仅能减少NOx排放量，还可减少颗粒物排放。但是，受LNG燃料船技术改造成本较高、LNG加注基础建设滞后和商业运作模式不成熟等因素影响，LNG作为船舶燃料应用有一定的限制。

1.2.2机内处理技术

机内处理技术包括燃烧优化、缸内加水和EGR等技术，主要通过降低燃烧温度等措施抑制NOx的产生。[1]采用燃烧优化技术一般可降低10%～20%的NOx排放。[7]采用缸內加水技术所需成本较低，但气缸内的水容易破坏气缸润滑油膜。EGR技术是将更多的O2转化为CO2，从而降低燃烧温度，使NO2排放量下降。

EGR是目前机内控制中较为高效的手段,相关技术在一定范围内可有效降低NOx排放。

1.2.3机后处理技术

机后处理技术包括SCR技术、废气洗涤和催化氧化等技术，主要通过对已生成的废气进行催化还原来降低NOx的排放[7]，例如加装SCR装置。SCR技术是指在催化剂的作用下，通过还原剂NH3将NOx还原成无害的N2和水。SCR作为目前控制NOx排放的主流后处理技术，可实现NOx的高效转化，最高转化效率达95%以上。

2 船用柴油机减排技术优选

2.1不同船用柴油机减排效果对比

图3为船用柴油机采用不同技术措施时的NOx减排效果[1-2]，其中：DF为双燃料技术；EGR为废弃再循环技术；HAM为进气加湿技术；Internal为机内燃烧过程优化；SCR为选择性还原技术；WFE为油水乳化技术。

图3 柴油机采用不同技术措施时的NOx减排效果

由图3可知：要满足IMO TierⅡ标准的要求，可通过改善燃烧过程中的技术来实现。但是,要满足IMO Tier Ⅲ标准的要求，须通过采取EGR技术、SCR技术及DF技术来实现，其他技术会因不满足标准的要求而逐步被淘汰。

2.2不同柴油机减排技术研究进展对比

国外部分柴油机厂商很早就对SCR技术和EGR技术进行研究。早期的SCR技术和EGR技术在汽车上应用，NOx减排效果较好，后来被逐渐应用到船用柴油机上。与SCR技术和EGR技术相比，DF技术发展较晚，但发展潜力较大。

目前采用SCR技术的发动机厂商主要有瓦锡兰集团、德国曼恩集团、戴姆勒—奔驰集团、日本三菱重工工业集团和日本三井集团等；采用EGR技术的发动机厂商主要有日本三菱集团、德国曼恩集团和瓦锡兰集团等；采用DF技术的发动机厂商主要有瓦锡兰集团、德国曼恩集团和卡特彼勒公司等。由此可见，目前大多数发动机厂商选择对EGR技术、SCR技术和DF技术等3种技术进行研究。

2.3不同柴油机减排技术经济性对比

SCR技术、EGR技术和DF技术的经济性对比[2]见表2。

表2 不同柴油机减排技术经济性对比

1)从安装成本上看：应用DF技术的柴油机一般交替燃用柴油/重油和LNG，但在船上安装LNG动力设备的初始投资要比安装传统的柴油机高约30%[8]；SCR设备的初装成本为柴油机总成本的40%左右，且占用的空间较大，在船上安装也需较高的投资[9]；采用EGR技术不需要对柴油机的燃烧室结构和喷油系统进行较大改动，在安装成本和安装空间上都更有优势。

2)从运营成本上看：SCR系统可减少柴油机的燃油消耗量[10]，从而降低运营成本；由于LNG的价格远低于燃油价格，因此采用DF技术可使运营成本降低25%左右；EGR技术对燃油和润滑油的品质要求较高，且需较高的维护费用。因此，相比EGR技术，SCR技术和DF技术在运营成本上更有优势。

3)从减排技术适用性上看：对于航程较短的船舶，虽然其运营成本不高，但采用SCR技术和DF技术的安装成本都较高，因此EGR技术具有较强的适用性；而对于航程较长的船舶，采用SCR技术和DF技术相对比较经济。

2.4船用柴油机减排技术优选

目前已有越来越多的柴油机厂商将研究重心转移到SCR技术、EGR技术和DF技术上，并努力降低安装和运营成本。这3种技术在匹配柴油机、船舶航行区域和燃油成本等方面各有优劣[2，8]，主要对比如下。

