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新聞主題 |
如何解決柴油發(fā)電機大氣環(huán)境污染的需要 |
摘要：船用柴油機作為船舶動力來源之一，隨著環(huán)保意識的提高和技術的不斷發(fā)展，船用柴油機的排放標準也在不斷升級。船用柴油機排放的廢氣中含有多種有害物質，如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、顆粒物等。這些有害物質不僅對環(huán)境造成污染，還會對人體健康產生嚴重影響。因此，制定和實施船用柴油機排放標準，對于保護環(huán)境和人類健康具有重要意義。
一、比較與展望
進入21世紀以來，為減少船用柴油機造成的空氣污染，國際海事組織(IMO)制定了MARPOL 73/78公約附則VI《防止船用柴油機造成空氣污染規(guī)則》，各國政府也紛紛出臺區(qū)域性船用柴油機排放標準。近年來，歐盟、美國均更新了各自內河船用柴油機排放標準，中國也首次了頒布船用柴油機發(fā)動機排放控制國家標準。本文針對世界主要國家和地區(qū)內河船用柴油機排放標準進行了梳理和比較。
基于以往資料梳理不難發(fā)現，歐盟和美國的內河船用柴油機排放控制標準已經歷近20年的發(fā)展，目前，歐盟主要實施NRMM標準和CCNR規(guī)則，NRMM船機標準歷經了Stage IIIA和Stage V兩個階段，CCNR歷經了CCNR1和CCNR2兩個階段；美國主要實施EPA標準，目前歷經了Tier 1、Tier 2、Tier 3和Tier 4四個階段。中國內河船用柴油機排放標準只經歷了10年左右的發(fā)展，近年才頒布CHN Stage I和CHN Stage II兩個階段內河船機排放限值。下文從控制污染物種類、排放限值兩個方面進行比較和分析。
1、污染物種類
表1列出了各種標準控制污染物種類，從中可以看出，歐盟、萊茵河、美國和中國標準均涵蓋CO、HC、NO?和PM四種基本污染物（主要組成如圖1所示）；另外，歐盟NRMM Stage V和中國CHN標準還提出了氣體發(fā)動機CH4排放控制。值得注意的是，NRMM Stage V還專門提出了顆粒物數量PN控制，從這個角度講，歐盟NRMM Stage V是目前污染物類別覆蓋最全面的。
表1 不同國家和地區(qū)內河船用柴油機排放標準控制污染物種類
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標準
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EU(NRMM)
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CCNR
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US EPA
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CHN
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Stage IIIA
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Stage V
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CO
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√
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√
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√
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√
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√
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HC
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√
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√
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√
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√
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√
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NO?
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√
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√
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√
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√
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√
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PM
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√
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√
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√
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√
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√
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PN
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×
