船舶有害气体排放控制研究
方华
摘要：越来越严格的国际、地方性法规对船舶尾气排放提出了更加严格的要求，本文针对船舶尾气产生的特点，技术上采取燃烧前对燃料进行预处理，燃烧时改变燃烧参数，燃烧后对尾气有害物质进行后处理来控制船舶有害气体的排放。管理上从节约能源，提高燃料的利用率的角度提出减少船舶有害气体排放的管理理念和方法。
关键词：船舶有害气体排放控制
引言
随着海上运输业的蓬勃发展，船舶数量急剧增长，创造了巨大的经济利益，同时其有害气体的排放引起了严重的环境问题。据有关统计，船舶承担了世界97%的贸易运输量，消耗世界能源的3%，但其动力装置的排放量也是相当惊人的。排放约占全球排放的7%，排放约占全球排放的4%，同时每年还向大气中释放上亿吨的有害固体颗粒。下表展示了柴油机排气组成：
为了有效控制船舶有害气体的排放，国际海事组织（IMO）、区域组织制定了针对船舶尾气排放的强制性法规。《MARPOL》公约第VI条，明确强调了防止船舶大气污染；新造船舶EEDI着重强调了绿色船舶；《船舶能效管理计划（SEEMP）》对船舶的节能减排做出具体要求；2015年全面实施的航运碳减排机制（MBM）、国际GHG排放基金（GHGFund）、全球排放交易体系（ETS）等都强有力的促进了船舶行业节能减排的进一步改革。
全球气温升高，“温室效应”加剧，生态平衡被破坏。船舶尾气是温室效应形成的主要因素之一；船舶尾气CO是一种无色无味的有毒气体，主要是由于燃料的不完全燃烧形成的；HC是由于燃油的芳香烃、烃类物质未然或未完全燃烧所形成的，对人体呼吸道有很强的刺激性，在紫外线的照射下是形成光化学烟雾的主要因素之一。PM是船舶柴油机中排出的气体和固体，含有大量的有毒物和致癌物，对环境造成一定的危害，散播在空气中的PM可以通过呼吸作用进入肺部，引起肺部病变。因此，船舶尾气引起了国际、国内各界的广泛关注，越来越严格的强制性法规将迫使船舶从技术上和管理上对尾气排放做出严格的控制。
技术上解决方案
船舶尾气作为大气污染的重要污染源，控制排放问题是人类面临的一个紧急而又迫切的任务，众多国内外研究学者深入研究了船舶有害气体的产生机理。本文在技术上从燃烧前（使用替代燃料）、燃烧时（改善燃烧条件）、燃烧后（对尾气进行综合处理）三种情况预防、控制和处理船舶有害气体。
1、燃烧前的控制
燃烧前的控制处理主要是采用清洁能源或燃烧前对燃料进行预处理，以达到在燃烧过程中不产生或少产生有害排放物的目的。船舶传统燃料是重油，由于重油本身的成分问题及杂质较多，在燃烧过程中容易产生有毒有害气体，选用清洁能源是理想的选择。醇类燃料是理想的选择之一，由于醇类燃料只含有碳、氢、氧三种元素，在柴油机中燃烧不会产生有害气体，完全符合环境友好型社会发展的需要，能够满足国际社会和地方组织严格的法律法规的要求。LNG混合双动力已在船舶动力上开始应用，表现出了良好的动力性和排放性，具有很大的发展前景。风帆助航已在国外的一些船舶上尝试应用实施，利用现代先进的计算机技术，不间断跟踪风向，以获得更高的效率。据计算，采用风帆助航可以节约5%的燃油消耗，进而减少了船舶有害气体的排放。燃油乳化是在燃油中掺水形成乳化油，当乳化油喷入柴油机时，油中的水被蒸发，燃烧温度峰值下降，排放量大大降低，燃油乳化可以改善柴油机的排放性。
2、燃烧时处理
