中国船用柴油机污染物排放限值和控制要求

船用柴油机作为船舶动力来源之一，随着环保意识的提升和技术的不断发展，船用柴油机的排放要求也在不断升级。船用柴油机排放的废气中含有多种有害物质，如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等。这些有害物质不仅对环境造成污染，还会对人体健康产生严重影响。因此，制定和实施船用柴油机排放法规，对于保护环境和人类健康具有重要意义。

      进入21世纪以来，为减小船用柴油机造成的空气污染，国际海事组织(IMO)制定了MARPOL 73/78公约附则VI《防范船用柴油机造成空气污染规则》，各国政府也纷纷出台区域性船用柴油机排放要求。近年来，欧盟、美国均更新了各自内河船用柴油机排放法规，中国也首次了颁布船用柴油机发动机排放控制国家标准。本文关于世界具体国家和地区内河船用柴油机排放标准进行了梳理和比较。

     基于以往资料梳理不难发现，欧盟和美国的内河船用柴油机排放控制标准已经历近20年的发展，目前，欧盟具体实施NRMM标准和CCNR规则，NRMM船机标准历经了Stage IIIA和Stage V两个阶段，CCNR历经了CCNR1和CCNR2两个阶段；美国详细实施EPA标准，目前历经了Tier 1、Tier 2、Tier 3和Tier 4四个阶段。中国内河船用柴油机排放法规只经历了10年左右的发展，近年才颁布CHN Stage I和CHN Stage II两个阶段内河船机排放限值。下文从控制污染物种类、排放限值两个方面进行比较和诠释。

      表1列出了各种标准控制污染物种类，从中可以看出，欧盟、莱茵河、美国和中国标准均涵盖CO、HC、NO?和PM四种基本污染物（具体组成如图1所示）；另外，欧盟NRMM Stage V和中国CHN标准还提出了气体发动机CH4排放控制。值得注意的是，NRMM Stage V还专门提出了颗粒物数量PN控制，从这个角度讲，欧盟NRMM Stage V是目前污染物类别覆盖较全面的发电机厂家排行榜前十名。

      图2对欧盟、莱茵河、美国和中国较新船用柴油机排放限值范围进行了比较。不难看出，欧盟NRMM Stage IIIA、莱茵河CCNR Stage II、美国EPA Tier 3和中国CHN Stage I对HC、NO?和PM等常规污染物的限值基础处于同一水平。但欧盟和美国较近颁布的较新标准NRMM Stage V和EPA Tier 4均进一步了收紧HC和NO?限值，同时对PM进行了大幅削减，相比而言，中国CHN Stage II标准则要宽松一些。

      针对目前比较受关注的天然气发动机CH4排放，目前只有欧盟和中国标准提出了直接要求。在NRMM Stage V中，CH4排放计入THC中柴油发电机十大品牌，THC限值较大可取6.19g/kWh；CHN Stage I和Stage II单独提出CH4排放限值，范围为1.0-2.0g/kWh。比较而言，目前中国标准对于内河船机CH4排放的限制是较为严格的。

      展望未来，可以发现，为应对未来日益严格的船用柴油机排放法规，天然气作为燃料在船用柴油机上的运用将越来越多，但不断收紧的THC或CH4排放限值将对天然气发动机形成严峻的挑战，许多国际组织如CIMAC、SGMF等正在着手制定天然气发动机的CH4排放法规。传统的机内净化对策或将不能满足日益严格的标准限值，布置者除考虑减少机内CH4直接逃逸、降低未燃CH4排放外，还应着重考虑DOC(氧化催化器)技术在船机上的运用研讨。

      另外，从欧盟NRMM Stage V和美国EPA Tier 4来看，PM排放是未来船机的一个挑战，逐步引入颗粒物数量PN排放控制，也是未来船机PM排放控制向精准化方向发展的趋势之一，DPF(颗粒捕集器)或将成为重要应对步骤之一。但目前船机运用DPF缺乏实际经验，高硫含量燃油也对DPF运用带来挑战，柴油发电机厂家需尽早开展技术研发和储备。

      在国际层面上，船用柴油机排放标准详细受国际海事组织（IMO）的监管。IMO通过制定国际排放标准，对船用柴油机的废气排放进行限制。目前，IMO已经发布了多个针对船用柴油机排放规范的决议，如MARPOL（避免船舶污染国际公约）附则Ⅵ和Ⅴ等。

