中国沿海船舶实现低硫排放的建议

中国沿海船舶实现低硫排放的建议
针对IMO Tier III Sox船舶低硫尾气排放法规，目前主要采用低硫燃油、液化天然气、废气洗涤技术以及岸电四种减排措施。

基于我国航运发展状况、沿海船舶分布状况，分别从成本、环境效益、可行性、对船舶动力装置影响等方面，比较分析上述四种减排方案，对不同船舶提出最优的低硫排放建议。

标签：硫排放；减排措施；比较分析；船舶；建议
0 引言
船舶使用高硫燃油排放的颗粒物、NOx和Sox威胁人类健康和环境。

国际海事组织IMO制定了MARPOL公约《防止船舶造成大气污染规则》，对船舶燃油含硫量标准和实施时间做了规定。

为了响应国际法规和我国建设绿色海洋强国战略，中国政府划定了船舶低硫排放控制区（ECA）。

规定指出：包括长三角、珠三角、环渤海海域在内，2018年1月1日后，船舶靠岸停泊期间使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油；2019年1月1日后，船舶进入排放控制区内应使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油。

为了改善我国大气环境质量，建设绿色海洋，我国非常重视船舶废气Sox 排放控制技术的发展，目前主要有低硫燃油、LNG、废气洗涤技术以及岸电四种减排措施。

下面分别从成本、环境效益、可行性、对船舶动力装置影响等方面对上述四种减排措施进行分析，并基于我国航运发展状况，提出低硫控制排放建议。

1 低硫燃油减排措施
低硫燃油减排措施是用含硫量较少的MGO（0.1%S）替代HFO（3.5%S）。

船舶动力装置使用MGO从根本上可以减少硫排放。

虽然MGO替代HFO不需要额外的技术投资，主要增加的是油耗成本与船舶改造成本，但是低硫燃油与重油的理化性质差别较大，直接使用低硫燃油会对船舶动力装置造成影响，缩短柴油机寿命。

1.1 船舶使用低硫燃油的投资成本分析
船舶使用低硫燃油时，除了需配备常规高硫燃油外，还须额外配备低硫燃油及相应的存储设备，并在进出排放控制区时进行燃油切换。

同时，须根据低硫燃油的黏度、润滑特性选取合适的锅炉、柴油机燃油泵，并须对现有锅炉、柴油机的燃油转换装置、供油系统、燃烧装置、监控和显示系统等进行相应的改造。

目前炼油厂大多采用催化加氢的方法提炼低硫燃油。

与加工重油相比，由于催化加氢过程消耗能量较高且设备资金昂贵，使得低硫燃油价格昂贵。

将2015-2018年上海港IFO380和MGO价格作比较（图1），低硫燃油价格明显比重油高，船舶燃用MGO与IFO380相比，营运成本大约增加了50%-70%。

并且
随着ECA区域实行全程低硫排放，低硫燃油供应量有限，燃油成本有进一步提高的趋势。

1.2 船舶使用低硫燃油对发动机影响
目前，船舶动力机械相关元件均按照燃用高硫燃油进行设计制造，与重油相比，低硫燃油具有硫分值低、润滑性差、黏度小、闪点和比重较低的特点，直接燃用低硫燃油会对船舶动力装置安全稳定运行、维护等方面造成严重的影响。

1.2.1 低硫燃油中铝、硅含量对发动机的影响
采用催化裂化提炼的低硫燃油中铝、硅含量较高，通常低硫燃油中的硅铝含量超过25 （mg/kg），有相当部分以微粒形式存在于成品燃油中，燃烧时加速了柴油机的磨粒磨损，损坏喷油嘴、燃烧室等部件，缩短了柴油机寿命。

1.2.2 低硫燃油较低的润滑性和粘度对发动机的影响
低硫燃油采用催化加氢方法，降低了燃油含硫量的同时也降低了燃油的润滑性和粘度。

较低的燃油润滑性，加速了柴油机高压油泵和喷油器粘着磨损，增加喷嘴积碳，缩短机械寿命，严重时会引起油泵漏油；较低粘度的燃油加剧了燃油供给泵、喷射泵和喷油器内部泄露，影响燃油雾化质量，降低了主机运行功率。

2 LNG减排措施
LNG主要由甲烷构成，不含硫和粉尘，其燃烧产物不含Sox和PM，在奥托循环主机中的燃烧温度低，NOx排放相应也低。

船舶改用LNG后能够显著降低Sox、颗粒物等有害物质的排放。

LNG燃料与传统燃油相比，主要有以下优势：（1）储量丰富（世界含量约为1.45×1014立方米）；（2）与低硫燃油相比，价格较低；（3）LNG较高的燃点（650摄氏度）和爆炸浓度（5%-15%），大大降低了船舶机舱火灾事故。