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√
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×
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×
|
×
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CH?
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×
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√
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?
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×
|
√
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2、排放限值
圖2對歐盟、萊茵河、美國和中國最新船用柴油機排放限值范圍進行了比較。不難看出，歐盟NRMM Stage IIIA、萊茵河CCNR Stage II、美國EPA Tier 3和中國CHN Stage I對HC、NO?和PM等常規(guī)污染物的限值基本處于同一水平。但歐盟和美國最近頒布的最新標準NRMM Stage V和EPA Tier 4均進一步了收緊HC和NO?限值，同時對PM進行了大幅削減，相比而言，中國CHN Stage II標準則要寬松一些。
針對目前比較受關注的天然氣發(fā)動機CH4排放，目前只有歐盟和中國標準提出了直接要求。在NRMM Stage V中，CH4排放計入THC中，THC限值最大可取6.19g/kWh；CHN Stage I和Stage II單獨提出CH4排放限值，范圍為1.0-2.0g/kWh。比較而言，目前中國標準對于內河船機CH4排放的限制是最為嚴格的。
展望未來，可以發(fā)現，為應對未來日益嚴格的船用柴油機排放標準，天然氣作為燃料在船用柴油機上的應用將越來越多，但不斷收緊的THC或CH4排放限值將對天然氣發(fā)動機形成嚴峻的挑戰(zhàn)，許多國際組織如CIMAC、SGMF等正在著手制定天然氣發(fā)動機的CH4排放標準。傳統(tǒng)的機內凈化措施或將無法滿足日益嚴格的標準限值，設計者除考慮降低機內CH4直接逃逸、減少未燃CH4排放外，還應著重考慮DOC(氧化催化器)技術在船機上的應用研究。
另外，從歐盟NRMM Stage V和美國EPA Tier 4來看，PM排放是未來船機的一個挑戰(zhàn)，逐步引入顆粒物數量PN排放控制，也是未來船機PM排放控制向精準化方向發(fā)展的趨勢之一，DPF(顆粒捕集器)或將成為重要應對手段之一。但目前船機應用DPF缺乏實際經驗，高硫含量燃油也對DPF應用帶來挑戰(zhàn)，柴油發(fā)電機廠家需盡早開展技術研發(fā)和儲備。
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圖1 發(fā)動機尾氣排放污染物組成 |
圖2 不同國家和地區(qū)柴油發(fā)動機排放法規(guī)比較 |
二、污染物排放控制水平
1、國際環(huán)保要求
在國際層面上，船用柴油機排放標準主要受國際海事組織（IMO）的監(jiān)管。IMO通過制定國際排放標準，對船用柴油機的廢氣排放進行限制。目前，IMO已經發(fā)布了多個關于船用柴油機排放標準的決議，如MARPOL（防止船舶污染國際公約）附則Ⅵ和Ⅴ等。
這些決議規(guī)定了船用柴油機在不同階段的排放限值和時間要求。例如，MARPOL附則Ⅵ對船用柴油機的氮氧化物排放進行了限制，要求從2016年開始，新建船舶的氮氧化物排放量不得超過10毫克/千瓦時，到2021年，所有船舶的氮氧化物排放量都不得超過10毫克/千瓦時。
IMO還對船用柴油機的顆粒物排放進行了限制，要求從2020年開始，所有船舶的顆粒物排放量都不得超過50毫克/千瓦時。
2、國家環(huán)保要求
在國家層面，各國根據國際排放標準和本國實際情況，制定和實施船用柴油機的國內排放標準。
為了調研我國船舶柴油發(fā)電機的污染物排放情況， 2010年3月25日環(huán)保部下發(fā)環(huán)科便函[2010]19號文“關于開展船舶柴油發(fā)電機污染物排放情況調查的函”，調查相 關船用柴油機企業(yè)的基本情況、船用柴油機年產量、船用柴油機排放檢驗能力、主要船用柴油機機型明細、 代表機型及其排放情況等， 調研的船用柴油機企業(yè)有24個， 其中11個單位回復了調查表， 占總調研單位的45.8%。
在 11 個回復單位的調查表中， 共有 18 個內河船用柴油機代表機型， 其中達到 IMO Tier 2 的機型 7 個， 占 38.9%；達到 IMO Tier 1 的機型 11 個， 占 61.1%。其中 11 個機型只能使用輕柴油， 6 個機型既能使用輕柴油，也能使用燃料油， 1 個機型 只能使用燃料油。
隨著MARPOL 73/78公約附則Ⅵ第2階段從2011年1月1日開始實施， 國內對內河船用柴油機的排放要求也參照執(zhí)行IMO Tier 2排放水平的要求，通過對內燃機工業(yè)協(xié)會的匯編資料《2013年中國內燃機規(guī)格參數匯編》中船用柴油機機型排放情況的統(tǒng)計以 及對企業(yè)排放情況的調研可知，目前絕大多數內河船用柴油機機型已能達到IMO Tier 2 排放水平。但IMO Tier 2是國際海事組織對遠洋船用柴油機的排放控制要求，排放物只 控制NOX ；本標準控制的內河船用柴油機，除了要控制NOX ，還要控制CO 、HC和PM， 控制要求比IMO Tier 2項目多， 從NOX 限值看， 單缸排量小于20L的船用柴油機， 本標準的控制要求比IMO Tier 2嚴格； 單缸排量大于20L小于30L的船用柴油機， 本標準的控制 要求和IMO Tier 2的要求大致相當。IMO Tier 2排放水平與本標準的要求的比較見表2。
表2 IMO Tier 2排放水平與本標準的要求的比較
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IMO Tier2 水平
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本標準草案要求
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NO?