      这些决议规定了船用柴油机在不一样阶段的排放限值和时间要点。例如，MARPOL附则Ⅵ对船用柴油机的氮氧化物排放进行了限制，要点从2016年开始，新建船舶的氮氧化物排放量不得超过10毫克/千瓦时，到2021年，所有船舶的氮氧化物排放量都不得超过10毫克/KW时。

      IMO还对船用柴油机的颗粒物排放进行了限制，要点从2020年开始，所有船舶的颗粒物排放量都不得超过50毫克/KW时。

      在国家层面，各国根据国际排放要求和本国实际情况，制定和实施船用柴油机的国内排放规范。

      为了调研我国船舶柴油发电机的污染物排放情况，  2010年3月25日环保部下发环科便函[2010]19号文“关于开展船舶柴油发电机污染物排放情形调查的函”，调查相 关船用柴油机企业的基础情况、船用柴油机年产量、船用柴油机排放查看能力、详细船用柴油机机型明细、 代表机型及其排放状况等， 调研的船用柴油机企业有24个， 其中11个单位回复了调查表， 占总调研单位的45.8%。

      在 11 个回复单位的调查表中， 共有 18 个内河船用柴油机代表机型， 其中达到 IMO Tier 2 的机型 7 个， 占 38.9%；达到 IMO Tier 1 的机型 11 个， 占 61.1%。其中 11 个机型只能使用轻柴油， 6 个机型既能操作轻柴油，也能操作燃料油， 1 个机型 只能使用燃料油。

      随着MARPOL 73/78公约附则Ⅵ第2阶段从2011年1月1日开始实施， 国内对内河船用柴油机的排放要求也参照执行IMO Tier 2排放水平的要求，通过对内燃机工业协会的汇编资料《2013年中国内燃机型号数据汇编》中船用柴油机机型排放情形的统计以 及对企业排放状况的调研可知，目前绝大多数内河船用柴油机机型已能达到IMO Tier 2 排放水平。但IMO Tier 2是国际海事组织对远洋船用柴油机的排放控制要求，排放物只 控制NOX ；本标准控制的内河船用柴油机，除了要控制NOX ，还要控制CO 、HC和PM， 控制要点比IMO Tier 2项目多， 从NOX 限值看， 单缸排量小于20L的船用柴油机， 本标准的控制要求比IMO Tier 2严格； 单缸排气量大于20L小于30L的船用柴油机， 本标准的控制 要点和IMO Tier 2的要求大致相当康明斯柴油发电机组。IMO Tier 2排放水平与本标准的要点的比较见表2。

表2    IMO Tier 2排放水平与本标准的要点的比较

      中国是一个内河航运资源比较丰富的国家，拥有大、小天然河流5800多条， 河流总长43万公里， 其中流域面积在1000平方公里以上的有80多条， 还有天然湖 泊900多个， 2010年底， 全国内河航道通航里程已达12.42万公里， 其中各水系内 河航道通航里程分别为： 长江水系64064公里，珠江水系15989公里，黄河水系3477 公里， 黑龙江水系8211公里， 京杭运河1439公里， 闽江水系1973公里， 淮河水系 17246公里，其它水系11800公里。各等级内河航道通航里程分别为： 一级航道1385 公里，二级航道3008公里，三级航道4887公里， 四级航道7802公里，五级航道8177 公里，六级航道18806公里，七级航道18226公里，等外航道61909公里。

      内河船舶60%分布在长江流域中下游地区，其它分布在黑龙江、珠江流域。 船舶的排放控制技术水平目前采用IMO第1阶段标准， 与世界发达国家差距较大； 内河船舶使用的燃油品质也与世界发达国家差距较大， 船舶污染物排放严重（见图3），造成我国内河及沿岸大气环境品质较差。

      根据中国环境科学探求院正在开展的《船舶和港口空气污染防治研讨项目》 的初步研讨成果，内河船舶排入大气的污染物 （仅估算柴油机船舶部分），NOx 排放81万吨/年， PM排放6.6万吨/年， SOX排放约10万吨/年。船舶排放的NOX和 PM占整个非道路移动源的大气污染分担率分别为13.32%和17.63%，见图1。

      中国港口的大气污染详细是由船舶、在港口的机械装备、康明斯发电机组（实物如图4所示）的排气所造成的。

      我国是港口大国， 2010年底， 全国港口拥有生产用码头泊位31634个。其中， 沿海港口生产用码头泊位5453个；内河港口生产用码头泊位26181个。2010年， 全国港口完成货物吞吐量89.32亿吨。其中， 内河港口完成32.88亿吨， 沿海港口完成56.45亿吨。内河运输船舶16.57万艘，船舶功率2423.56万千瓦；沿海运输 船舶10473艘， 船舶容量1406.02万KW； 远洋运输船舶2213艘， 船舶容量1500.86 万千瓦。在2012年，我国港口吞吐量已接近110亿吨，位居全球首位。