LNG作为船舶最洁净环保的绿色能源，存在着如下缺点：
（1）船舶改造费用昂贵：船舶改用LNG燃料后，须设置独立的发动机舱室；LNG易燃易爆，当以液态存在时，LNG管道须采用双层壳，管道之间的环形空间需要被惰化或者通风，并实时监测是否泄漏，以满足在高壓和低压条件下正常工作；船舶改用LNG燃料后，须改变主机和燃料舱的设计布置，圆柱形压力罐所需空间约为等量柴油机所需空间的3-4倍，特殊的储气罐和舱室结构增加了LNG储存的重量，约为船用柴油的1.5倍，使建造成本增加约8%-20%，同时维护成本也会随之增加。

除此之外，为了防止船舶碰撞造成天然气泄漏，储气罐必须安装在船舶首尾线上。

（2）加气配套措施不足：目前，国内港口LNG补给和储存等设施覆盖率较
低，处于发展初期，且LNG管道为低温管道，不易延展和伸缩，海水涨退潮给船舶加装LNG燃料造成了困难，无法时刻有效满足船舶的加气需求。

（3）续航能力有限：一方面LNG燃料加装港口覆盖率低，另一方面LNG 较大的储罐体积达不到远洋航运的要求，与使用MGO燃料相比，船舶续航能力有限。

（4）安全性：LNG是低温的液化气他，对船体会产生过度的热应力，破坏了船体的延展性，增加了船体发生脆裂变形的危险；LNG主要由烃类物质组成，具有毒性，如果不慎发生泄漏，将会使人知觉，甚至死亡。

3 废气洗涤减排措施
随着燃油价格的不断上涨，一方面船舶燃用低硫燃油对船舶动力装置的性能有影响，另一方面船舶改装LNG混合动力装置需要高昂的费用，且船舶靠港加装LNG设施不完善，而废气洗涤装置经济、环保、可靠，所以目前船舶废气脱硫技术已经得到广泛的研究和应用。

脱硫洗涤装置主要分为干法和湿法两种。

其中干法采用氢氧化钙吸附尾气中的SOx，形成硫酸盐；湿法洗涤系统分为开式、闭式、混合三种，主要以海水或碱性物质为洗涤剂，利用碱酸化合反应原理除去尾气中的SOx。

3.1 成本分析
优点：船舶在ECA航行时可以继续使用HFO，与使用MGO相比，燃油成本显著减小。

虽然洗涤设备安装初期费用较高（300万-1000万美元），在同样的减排效果下，与直接使用MGO相比，成本优势较为明显。

以一台MAN 5G90ME 柴油机为例，额定功率31200kW，实际工作26500kW，油耗为180.7（g/（kW·h）），每日耗油108.2t，按一年运行260天计算，如果燃烧IFO，按照当前油价410$/t，一年燃油费用1153万美元，若改烧MGO，按照当前MGO油价672$/t，一年燃油费用为1887万美元，每年燃油费用增加734万美元，不考虑MGO的价格升高，安装废弃洗涤装置成本回收期不到一年。

3.2 对环境影响分析
船舶采用废气洗涤技术主要是将SOx吸附溶解，干法利用碱性物质吸收SOx 后，产物对环境无影响，湿法采用海水吸收SOx，最终形成H2SO4，不能保证所有经过洗涤器洗涤后的废气PM符合MARROL附则VI第14条：从洗涤器系统排放的废气中的PM水平应接近于低硫酸水平。

未达标的处理污水直接排放会对海洋环境造成影响。

3.3 对船舶影响分析
船舶废气洗涤设备、废气旁通阀占用体积较大，因此是否有足够空间布置安装也是需要考虑的问题。

由于被洗涤的器件具有腐蚀性，所有这些设备必须使用高质量的防腐材料制造。

如果在机舱安装闭式系统，不仅需要安装相应的冷却、洗涤水系统以及给水和清洁系统，还需增加苛性碱和减震箱、残渣分离器和残渣
储存柜。

4 岸电减排措施
船舶岸电系统是指船舶靠港后，停止使用船舶副机发电，转而使用陆地电源向船载系统供电，保障船舶生产用电、生活用电、辅助机械运转供电。

船舶采用岸电后，可在不燃烧含硫燃油情况下保障船舶的正常运行，有效的减少了尾气排放对ECA区域的环境污染。

为了加速推进我国港口岸电设施的建造，我国交通运输部先后出台了《码头船舶岸电设施建设技术规范（JTS155—2012）》、《港口岸电布局方案》等指导性文件。

加快了现有船舶改造岸電装置速度，为ECA硫排放控制奠定了坚实的基础。

据不完全统计，截至2016年7月全国规模以上港口具备向船舶提供岸电能力的生产性泊位共1278个，容量在200KV A以上的泊位共292个，其中沿海泊位133个、内河159个，高压29个、低压263个。