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功率 P（kW）
（單缸排量）
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CO
（g/kW.h）
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HC+NOX
（g/kW.h）
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PM
（g/kW.h）
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8.18～9.75
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〔2.5L≤SV＜5L〕
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5.0
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7.2
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0.20
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8.98～9.75
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〔5L≤SV＜15L〕
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5.0
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7.8
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0.27
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8.98～9.75
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〔15L≤SV＜20L〕
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5.0
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8.7
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0.50
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8.98～9.75
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〔20L≤SV＜25L〕
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5.0
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9.8
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0.50
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10.1～11.1
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〔25L≤SV＜30L〕
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5.0
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11.0
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0.50
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三、中國大氣污染現狀和要求
1、中國船舶大氣污染排放現狀
中國是一個內河航運資源比較豐富的國家，擁有大、小天然河流5800多條， 河流總長43萬公里， 其中流域面積在1000平方公里以上的有80多條， 還有天然湖 泊900多個， 2010年底， 全國內河航道通航里程已達12.42萬公里， 其中各水系內 河航道通航里程分別為： 長江水系64064公里，珠江水系15989公里，黃河水系3477 公里， 黑龍江水系8211公里， 京杭運河1439公里， 閩江水系1973公里， 淮河水系 17246公里，其它水系11800公里。各等級內河航道通航里程分別為： 一級航道1385 公里，二級航道3008公里，三級航道4887公里， 四級航道7802公里，五級航道8177 公里，六級航道18806公里，七級航道18226公里，等外航道61909公里。
內河船舶60%分布在長江流域中下游地區(qū)，其它分布在黑龍江、珠江流域。 船舶的排放控制技術水平目前采用IMO第1階段標準， 與世界發(fā)達國家差距較大； 內河船舶使用的燃油質量也與世界發(fā)達國家差距較大， 船舶污染物排放嚴重（見圖3），造成我國內河及沿岸大氣環(huán)境質量較差。
根據中國環(huán)境科學研究院正在開展的《船舶和港口空氣污染防治研究項目》 的初步研究成果，內河船舶排入大氣的污染物 （僅估算柴油機船舶部分），NOx 排放81萬噸/年， PM排放6.6萬噸/年， SOX排放約10萬噸/年。船舶排放的NOX和 PM占整個非道路移動源的大氣污染分擔率分別為13.32%和17.63%，見圖1。
