傳媒之聲 | 對船用低速機排放的認識和雙碳戰略下未來技術和產品發展的思考 (一)

2022年07月14日21:32:32 科學 1859

來源：中船動力集團

對船用低速機排放的認識

和雙碳戰略下未來技術

和產品發展的思考 (一)

陶國華劉博 Marcel Ott 桂勇

前言

鑒於當前雙碳討論的“熱烈”，也基於當前討論的“眾說紛紜”，我們嘗試“站在行業外看行業”和“跳出動力看動力”提出一些問題，做一些研究，並就當前現狀作一些思考，供行業參考。同時嘗試把我們對本專業的認識在和同行交流時也能給行外人士一些介紹。

（本文實際探討的是船用低速機在使用即船舶航運階段的排放情況以及對未來產品發展的重點的思考。我國是船舶製造業大國，在船舶製造過程中的排放包括污染物以及碳排放也是值得關注的，這需要另外探討）

一、船用低速機在全球經濟生活中的重要性以及對於船舶發展的重要作用

世界貿易的80%（運輸載重量）/70%（運輸價值量）是由海運業完成，而全球海運的主動力80%-90%（功率數）是由船用低速機這一技術產品提供，所以當我們在討論船用低速機這一技術產品時也可以理解成我們正在討論推動世界貿易運輸量達到60%-70%的一款動力輸出產品，它對全球經濟生活的重要作用及意義毋庸置疑。（為什麼這個技術產品能有如此地位以及未來是否還有持續的生命力？）這種地位意味着我們討論的該技術產品問題的價值和意義。

船用低速機，即大家熟知的二衝程往複式內燃機，其原理是通過在一個密閉的容積內燃燒某一種燃料產生高溫高壓的工作氣體推動機械機構做功進而輸出推動船舶前進需要的螺旋槳動力，同時燃燒產生的工作氣體完成做功後經過一系列設備排向大氣，其本質是將儲有化學能的燃料通過燃燒轉化成熱能，再由熱能轉化成機械能的能量轉化裝置。船用低速機作為整個船舶的心臟不僅是所有船舶設備中最為重要的設備（形象的稱呼其名“主機/英文名Main Engine”），其技術進步也是船舶設計不斷提高改進的主要推動力量之一。由於船舶海運的特殊性，作為船舶安全運營的基本保障，船用低速機的安全可靠性需要更重視。船用低速機和船舶之間的特殊關係，使得我們討論船舶發展時必須充分重視船用主機（主要是船用低速機）的發展。比如集裝箱船的設計大型化必須以船用低速機超大功率可獲得性設計（超過十萬馬力等）為前提；船用低速機熱效率的提升是船舶能效設計指數(EEDI)提高的重要舉措之一；船用低速機的排放是船舶排放的主要產生來源之一等。對於船用低速機而言，其效率（經濟性）、環保、可靠性是其最重要的產品要素。

二、船舶排放的情況

每個行業、每個技術產品對於環境影響的排放有其特點，精準有效治污減排的前提在於準確、客觀、完整的掌握本行業本技術產品的實際排放狀況。在討論船用低速機的排放和“雙碳”發展前，有必要了解當前關於船舶“排放”的一些基本情況。船舶排放主要分為“污染物排放”和“溫室氣體排放”等：污染物包括：NOX、SOX、PM（顆粒物，其中的不可溶的BC（黑碳）同時具有溫室氣體效應）；溫室氣體GHG包括：CO2、CH4、N2O。船舶“排放物”的產生主要是船舶設備（主輔機及燃油鍋爐等）燃料燃燒後的生成物，其成分和濃度取決於不同化學成分的燃料以及不同技術路徑導致的燃燒機理結果。

在當前現有的世界航運船舶船隊中的主輔機主要採用重油和柴油為燃料採取二衝程Diesel循環技術路徑的船用低速機和四衝程Diesel循環技術路徑的船用中速機，其產生的排放物即是船舶排放物的主要來源。

