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(diǎn)針對船舶廢氣中NO_x發(fā)生量核算方法和減排措施進(jìn)行了分析總結(jié)，為控制港口氮氧化物提供量化依據(jù)，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(guān)鍵詞：船舶;氮氧化物;排放量;減排措施

中圖分類號：U698

文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)性質(zhì)最為穩(wěn)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(tǒng)，容易造成呼吸系統(tǒng)疾病。同時，氮氧化物也是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的主要物質(zhì)。

地球表面積的70%由海洋覆蓋，全球外貿(mào)運(yùn)輸?shù)?0%靠船舶運(yùn)輸來完成。水路運(yùn)輸為世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類社會的繁榮進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。但同時，水路運(yùn)輸業(yè)為化石燃料消費(fèi)的重點(diǎn)行業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深化，世界范圍內(nèi)的船舶運(yùn)輸數(shù)量不斷增長，船舶廢氣對大氣環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)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(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(guī)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(jù)國務(wù)院2013年9月印發(fā)的《大氣污染防治行動計(jì)劃》，以及交通運(yùn)輸部于2015年12月出臺的《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，針對港口船舶廢氣的管控開始制度化和精細(xì)化。因此，研究適用于不用區(qū)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(xiàn)實(shí)意義。

本文將重點(diǎn)針對船舶廢氣中NO_x發(fā)生量核算方法和減排措施進(jìn)行分析總結(jié)，為控制港口NO_x提供量化依據(jù)。

2船舶廢氣中NO_x排放量核算方法

2.1經(jīng)驗(yàn)核算法

根據(jù)不同船型發(fā)動機(jī)功率和單位時間內(nèi)發(fā)動機(jī)耗油量，計(jì)算出單位時間內(nèi)該船型總的耗油量，對照《環(huán)境保護(hù)實(shí)用數(shù)據(jù)手冊》，燃燒1 m³柴油其排放的NO_x量為2.8 kg的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算特定船型單位時間內(nèi)NOx排放量。該計(jì)算方法主要的參數(shù)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(jì)算法

2006年IPCC（聯(lián)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(dá)為：

式（1）中：E為排放量，F(xiàn)C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(fā)動機(jī)類型;k為廢氣成分。

基于上述模型計(jì)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(shù)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(fā)動機(jī)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(shù)據(jù)是根據(jù)燃料銷售商的銷售數(shù)據(jù)得到的，準(zhǔn)確性取決于所獲得的一年中全國水運(yùn)行業(yè)各類型燃油量是否準(zhǔn)確。

2.3基于船舶載重量的類比核算法

這種方法是參照計(jì)算汽車、火車等采用內(nèi)燃機(jī)移動發(fā)生源產(chǎn)生的NO_x排放量，將運(yùn)輸工具的單位重量（一般以t計(jì)）每公里NO_x排放量按照一定的換算系數(shù)而算定的方法，其單位重量每公里NO_x排放量計(jì)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(shù)，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(yùn)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(nèi)主要的船舶動力均采用柴油機(jī)，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(chǎn)生的，提高燃油品質(zhì)可小件NO_x產(chǎn)生量。如燃料巾十六烷值的含量對柴油機(jī)的NOx排放有著相當(dāng)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)

船舶停港期間，主要靠副機(jī)工作保證船舶的運(yùn)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(jī)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(jīng)逐步開展了岸電改造試點(diǎn)工作，并已投入使用。

采用岸電系統(tǒng)替代船舶副機(jī)工作雖然減排效果明顯，但是由丁目前岸電系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)和使用岸電系統(tǒng)存在較大的不確定性。因此，針對岸電系統(tǒng)相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施是船舶岸電技術(shù)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(tǒng)，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(jì)70年代中期，選擇性非催化還原法（ SNCR）脫硝技術(shù)首先應(yīng)用于日本的燃?xì)夂腿加碗姀S。該技術(shù)是通過向高溫?zé)煔庵袊娚溥€原劑，將NO_x還原成氮?dú)夂退?，SNCR技術(shù)能夠使NO_x排放量降低30%～50%。

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

4結(jié)論

通過分析三種船舶廢氣中NO_x發(fā)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(jù)不同的管理要求選用最優(yōu)的核算方法，在核算參數(shù)不夠完整的情況卜，可同時采用上述三種方法進(jìn)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(diǎn)。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(xiàn)實(shí)有效的方法，隨著船舶廢氣終端處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶廢氣中NO_x的排放能夠得到有效管控。