2、中國港口大氣污染問題
中國港口的大氣污染主要是由船舶、在港口的機械設備、柴油發(fā)電機組（實物如圖4所示）的排氣所造成的。
我國是港口大國， 2010年底， 全國港口擁有生產用碼頭泊位31634個。其中， 沿海港口生產用碼頭泊位5453個；內河港口生產用碼頭泊位26181個。2010年， 全國港口完成貨物吞吐量89.32億噸。其中， 內河港口完成32.88億噸， 沿海港口完成56.45億噸。內河運輸船舶16.57萬艘，船舶功率2423.56萬千瓦；沿海運輸 船舶10473艘， 船舶功率1406.02萬千瓦； 遠洋運輸船舶2213艘， 船舶功率1500.86 萬千瓦。在2012年，我國港口吞吐量已接近110億噸，位居全球首位。
中國的港口又是世界上最繁忙的港口，全世界最大的10個集裝箱港口中有6 個位于中國。香港最新的排放清單調查表明船舶活動現在已經成為該城市最大 的NOX和PM10排放源， 在2010年其NOX、SO2和PM10排放貢獻率分別達到32%、48%和36% 。船舶和港口機械的相關活動（包括各類運貨車輛和貨物裝卸設備）帶來的 排放也是上海市的主要污染源， 2010年其其NOX 、SO2和PM10排放貢獻率分別達到 12.4%、11.6%和5.6%。
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圖2 康明斯船用柴油發(fā)電機實物圖 |
3、 我國對環(huán)境保護工作提出了更高的要求
我國環(huán)境保護雖然取得積極進展， 但環(huán)境形勢依然嚴峻， 區(qū)域性大氣污染問題日趨明顯， 長三角、珠三角和京津冀地區(qū)等城市群大氣污染呈現明顯的區(qū)域性 特征，二氧化硫、二氧化氮、細顆粒物（PM2.5 ）污染問題依然嚴峻。
《國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》提出： 主要污染物排放總量 顯著減少，其中，化學需氧量、 二氧化硫排放分別減少8%，氨氮、 氮氧化物排 放分別減少10%的約束性指標。
2012年9月27日國務院批復的重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃中提出： 到2015年，重點區(qū)域二氧化硫、氮氧化物、工業(yè)煙粉塵排放總量分別下降12% 、 13% 、10%，可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫、二氧化氮、細顆粒物（PM2.5 ） 年濃度分別下降10% 、10% 、7% 、5%，京津冀、長三角、珠三角地區(qū)細顆粒物 年均濃度下降6%。其中也對船用柴油發(fā)電機排放控制要求和使用燃料進行了規(guī)劃： 推進非道路移動機械和船舶的排放控制。 2013 年，實施國家第Ⅲ階段非道路移 動機械排放標準和國家第Ⅰ階段船用柴油發(fā)電機排放標準。同時在規(guī)劃中， 對船用燃 料的硫含量也提出了要求： “2013 年7 月 1 日前，將普通柴油硫含量降低至350ppm 以下；逐步將遠洋船舶用燃料硫含量降低至2000ppm 以下”。
四、船用柴油機排放標準的技術措施
為了滿足船用柴油機的排放標準，需要采取一系列技術措施來降低廢氣排放。以下是幾種常見的降低船用柴油機廢氣排放的技術措施：
1、燃油優(yōu)化處理
燃油優(yōu)化處理是指對燃油進行預處理，以提高燃油的品質和性能。通過去除燃油中的雜質、水分和硫分等，可以降低燃油燃燒過程中產生的污染物排放。此外，還可以通過采用低硫燃料或使用脫硫劑等方法，降低硫氧化物排放。
2、發(fā)動機優(yōu)化設計
發(fā)動機優(yōu)化設計是指通過改進發(fā)動機的結構、設計參數和工作原理等，以提高發(fā)動機的性能和效率。例如，采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、可變氣門正時技術等，可以降低氮氧化物和顆粒物的排放。此外，還可以通過優(yōu)化燃燒過程、調整燃油噴射時刻等方法，降低一氧化碳排放。
3、尾氣處理技術
尾氣處理技術是指采用尾氣處理裝置對船用柴油機的尾氣進行處理，以降低廢氣中的有害物質排放。常見的尾氣處理技術包括SCR（選擇性催化還原）、DPF（顆粒捕集器）等。其中，SCR技術可以降低氮氧化物排放，而DPF技術可以降低顆粒物排放。
4、智能控制和優(yōu)化運行
智能控制和優(yōu)化運行是指通過采用先進的控制系統(tǒng)和優(yōu)化運行策略，降低船用柴油機的廢氣排放。例如，采用智能控制策略，對發(fā)動機的負荷、轉速、溫度等進行調整，以達到最優(yōu)的工作狀態(tài)和最低的廢氣排放。此外，還可以通過優(yōu)化運行模式、實施節(jié)能減排措施等方法，降低船用柴油機的能耗和廢氣排放。
總結：
船用柴油機排放標準的升級是必然趨勢隨著全球環(huán)保意識的不斷提高和相關法規(guī)的不斷加強船用柴油機的排放標準也在不斷升級未來將會更加嚴格限制有害物質的排放對于環(huán)境保護和人類健康具有重要意義。新技術和新設備的應用將推動船用柴油機減排技術的發(fā)展船用柴油機的減排技術涉及多個領域如燃油優(yōu)化處理發(fā)動機優(yōu)化設計尾氣處理技術智能控制和優(yōu)化運行等隨著新技術的不斷涌現和應用如人工智能大數據物聯(lián)網等將為船用柴油機的減排技術帶來新的機遇和挑戰(zhàn)推動減排技術的發(fā)展和提高。
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