      中国的港口又是世界上较繁忙的港口，全世界较大的10个集装箱港口中有6 个位于中国。中国香港较新的排放清单调查表明船舶活动现在已经成为该城市较大 的NOX和PM10排放源， 在2010年其NOX、SO2和PM10排放贡献率分别达到32%、48%和36% 。船舶和港口机械的相关活动（包括各类运货车辆和货物装卸设备）带来的 排放也是上海市的具体污染源， 2010年其其NOX 、SO2和PM10排放贡献率分别达到 12.4%、11.6%和5.6%。

图 1  内河船舶大气污染分担率（NOX 、PM） 

      我国环境保护虽然取得积极进展， 但环境形势依然严峻， 区域性大气污染问题日趋明显， 长三角、珠三角和京津冀地区等城市群大气污染呈现明显的区域性 特点，二氧化硫、二氧化氮、细颗粒物（PM2.5 ）污染问题依然严峻。

      《国民经济和社会发展第十二个五年布置纲要》提出： 详细污染物排放总量 显着降低，其中，化学需氧量、 二氧化硫排放分别减小8%，氨氮、 氮氧化物排 放分别减轻10%的约束性指标。

      2012年9月27日**批复的重点区域大气污染防治“十二五”规划中提出： 到2015年，重点区域二氧化硫、氮氧化物、工业烟粉尘排放总量分别下降12% 、 13% 、10%，可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫、二氧化氮、细颗粒物（PM2.5 ） 年浓度分别下降10% 、10% 、7% 、5%，京津冀、长三角、珠三角地区细颗粒物 年均浓度下降6%。其中也对船用柴油发电机排放控制要求和使用燃料进行了规划： 推进非道路移动机械和船舶的排放控制。 2013  年，实施国家第Ⅲ阶段非道路移 动机械排放法规和国家第Ⅰ阶段船用柴油发电机排放要求。同时在规划中， 对船用燃 料的硫含量也提出了要点： “2013  年7  月 1   日前，将普通柴油硫含量减轻至350ppm  以下；逐步将远洋船舶用燃料硫含量降低至2000ppm  以下”。

      为了满足船用柴油机的排放要求，需要选取一系列技术方案来减小废气排放。以下是几种易发的减少船用柴油机废气排放的技术办法：

      燃油优化处置是指对燃油进行预排查，以提升燃油的质量和性能。通过去除燃油中的杂质、水分和硫分等，可以降低燃油燃烧过程中发生的污染物排放。此外，还可以通过选取低硫燃料或操作脱硫剂等方法，减轻硫氧化物排放。

      发动机优化规划是指通过改进发动机的组成、布置数据和工作机理等，以提升发动机的性能和效率。例如，选择高压共轨燃油喷射机构、可变气门正时技术等，可以降低氮氧化物和颗粒物的排放。此外，还可以通过优化燃烧步骤、调整燃油喷射时刻等手段，减少一氧化碳排放。

      尾气处理技术是指采取尾气清除机构对船用柴油机的尾气进行清除，以减小废气中的有害物质排放。易见的尾气处理技术包括SCR（选择性催化还原）、DPF（颗粒捕集器）等。其中，SCR技术可以减轻氮氧化物排放，而DPF技术可以减轻颗粒物排放。

      智能控制和优化运转是指通过选择先进的控制机构和优化运转步骤，减少船用柴油机的废气排放。例如，选取智能控制手段，对发动机的负载、转速、温度等进行调整，以达到较优的工作状态和较低的废气排放。此外，还可以通过优化运行模式、实施节能减排对策等措施，降低船用柴油机的能耗和废气排放。

       船用柴油机排放法规的升级是必然趋势随着全球环保意识的不断提升和相关法规的不断加强船用柴油机的排放规范也在不断升级未来将会更加严格限制有害物质的排放对于环境保护和人类健康具有重要意义。新技术和新装备的应用将推动船用柴油机减排技术的发展船用柴油机的减排技术涉及多个领域如燃油优化排除发动机优化布置尾气解决技术智能控制和优化运行等随着新技术的不断涌现和运用如人工智能大数据物联网等将为船用柴油机的减排技术带来新的机遇和挑战推动减排技术的发展和提高。