摘要：船用柴油機作為船舶動(dòng)力來(lái)源之一，隨著(zhù)環(huán)保意識的提高和技術(shù)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(zhì)，如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、顆粒物等。這些有害物質(zhì)不僅對環(huán)境造成污染，還會(huì )對人體健康產(chǎn)生嚴重影響。因此，制定和實(shí)施船用柴油機排放標準，對于保護環(huán)境和人類(lèi)健康具有重要意義。

一、比較與展望

      進(jìn)入21世紀以來(lái)，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則》，各國政府也紛紛出臺區域性船用柴油機排放標準。近年來(lái)，歐盟、美國均更新了各自?xún)群哟貌裼蜋C排放標準，中國也首次了頒布船用柴油機發(fā)動(dòng)機排放控制國家標準。本文針對世界主要國家和地區內河船用柴油機排放標準進(jìn)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(jīng)歷近20年的發(fā)展，目前，歐盟主要實(shí)施NRMM標準和CCNR規則，NRMM船機標準歷經(jīng)了Stage IIIA和Stage V兩個(gè)階段，CCNR歷經(jīng)了CCNR1和CCNR2兩個(gè)階段；美國主要實(shí)施EPA標準，目前歷經(jīng)了Tier 1、Tier 2、Tier 3和Tier 4四個(gè)階段。中國內河船用柴油機排放標準只經(jīng)歷了10年左右的發(fā)展，近年才頒布CHN Stage I和CHN Stage II兩個(gè)階段內河船機排放限值。下文從控制污染物種類(lèi)、排放限值兩個(gè)方面進(jìn)行比較和分析。

1、污染物種類(lèi)

      表1列出了各種標準控制污染物種類(lèi)，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(dòng)機CH₄排放控制。值得注意的是，NRMM Stage V還專(zhuān)門(mén)提出了顆粒物數量PN控制，從這個(gè)角度講，歐盟NRMM Stage V是目前污染物類(lèi)別覆蓋最全面的。

表1    不同國家和地區內河船用柴油機排放標準控制污染物種類(lèi)

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(jìn)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(jìn)一步了收緊HC和NO?限值，同時(shí)對PM進(jìn)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(guān)注的天然氣發(fā)動(dòng)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(lái)，可以發(fā)現，為應對未來(lái)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(lái)越多，但不斷收緊的THC或CH₄排放限值將對天然氣發(fā)動(dòng)機形成嚴峻的挑戰，許多國際組織如CIMAC、SGMF等正在著(zhù)手制定天然氣發(fā)動(dòng)機的CH₄排放標準。傳統的機內凈化措施或將無(wú)法滿(mǎn)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(zhù)重考慮DOC(氧化催化器)技術(shù)在船機上的應用研究。

      另外，從歐盟NRMM Stage V和美國EPA Tier 4來(lái)看，PM排放是未來(lái)船機的一個(gè)挑戰，逐步引入顆粒物數量PN排放控制，也是未來(lái)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(shí)際經(jīng)驗，高硫含量燃油也對DPF應用帶來(lái)挑戰，柴油發(fā)電機廠(chǎng)家需盡早開(kāi)展技術(shù)研發(fā)和儲備。

圖1  發(fā)動(dòng)機尾氣排放污染物組成

圖2  不同國家和地區柴油發(fā)動(dòng)機排放法規比較

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?chē)H海事組織（IMO）的監管。IMO通過(guò)制定國際排放標準，對船用柴油機的廢氣排放進(jìn)行限制。目前，IMO已經(jīng)發(fā)布了多個(gè)關(guān)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。

      這些決議規定了船用柴油機在不同階段的排放限值和時(shí)間要求。例如，MARPOL附則Ⅵ對船用柴油機的氮氧化物排放進(jìn)行了限制，要求從2016年開(kāi)始，新建船舶的氮氧化物排放量不得超過(guò)10毫克/千瓦時(shí)，到2021年，所有船舶的氮氧化物排放量都不得超過(guò)10毫克/千瓦時(shí)。

      IMO還對船用柴油機的顆粒物排放進(jìn)行了限制，要求從2020年開(kāi)始，所有船舶的顆粒物排放量都不得超過(guò)50毫克/千瓦時(shí)。

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(shí)際情況，制定和實(shí)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(guān)于開(kāi)展船舶柴油發(fā)電機污染物排放情況調查的函”，調查相 關(guān)船用柴油機企業(yè)的基本情況、船用柴油機年產(chǎn)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(gè)， 其中11個(gè)單位回復了調查表， 占總調研單位的45.8%。

      在 11 個(gè)回復單位的調查表中， 共有 18 個(gè)內河船用柴油機代表機型， 其中達到 IMO Tier 2 的機型 7 個(gè)， 占 38.9%；達到 IMO Tier 1 的機型 11 個(gè)， 占 61.1%。其中 11 個(gè)機型只能使用輕柴油， 6 個(gè)機型既能使用輕柴油，也能使用燃料油， 1 個(gè)機型 只能使用燃料油。

      隨著(zhù)MARPOL 73/78公約附則Ⅵ第2階段從2011年1月1日開(kāi)始實(shí)施， 國內對內河船用柴油機的排放要求也參照執行IMO Tier 2排放水平的要求，通過(guò)對內燃機工業(yè)協(xié)會(huì )的匯編資料《2013年中國內燃機規格參數匯編》中船用柴油機機型排放情況的統計以 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(jiàn)表2。

表2    IMO Tier 2排放水平與本標準的要求的比較

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(gè)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(cháng)43萬(wàn)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(gè)， 2010年底， 全國內河航道通航里程已達12.42萬(wàn)公里， 其中各水系內 河航道通航里程分別為： 長(cháng)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(cháng)江流域中下游地區，其它分布在黑龍江、珠江流域。 船舶的排放控制技術(shù)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(zhì)量也與世界發(fā)達國家差距較大， 船舶污染物排放嚴重（見(jiàn)圖3），造成我國內河及沿岸大氣環(huán)境質(zhì)量較差。

      根據中國環(huán)境科學(xué)研究院正在開(kāi)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(wàn)噸/年， PM排放6.6萬(wàn)噸/年， SOX排放約10萬(wàn)噸/年。船舶排放的NOX和 PM占整個(gè)非道路移動(dòng)源的大氣污染分擔率分別為13.32%和17.63%，見(jiàn)圖1。

2、中國港口大氣污染問(wèn)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(shí)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(chǎn)用碼頭泊位31634個(gè)。其中， 沿海港口生產(chǎn)用碼頭泊位5453個(gè)；內河港口生產(chǎn)用碼頭泊位26181個(gè)。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(wàn)艘，船舶功率2423.56萬(wàn)千瓦；沿海運輸 船舶10473艘， 船舶功率1406.02萬(wàn)千瓦； 遠洋運輸船舶2213艘， 船舶功率1500.86 萬(wàn)千瓦。在2012年，我國港口吞吐量已接近110億噸，位居全球首位。