船舶废气中NOx排放量核算方法及减排措施
2018-01-25董世培乔建哲寿幼平
董世培 乔建哲 寿幼平
摘要：指出了船舶大气污染物中以NOx控制难度最大，重点针对船舶废气中NOx发生量核算方法和减排措施进行了分析总结，为控制港口氮氧化物提供量化依据，并对未来船舶废气中NOx减排措施主要方向给出了建议。
关键词：船舶;氮氧化物;排放量;减排措施
中图分类号：U698
文献标识码：A
文章编号：1674-9944（2018）14-0064-02
1引言
氮氧化物（NOx）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化学性质最为稳定，其他NOx在一定条件下极容易形成NO2。NOx对人的影响主要是刺激呼吸系统，容易造成呼吸系统疾病。同时，氮氧化物也是形成光化学烟雾和酸雨的主要物质。
地球表面积的70%由海洋覆盖，全球外贸运输的90%靠船舶运输来完成。水路运输为世界经济的发展和人类社会的繁荣进步做出了巨大的贡献。但同时，水路运输业为化石燃料消费的重点行业。随着经济全球化的不断深化，世界范围内的船舶运输数量不断增长，船舶废气对大气环境造成的污染日趋严重。目前，船用燃料主要为柴油，船舶尾气中的污染物以SO2和NO2为主，通过采用低硫燃料可以显著改善SO2的排放量，但是对NO2排放量的控制并没有效果。相关统计数据显示，船舶尾气中NO2年排放量约占全球排放总量的15%。
自2006年8月23日，《1973年国际防止船舶造成污染公约的1978年议定书》附则VI，即《防止船舶造成空气污染规则》正式对我国生效以来，船舶大气污染防治工作逐渐受到重视。
根据国务院2013年9月印发的《大气污染防治行动计划》，以及交通运输部于2015年12月出台的《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，针对港口船舶废气的管控开始制度化和精细化。因此，研究适用于不用区域、不同类型的船舶废气NOx排放量核算方法，采取适用性最好的NOx减排措施，对丁保障城市NOx排放管控具有重要的现实意义。
本文将重点针对船舶废气中NOx发生量核算方法和减排措施进行分析总结，为控制港口NOx提供量化依据。
2船舶废气中NOx排放量核算方法
2.1经验核算法
根据不同船型发动机功率和单位时间内发动机耗油量，计算出单位时间内该船型总的耗油量，对照《环境保护实用数据手册》，燃烧1 m3柴油其排放的NOx量为2.8 kg的经验数据，计算特定船型单位时间内NOx排放量。该计算方法主要的参数见表1。
这种方法适用于单一船型排放NOx的核算，但是对于船舶类型较多的综合性港口NOx年均排放量的核算适用性较差。
2.2基于燃由消耗量的模型计算法
2006年IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）国家温室气体清单指南推荐采用的温室气体排放估算公式可表达为：
式（1）中：E为排放量，FC为燃料消耗量，t;EF为排放因子，kg/t -燃料;a为燃料类型;m为发动机类型;k为废气成分。
基于上述模型计算方法，IPCC指南给出了两种测算方法（Tierl和Tier2），两个方法均是基于燃料消耗量和排放因子。Tier1可不考虑公式中的参数m。该方法中燃料消耗量和排放因子均来源于燃油类型。Tier2除了考虑燃料消耗量之外，还需要考虑燃油类型、船舶类型、发动机类型以及所在国的排放控制因子等因素。
上述方法中，燃料消耗量数据是根据燃料销售商的销售数据得到的，准确性取决于所获得的一年中全国水运行业各类型燃油量是否准确。
2.3基于船舶载重量的类比核算法
这种方法是参照计算汽车、火车等采用内燃机移动发生源产生的NOx排放量，将运输工具的单位重量（一般以t计）每公里NOx排放量按照一定的换算系数而算定的方法，其单位重量每公里NOx排放量计算用以下公示求出：
Tkml=a·Ekm（2）
式（2）中：Tkml为单位载重量每公里污染物排放量，a為换算系数，Ekm为单位载重量每公里消耗的燃油量。
该方法中燃油消耗量可通过各船舶燃油消耗记录或得，相对来说获取难度较低，这种方法适合特定船型运输过程中NOx排放量的核算。
3船舶废气中NOx减排措施分析
3.1源头控制措施
目前，罔内主要的船舶动力均采用柴油机，使用的燃料多以船用柴油为主。船舶废气中NOx主要是柴油燃烧产生的，提高燃油品质可小件NOx产生量。如燃料巾十六烷值的含量对柴油机的NOx排放有着相当大的影响，提高燃料中十六烷值比重，可以降低燃油的自燃温度，缩短滞燃期，降低气缸内的温度和压力，从而减少NOx的排放。采用LNG、乙醇等燃料来取代柴油或者与柴油混合使用，也可以减少NOx的排放。目前，这种方法主要的不足之处是新型燃料相对传统船用柴油的成本要高，并且采用新型燃料并没有根本上解决船舶废气中NOx排放的问题。
3.2采用新型动力系统
船舶停港期间，主要靠副机工作保证船舶的运行，在此期间，其燃油消耗率为200 g/kW·h左右。目前，美国等国家部分港口采用的岸电代替船舶副主机工作的方式，可使船舶在港期间废气排放降低95%以上。目前，我国的连云港港、天津港等部分沿海港口已经逐步开展了岸电改造试点工作，并已投入使用。
采用岸电系统替代船舶副机工作虽然减排效果明显，但是由丁目前岸电系统没有统一的规范和标准，不同类型、不同吨级的船舶对电压、频率等供电要求存在较大差异，使得港口大范围建设和使用岸电系统存在较大的不确定性。因此，针对岸电系统相应的规范、标准的制定和实施是船舶岸电技术在港口全面展开的前提。
3.3终端控制措施
终端控制措施主要是借鉴陆上的燃油电厂废气排放控制措施中的脱硝系统，在船舶废气排放终端通过催化氧化装置，将船舶废气中NOx处理后再排放的方法。
20世纪70年代中期，选择性非催化还原法（ SNCR）脱硝技术首先应用于日本的燃气和燃油电厂。该技术是通过向高温烟气中喷射还原剂，将NOx还原成氮气和水，SNCR技术能够使NOx排放量降低30%～50%。
20世纪70年代末，日本首先提出了选择性催化还原法（SCR）脱硝技术，SCR技术是以氨类物质为还原剂，在催化剂的作用下，将尾气中的NOx还原为氮气和水。SCR技术虽然在发电厂燃煤锅炉尾气处理中得到广泛应用，但是其设备成本高，低温催化剂性质不稳定等问题，制约了该技术在船舶尾气中NOx治理方面的应用。因此，如何提高低温催化剂的稳定性，降低设备成本是未来船用SCR技术的研究方向。
4结论
通过分析三种船舶废气中NOx发生量核算的方法可知，对于港口船舶废气NOx的核算，需要根據不同的管理要求选用最优的核算方法，在核算参数不够完整的情况卜，可同时采用上述三种方法进行校核对比。对于船舶废气中NOx的排放控制措施是未来港口大气治理的重点。长期来看，在船用燃料和动力类型没有根本改变的情况下，加装船舶尾气处理装置是最为现实有效的方法，随着船舶废气终端处理技术的不断进步，船舶废气中NOx的排放能够得到有效管控。
