船舶氮氧化物减排政策及技术进展
摘 要：船舶尾氣主要污染物NOx在很长一段时间内被人们所忽视。随着电厂NOx超低排、机动车NOx减排等技术的大量普及应用，NOx减排也由陆地转移到海洋上。本文介绍了国内外船舶NOx排放的最新政策和NOx减排的主要技术。
关键词：船舶尾气；氮氧化物；减排
1 引言
我国航运资源比较丰富。内河拥有船舶近20万艘，净载重量约3亿吨[1]，世界十大港口我国就占据了七席。航运带来了经济发展的同时，也导致了环境污染，近年来一直呈增长状态。船舶尾气中的有害物质主要包括氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和颗粒物（PM），其中NOx排放量占总污染物的一半以上，为首要污染物[2]。
船舶尾气中NOx主要源于发动机中柴油燃烧时产生的高温导致空气中的氮气被氧化[3]，是引起酸雨、光化学烟雾、温室效应及臭氧层的破坏等大气污染的主要元凶之一[4]。 本文介绍了国内外船舶NOx排放的最新政策和几种主要的减排技术，可为设计人员在船舶尾气处理方案制定时提供参考。
2 NOx减排政策
2.1 国内政策
2015年以前，我国没有专门针对船舶尾气污染物的全面排放控制标准和法规，仅有部分文件提到船舶尾气减排[5]。交通运输部2015年发布了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》，计划到2020年，珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶SOx、NOx、PM排放量与2015年相比分别下降65%、20%、30%；同年又出台了《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》，设立了船舶大气污染排放控制区（ECA）。2016年环保部发布了《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》，除规定CO、CH4、PM的排放限值外，还规定了HC+NOx的总排放限值，并于2018年7月1日和2021年7月1日分别施行第一、二阶段标准，不能满足阶段要求的船机不得销售、进口和投入使用，至此国内正式全面对船舶尾气NOx排放进行控制。
2.2 国外政策
国际海事组织（IMO）于1997年通过了MARPOL 73/78公约附则Ⅵ《防止船舶造成大气污染规则》。2008年修订版规定了远洋船舶尾气NOx排放限值实施计划的Tier I、Tier II和Tier III三个阶段[6]。2016年1月1日之后，在ECA区域外行驶的船舶NOx排放需满足TierⅡ标准，但在ECA区域内行驶则需满足Tier Ⅲ标准，其排放量相比于TierⅠ降低了80%。虽然现在仅北美排放控制区和美国加勒比海排放控制区实施Tier Ⅲ标准[7]，但随着人们对环境污染的越来越重视，在不久的将来，将会有更多的海域加入Tier Ⅲ标准行列，并且随着技术的不断发展，更为严格的排放标准将会被施行。
3 NOx主要减排技术
3.1 LNG替代燃料技术
液化天然气（LNG）主要成分是公认为清洁燃料的甲烷。与使用柴油的船舶相比，LNG能够大幅度减少污染物排放。全球第一艘LNG-柴油双燃料船舶“Bit Viking”在完全使用LNG做燃料时，NOx排放量减少了90%，几乎无SOx与PM排放[8]。亚洲第一艘LNG单燃料船“海洋石油525”号在运行时，相比于柴油动力，同样减少了90%NOx的排放[9]。
但是，LNG替代燃料技术也存在缺点：需对发动机进行改装，需为LNG装置预留本体空间和安全空间，需在码头建造大量加气站，这些无疑增加投资成本、改建成本和运营成本。此外，相比于柴油为燃料的船舶，LNG船舶的续航能力较弱。
3.2 EGR技术
EGR是将部分废气经过净化冷却后与新鲜空气混和，再次通入到汽缸中参与循环。由于废气中含有较多的不可燃气体与水蒸气，通入汽缸后增加了混合气体的比热容并降低了氧气的浓度，使得汽缸中的燃烧温度大大降低，从而降低了NOx的排放。MAN公司生产的6S80ME-C9型船机为全球首台满足Tier Ⅲ排放标准要求的EGR主机[10]。
但是，该技术也存在一定的缺点：运行时需要严格控制废气的回流比，需根据负荷的改变不断调整最佳回流量以达到经济效应和NOx减排相平衡。更重要是的，现阶段ECA排放控制区内船舶燃油硫含量仍为0.1%，非ECA区域硫含量达到了3.5%，均远高于硫含量为0.001%国五柴油车用油[11]，回流的未净化完全的废气及生成的硫化物会造成汽缸内部件的腐蚀，一定程度上缩短发动机的寿命。
3.3 SCR技术
船舶废气SCR处理技术因其燃油经济性好，对柴油油品要求不高且无需对发动机做改动而被造船业普遍看好。船舶尾气中NOx经过SCR反应后生成无污染的N2和H2O，可以直接排入大气。
但是，该技术也存在缺点：SCR系统较为复杂，初装成本高，费用约占船舶总费用的5-8%[12]；系统低温运行时容易生成硫酸氢铵腐蚀催化剂降低脱硝活性；催化剂寿命到期后需要更换，运行时需要消耗大量的还原剂尿素等等，在一定程度上增加了运营成本。
虽然SCR系统也存在不足，但其优异的脱硝性能还是得到了国内外企业的认可。自1998年至今，MAN B&W、Munters、瓦锡兰、西门子、广船国际、浙江天地环保科技和日立造船株式会社等企业都陆续开展了船舶SCR脱硝系统的研发和示范，目前已具备设计、制造、改装满足Tier Ⅲ要求的船舶尾气SCR后处理系统[13]。
4 结束语
此外，机内控制技术如燃油乳化、调整喷油提前角、优化燃烧室、高压共轨喷射等也可以在一定程度实现减排。但随着环境法规对NOx排放的越来越严格，单一的控制技术势必难以有效的将NOx降低到排放限值，设计者需要对船舶的燃油系统、燃烧系统和尾气后处理系统进行综合全面的考虑，多种减排技术协同运行，在符合排放标准的同时，实现资金的低投入。