污染物：

NOX

NOX（IMO法規中包括NO和NO2）的產生機理是燃燒時高溫富氧的燃燒環境導致；NOX進入人體肺部,可引起支氣管炎或肺氣腫；NOX還能和大氣中其他污染物發生光化學反應形成光化學煙霧污染；NOX 在大氣中反應生成硝酸,是造成硝酸性酸雨的原因之一。

SOX

SOX（主要是SO2）的產生與燃料中的含硫量緊密相關；它對人體的危害主要是刺激人的呼吸系統，它可與大氣中其它成分結合形成硫酸霧，嚴重時會發生煙霧事件（如倫敦煙霧事件），也是造成硫酸性雨的原因（酸雨中硫酸雨佔主要地位）。

PM（顆粒物）的產生機理是由於燃料油中的雜質和未完全燃燒的中間產物。PM不僅本身對人的呼吸系統有害，而且碳煙粒的孔隙中往往吸附着二氧化硫及有致癌作用的多環芳香烴等物質。

溫室氣體（GHG）：

CO2排放主要來自於含C燃料燃燒，溫室氣體效應可用GWP來表徵，即100年以上的時間跨度內脈動排放的全球變暖潛能值。CO2的GWP為1；CH4主要來自甲烷燃料逃逸和未充分燃燒（GWP為28）；N2O主要來自於化石燃料和生物質燃料燃燒。目前，關於內燃機中N2O產生和控制的研究較少，但它的溫室氣體效應很強，未來需要業界引起關注（GWP為265）。此外黑碳（BC）是污染物PM中的不可溶碳粒形式，不屬於溫室氣體，但具有較強的溫室效應（GWP為900）。溫室氣體排放導致全球平均氣溫上升，引發冰蓋融化、極端天氣、乾旱和海平面上升等。

三、船舶排放及船用低速機的實際情況

以下對船舶排放及船用低速機的排放狀況予以研究，從法律法規及政策的約束邊界而言，國際航運帶來的實際排放並不在一個國家的排放統計範圍內，因此，本文採取國際航運以及低速機排放和國家間排放量的比較可以更好的審視我們行業的排放情況。國際航運是以國際海事組織（IMO）統計為口徑，跨國/地區間港口的運輸。

同時，為更好的評估船用低速機的實際排放狀況，我們採取了以下的計算邊界條件（也歡迎有不同的測算方法）：

散貨船、油輪、集裝箱船、化學品船、液化天然氣船、雜貨船是國際航運中主要的船舶，根據《Fourth IMO GHG Study 2020》數據，2018年，這六類船舶占國際航運船舶載重噸的93.1%、數量的39.6%。這些船舶主機通常會選擇低速機，與低速機數量的佔比38.6%的數據相接近。因此可近似認為這六類船舶使用的主機皆為低速機。這六類船舶消耗總燃油的85.4%，其中主機消耗占這其中的80%左右，因此估算低速機總消耗的燃油約佔國際航運業68.4%。

據此，分析以下排放數據：

NOX

2018年，全球國際航運業NOX排放量佔1665.5萬噸，佔全球13.4%.。如果與國家相比，國際航運業均僅次于于中國的2833.3萬噸，高於美國的1118.4萬噸，排名第二。

通過《Fourth IMO GHG Study 2020》數據，可知2018年散貨船、油輪、集裝箱船、化學品船、液化天然氣船與雜貨船這六類船舶主機的總燃料消耗量為16458.2萬噸，由於這些船舶的主機通常為低速機，其油耗可按169g/kWh計算，因此可計算出2018年六類船舶的主機（近似等同低速機）總功約為9.74×1011kWh。2011年前船舶低速機NOX排放因子為17.0g/kWh（Tier I），2011年後為14.4g/kWh（Tier II），為了便於計算，取所有低速機NOX排放因子為兩者平均值，即15.7g/kWh。使用2018年低速機總功乘以排放因子，可計算出2018年低速機排放NOX約1528.96萬噸，約為占國際航運業的91.8%，全球12.3%。僅次於中國，高於美國，按國家排名第二。