作为节能减排、控制港口城市大气污染的最有效手段之一的船舶岸电技术，主要有以下几点挑战：
（1）船岸并网技术不成熟。

包括高功率电子变频技术、岸电电压稳定、供电系统电制匹配、船电与岸电的无缝切换、电缆管理和快速链接。

目前岸上供电设施和船舶受电设施间的带载转移技术仍需完善，部分船舶带载转移过程中可能会对船舶电力系统造成冲击，威胁船舶电力系统的安全性和稳定性，并对船载精密仪器造成损害。

（2）配套制度不完善。

港口岸电设施用电量大，港口企业在岸电系统建设过程中需要进行电力增容时手续较为繁琐，部分港口申请电力增容困难；国家尚未出台收费标准，港口无法直接向船舶收取电费；岸电运营模式不规范，尚未对岸电操作流程和安全责任认定等问题进行规范。

（3）缺少科学的顶层设计。

港口岸电工程主要依靠港口企业自发建设，短期难以形成规模，现有的港口岸电工程没有全面覆盖主要运输航线和船舶排放控制区。

5 四种减排措施比较
采用以上四种减排措施都能有效控制船舶低硫排放，满足IMO法规，四种减排措施各有优缺点，技术对比如表1。

6 我国ECA硫排放控制状况
针对日益严重的船舶尾气污染状况，中国国务院发布了《大气污染防治行动计划》，要求我国沿海重要区域设计船舶排放控制区以降低船舶尾气对大气的污染。

交通运输部印发了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》、《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》（图2）。

规定：2018年1月1日后，船舶在驶入我国长三角排放控制区中的上
海港、舟山港、苏州港、南通港，环渤海海域中的秦皇岛港、唐山港、天津港、黄骅港，珠三角水域中的广州港、珠海港、深圳港期间须使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油；2019年1月1日后，船舶进入上述排放控制区内应使用含硫量不高于0.5%m/m的燃油。

7 我国沿海船舶概况
中国沿海船舶种类复杂，从种类上分为集装箱船、散货船、特种船、渔船等，其中长江等内河航道船舶呈现散、乱、差特征。

我国沿海3个ECA控制区船舶大致可分为以下3类：
（1）沿海小型船舶：小型船舶燃油舱数量少、舱体容积小，有专用低硫油舱可能性较小，即使加装低硫MGO后也无法调驳，大多使用HFO，由于高昂的改造费用，船东对这些小型船舶再进行低硫油舱和管路改造的可能性也小。

（2）老旧船舶：老旧船舶由于机器磨损和相对落后的船舶建造技术，和现代智能船舶比较，消耗同量的燃料，由于燃烧不充分，输出效率较低，且尾气排放中SOx、NOx等有害物质较多，考虑到经济回报率和折旧率，船东不会投入资金对老旧船舶进行低硫油设备的改造。

（3）其余正常营运船舶：此类船舶大多通过低硫油设备改造、安装尾气洗涤装置、船舶岸电设备接入布置实现尾气含硫量控制。

8 船舶低硫排放相关意见和建议
船舶营运成本关乎航运企业未来，船舶燃用低硫燃油从根本上可减少尾气硫含量，但是有限的石油含量、高昂的油价、日益严格的排放法规势必会再一次对原本不景气的航运业造成冲击。

同时国际低硫燃油的品质有待提高，據伍德麦肯兹公司的资料，增加一座渣油加氢裂化装置的成本接近10亿美元，而且整个过程可能长达10年，高昂的技术改造资金和复杂的炼油加工工艺，使得目前大多数炼厂无法生产达标的低硫油。

LNG作为一种高效的绿色能源，其丰富的储量和绿色燃烧产物一定会作为未来船舶的主要能源。

其需要解决技术问题、安全问题、配套设施问题，虽然目前船舶LNG技术发展迅速，但还处于发展期，并不适合全面用于控硫排放。

船舶废气洗涤装置虽然价格昂贵，回报期较长，但随着技术的不断成熟，国家相关资金补助，相比于使用低硫燃油，不仅有效地控制了营运成本，还利于航运业的发展，有助于我国沿海船舶散、乱、差的治理。

据调查统计，目前我国新造船舶都有岸电接入设备，营运船舶的70%实现了岸电接入设施改造，鉴于我国丰富的电能储备和国家前期船舶岸电设施的铺设准备，随着国家建设海洋强国政策的出台，靠港船舶使用岸电率将会进一步提高。

鉴于以上分析，针对不同船舶提出如下建议：
（1）针对沿海小型船舶：由于其较低的油耗率和经济效益，从经济性角度考虑，宜采用低硫燃油的减排措施，系泊期间较低的电网负荷建议采用岸电降低硫排放。

（2）针对老旧船舶：柴油机排放污染较重，经济效益差，不适宜采用采取废气洗涤装置等成本较高的减排措施，建议采用低硫燃油减排措施，并加快船舶的更新换代。

（3）针对其它正常营运的船舶：考虑到加装低硫燃油对船舶性能的影响和目前低硫油市场质量问题，与废弃洗涤装置综合比较，其成本较高，建议采用燃烧重油+安装废弃洗涤减排措施。

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