1)从匹配柴油机方面看，若要在柴油机上应用EGR 技术和DF技术，需对其进行一定的改造，因此这2种技术比较适合应用在国内具有自主知识产权或部分新建的柴油机上；与DF技术和EGR技术相比，SCR技术具有较强的耦合性。对于引进国外技术制造的柴油机，国内一般不具有自主设计权，因此采用DF技术和EGR技术较为困难，建议在这些柴油机上采用SCR技术。

2)从船舶航行区域方面看，相对于航程较长的远洋船舶，内河流域的船舶一般具有功率小、航程短的特点，因此其采用 EGR技术带来的燃油经济性恶化基本上可忽略。此外，内河船舶发动机的功率较小，采用DF技术所需的改装成本也相应较低。因此，内河船舶比较适合采用DF技术和EGR技术。但是，对于大功率、长航程的远洋运输船舶来说，考虑到EGR技术带来的燃油经济性变差及DF技术带来的改装成本变高，此类船舶更加适合采用SCR技术。

3)从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类。当前国内船舶所用柴油的品质普遍不高，因此采用对燃油品质要求较高的EGR技术会导致船舶发动机燃油的经济性变差。对于渔船及小型运输船等功率较小的船舶来说，采用DF技术的改造成本虽比采用EGR技术的改造成本高，但其运营成本较低，综合来看采用DF技术更为可行；对于功率较大的船舶来说，采用DF技术的改造成本较高，即使很低的运营成本也无法弥补该缺陷，因此采用EGR技术更为可行；对于功率超大的远洋运输船舶来说，LNG储罐会占据很大的空间，导致运货利润下降，加上我国LNG加注基础建设滞后、商业运作模式不成熟，这些船舶更加适合采用SCR技术。

总体来看，EGR技术、SCR技术及DF技术有着各自的特点和应用范围。目前采用SCR技术是使远洋船舶柴油机在排放控制区满足IMO Tier III排放标准要求的较为成熟、经济的解决方案。

3 船舶排放满足IMO Tier Ⅲ要求的实践

根据以上对不同船用柴油机减排技术的对比，中远海运集团针对 NOx排放的限制要求，在载重量7 500 t新沥青船的设计上采用SCR技术。该船主要采用某低压SCR 系统(LP SCR)实现达标排放。该LP SCR产品主要由尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器及温度和排水传感器等组成，具有较高的灵活性、可靠性和成熟程度，不会影响柴油机原有的特性，其特点见表3。

载重量7 500 t沥青船的主机采用的是MAN 6S35ME-C电喷柴油机，包含尿素的喷射控制、NOx传感器控制等，相关的系统接口和供应部件也满足特殊要求。该船的主机采用低温催化剂+温度补偿单元辅助方案；3台船舶副机采用中温、高温催化剂方案。

表3 LP SCR产品特点

试验结果表明，该载重量7 500 t沥青船采用的LP SCR产品可在满足目标最大氨逃逸率限值的前提下使柴油机的NOx排放值由18.04 g/(kW·h)降低至2.68 g/(kW·h)，使NOx减排率达到80%以上。由此可知，该LP SCR产品完全满足IMO Tier Ⅲ标准的排放限值要求。

4 结束语

IMO Tier Ⅲ标准的制定对船舶废气排放提出了更为严格的要求。优选能降低船舶NOx排放的技术已成为全球各大船舶所有人的共识。中远海运集团的载重量7 500 t沥青船采用LP SCR产品来满足IMO Tier Ⅲ标准的要求，对航运界有较大影响。相关航运企业可参考该案例，配合海事主管部门、检验主管机关及造船厂、SCR设备厂等单位，实质性地推进我国航运业的绿色发展。

[1] 胡必柱.废气再循环对船用中速柴油机性能及排放的影响研究[D].北京：中国舰船研究院,2013.

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[3] 魏永，廉宝刚，金贤，等．大型船舶NOx和SOx控制技术[J]．船舶工程，2013(S2)：151-155．[4] 罗啸,刘赟.船舶柴油机SCR控制系统研究[J].柴油机，2013，35(1)：22-25.

[5] 赵明哲.基于船舶废气排放控制对策的监管体系的研究[D].大连:大连海事大学，2013.

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[10] 张慧，金玉山，张东明，等.船用中速柴油机SCR系统匹配与试验研究[J].柴油机，2016,38(4):15-19.

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

王伟彬(1963—),男，广东澄海人，高级工程师，研究方向为船舶技术及应用。E-mail:wangwb@coscol.com.cn

1000-4653(2017)02-0108-04