SO2

2018年，國際航運業SO2排放1009.3萬噸，佔全球8.58%。如果與國家相比，少於印度的1220.9萬噸，高於美國的758.8萬噸，排名第三。

SO2排放量是由燃料本身的分子量所決定，低速機總消耗的燃油約佔國際航運業68.4%，如果燃油完全燃燒，則產生的SO2則也占國際航運業的68.4%，全球5.87%，即大約690.4萬噸，僅次於智利，高於科威特，按國家排名第二十五。

-PM2.5

2018年，國際航運業PM2.5排放166.5萬噸，佔全球4.09%。如果與國家相比，少於巴西的166.9萬噸，高於印度尼西亞的162.0萬噸，排名第五。

PM2.5計算方法與NOX類似，由總功和排放因子得出。低速機PM單位排放量約為1.25g/kWh，乘以低速機2018年總功後可得低速機排放PM2.5約為121.7萬噸，占國際航運業的73.11%，佔全球約2.99%，少於美國的139.2萬噸，高於越南的70萬噸，按國家排名第七。

-PM10

2018年，國際航運業PM10排放166.7萬噸，佔全球2.59%。如果與國家相比，少於美國的212.2萬噸，高於埃塞俄比亞的122.1萬噸，排名第七。

PM10計算方法與NOX類似，由總功和排放因子得出。低速機單位PM排放量約為低速機約為1.36g/kWh，乘以低速機2018年總功後可得低速機排放PM10約為132.4萬噸，占國際航運業的79.4%，佔全球約2.06%，如果與國家相比，少於美國的212.2萬噸，高於埃塞俄比亞的122.1萬噸，排名第七。

CO2

2018年，國際航運業CO2排放量7.04億噸，約佔全球2%.。如果與國家相比國際航運略少於伊朗，高於德國，排名世界第七。

CO2排放與SO2統計方式相同，均是由燃料本身的分子量所決定，低速機總消耗的燃油約佔國際航運業68.4%，認為燃料完全燃燒，那麼低速機排放的CO2經計算約佔國際航運業的68.4%，全球1.37%。即大約5.05億噸，少於加拿大，高於巴西，按國家排名第十二。

N2O

2018年，國際航運業N2O排放9.79萬噸（GWP約256*9.79=2506萬噸，是CO2國際航運排量的3.4%），佔全球1.07%。如果與國家相比，少於伊朗的9.82萬噸，高於波蘭的9.4萬噸，排名第十九。

參考NOX的計算方法，由總功和低速機的排放因子計算N2O。低速機N2O排放量因子按0.03g/kWh考慮，由於目前對N2O缺少研究，實際排放情形可能更為複雜。經估算，低速機排放N2O約為2.92萬噸，約佔國際航運業的29.6%，全球0.32%。僅次於瑞典的2.93萬噸，高於蒙古的2.76萬噸，按國家排名第五十四。

CH4

2018年，國際航運業CH4排放53.34萬噸（GWP約53.34*28=1493萬噸，是CO2國際航運排量的2.02%），佔全球0.14%。如果與國家相比，少於剛果的54.95萬噸，高於古巴的53.28萬噸，排名第八十九。

國際航運CH4排放主要來自於LNG低速雙燃料機和LNG中速雙燃料機甲烷逃逸，根據IMO統計，2018年低速柴油機數量佔比38.6%，LNG-otto低速雙燃料機數量佔比約0.036%，LNG-diesel低速雙燃料機數量佔比約0.076%；以低速機總功率作分母，可近似計算出2018年低速柴油機功率佔比99.711%，LNG-otto低速雙燃料機功率佔比0.093%，LNG-diesel低速雙燃料機功率佔比0.196%；再根據2018年低速機總功9.74×1011kWh，可計算出2018年LNG-otto低速雙燃料機總功為9.06×108kWh，LNG-diesel低速雙燃料機總功為1.91×109kWh。另外，LNG-otto低速雙燃料機單位CH4排放量約為2.5g/kWh，LNG-diesel低速雙燃料機單位CH4排放量約為0.2g/kWh，可計算出2018年LNG-otto低速雙燃料機的CH4排放約為0.226萬噸，LNG-diesel低速雙燃料機的CH4排放約為0.038萬噸，因此2018年LNG低速雙燃料機的CH4排放約為0.264萬噸，占國際航運業的0.49%，佔全球的0.00069%。在2018年，低速雙燃料機大批量應用趨勢剛起步，中速雙燃料機在用的台數遠大於低速機，同時，中速機的甲烷逃逸量大於低速機。如果與國家相比，少於聖多美與普林希比共和國的0.271萬噸，高於塞舌爾的0.245萬噸，排名第一百九十二。