燃烧时处理主要采用改变柴油机的结构参数或燃烧参数来控制燃烧过程以减少有害气体的排放。燃烧时柴油机内最高燃烧温度高达1600℃～1800℃，当温度高于1400℃时，生成大量的有害气体，因此应设法降低温度峰值，减少排放。推迟喷射是一种减小喷油提前角、缩短滞燃期的喷射方式，它使温度峰值降低，减少有害气体生成。稀薄燃烧是一种新型的燃烧方式，增大空燃比使可燃气体充分混合，提高燃烧效率，同时大大减少CO、HC和PM的排放量，是一种理想的改变燃烧参数减少有害气体产生的方法。喷油器喷嘴的形状决定了高压油束进入气缸的方式，进而影响混合气的形成，影响燃烧产物。最新技术滑动式“小压力室”型喷油器能够有效的减少CO、HC和积碳等颗粒物在燃烧室的沉积，是一种较理想的喷嘴形式。高压喷射采用较高的喷射压力，缩短了喷油时间，加大了喷油速率，增强了卷入油束的空气量，减少了颗粒物的排放。加水处理是让一定量的水进入气缸，在燃烧过程中汽化吸热，降低温度峰值，减少有害气体的生成。加水有进汽加湿和直接喷水两种方式。通过加水处理可以有效的降低温度峰值，使排放量减少50%～60%。废气再循环（EGR）使部分废气再次进入气缸循环，参与燃烧，大大降低了燃烧温度，可使排放量降低30%以上。
3、燃烧后处理
燃烧后处理是船舶尾气排向大气之前的处理，旨在减少船舶尾气有害物质的含量。水洗法是用水洗涤尾气，将船舶尾气通过水之后再排向大气。这种方法可以大大降低有害物质的含量，同时可去除固体颗粒的含量。静电分离法首先让微粒带电，然后微粒被吸附到极性相反的电极板上，可有效减少固体杂质的含量，但需要定时清除杂质以保证高效的吸附性。微粒过滤法采用蜂窝状陶瓷微粒搜捕器，船舶尾气通过时，固体颗粒在进口处堆积，可有效减少固体杂质对大气的污染，但同时颗粒的堆积会增加排气阻力，因此要定期清理。催化转化法（SCR）是目前大幅度减少的有效方法，在适当的温度下，以氨或尿素为还原剂，此种方法可减少废气中达90%以上。
解决方案
管理是组织者对所拥有的资源进行有效的决策、计划、组织、领导、控制，以便达到既定组织目标的过程。船舶是移动的国土，动力系统、电力系统、甲板机械等系统都需要消耗能量，科学、有效的组织，合理的调度，能够减少不必要的能量浪费，进而减少有害气体的排放。现代营运船舶应结合自身的特点，制定高效的管理计划，降低运行成本，节约燃料，减少有害气体的排放。
1、制定最佳航线
船舶穿梭于大洋之间，不同地区的海流密度、海流方向、风向不同，船长应该根据公司的航行计划及结合当前海况、水文条件及时作出调整，制定最佳航线。充分利用洋流、潮汐、风向等因素制定船舶的航向，节约自身燃料的消耗，进而减少有害气体的排放，实现经济效益和环保效益的双丰收。
2、采用经济航速
船舶应该根据自己的航行任务并结合自身航行条件制定最低燃油消耗率的经济航速。船舶的燃油消耗率与速度的二次方成正比，随着速度的增加，燃油消耗量急剧增加。在完成航次任务的前提下，应尽可能采用经济航速，减少燃料的消耗，降低有害物质的排放。但当船舶速度过低时，最高爆压过低，燃烧不充分，油耗率大增，同时固体颗粒、碳氢化合物、CO的排放量大大增加。
3、加强船舶的维护保养
船舶的辅机设备、甲板机械设备、电力设备在平时应加强维修保养。设备较少故障率，可以减少不必要的能量消耗，节约燃油，减少有害气体的排放。船体内设备为船舶的正常运行提供必要的动力支持，是能量消耗的集中地，应加强维修管理。船体浸泡于水下，航行于不同的海域，不同的水文条件和水生生物对船体防污减阻提出了更高的要求。船壳表面保持光洁，以减少航行阻力。首先应该涂良好的防锈保护漆，避免海水对船壳锈蚀；海洋生物，尤其是贝类生物，容易吸附在船壳上，增大航行阻力，因此船壳需要涂抹合适的杀虫剂，维持船壳表面的光洁，以减小阻力，节约燃料。螺旋桨将船舶柴油机的回转力转化为推力作用于船体，螺旋桨的推进效率很大程度影响了燃油的消耗率。螺旋桨应合理布置导流罩，减少空泡腐蚀，增加推进效率，节约燃料，减少船舶尾气的排放。
结论
越来越严格的国际法律法规以及人们对环保的日益重视，船舶有害气体的排放已引起了社会各界的广泛关注。以LNG、燃料电池、太阳能、风能为替代燃料新技术的优化与改善，必将大大改善船舶有害气体的污染；更加完善、规范、科学的船舶管理体系，将弥补管理上的漏洞，大幅度提升船舶能源的有效利用率，减少船舶有害气体的排放。
（作者单位：重庆市涪陵区港航管理局）