由此，對於2018年國際航運以及船用低速機的排放，我們可有如下結論：

1.國際航運在全球NOX排放總量上僅次於中國，佔全球13.4%，而船用低速機在全球NOX排放總量上也僅次於中國，佔全球10.8%，這是國際航運和船用低速機對於全球排放最大的影響因素。以下國際航運依次為SOX（8.58%）、PM2.5（4.09%）、PM10（2.59%）、CO2（2%）、N2O（1.07%）、CH4（0.14%）；以下船用低速機依次為SOX（5.87%）、PM2.5（2.99%）、PM10（2.06%）、CO2（1.37%）、N2O（0.32%）、CH4（0.00069%）。可見國際航運和船用低速機對全球污染物排放總量有重大影響，其影響程度遠大於溫室氣體排放；

2.船用低速機是國際航運排放的主要貢獻者（除了CH4），特別是NOX（91.8%）、PM10（79.4%）、PM2.5（73.11%）、SOX（68.4%）、CO2（68.4%）、N2O（29.8%）、CH4（0.49%）。

3.國際航運和船用低速機的溫室氣體排放中，CO2的排放絕對量達到7.39億噸 / 5.05億噸，其他具有溫室氣體效應的排放如N2O、CH4僅有數十萬噸，是其整個CO2排放當量的3.4%、2.02%。N2O排放GWP當量總額大於CH4。

圖1 2018年國際航運業及船用低速機排放在全球排放中的比例

如上，我們對於國際航運以及船用低速機在2018年的排放情況有了一個全景式的圖像。同時，以下對國際航運及船用低速機在2010年-2018年的排放趨勢給與研究。

從所有排放物的趨勢可以看出，2012年前船舶有害物與溫室氣體排放均處於高位，2012年出現大幅度下降，2013年達到最低谷，其後則呈現持續增長態勢，稍後增長趨緩。

IMO針對SOX和NOX排放在全球範圍先後制定了限制要求。硫氧化物方面，2005年5月19日，MARPOL附則VI首次生效，要求全球範圍內使用的燃油硫含量不超過4.5%m/m；2012年1月1日起，MARPOL附則VI公約正式生效，硫含量上限為3.5%m/m；2020年1月1日起，IMO在全球範圍內實施船用燃油硫含量不得超過0.50%m/m的規定。氮氧化物方面，2000年1月1日起，IMO 在全球範圍內開始實施Tier I排放標準；2011年1月1日起，IMO Tier II排放標準正式實施。除此之外，IMO設立北美海域和美國加勒比海域2個NOX排放控制區，2016年1月1日起，行駛至該區域內的船舶柴油發動機應滿足Tier III標準。

圖 2 國際航運業2010年-2018年NOX排放（千噸）

圖 3 國際航運業2010年-2018年SO2排放（千噸）

圖 4 國際航運業2010年-2018年PM排放（千噸）

對於溫室氣體排放，2012年前基本處於高位，2012年與2013年處於低谷，但之後進入增長態勢，2013年至2018年的CO2排放增長約14.1%，但從2016年開始，增速明顯放緩，2018年排放基本已與2017年持平，N2O與CH4也呈現出相同的趨勢，唯一不同的是CH4的低谷出現在2014年。通過N2O與CH4排放的CO2當量對比，可分析出目前N2O的CO2當量明顯高於CH4，但目前CH4排放只源於現有的船用LNG發動機，而N2O排放則源於全部的船舶發動機，因此，隨着LNG船舶數量的不斷升高，CH4排放的所造成的溫室氣體效應可能會逐步超越N2O。