传媒之声 | 对船用低速机排放的认识和双碳战略下未来技术和产品发展的思考 (一)

2022年07月14日21:32:32 科学 1859

来源：中船动力集团

对船用低速机排放的认识

和双碳战略下未来技术

和产品发展的思考 (一)

陶国华刘博 Marcel Ott 桂勇

前言

鉴于当前双碳讨论的“热烈”，也基于当前讨论的“众说纷纭”，我们尝试“站在行业外看行业”和“跳出动力看动力”提出一些问题，做一些研究，并就当前现状作一些思考，供行业参考。同时尝试把我们对本专业的认识在和同行交流时也能给行外人士一些介绍。

（本文实际探讨的是船用低速机在使用即船舶航运阶段的排放情况以及对未来产品发展的重点的思考。我国是船舶制造业大国，在船舶制造过程中的排放包括污染物以及碳排放也是值得关注的，这需要另外探讨）

一、船用低速机在全球经济生活中的重要性以及对于船舶发展的重要作用

世界贸易的80%（运输载重量）/70%（运输价值量）是由海运业完成，而全球海运的主动力80%-90%（功率数）是由船用低速机这一技术产品提供，所以当我们在讨论船用低速机这一技术产品时也可以理解成我们正在讨论推动世界贸易运输量达到60%-70%的一款动力输出产品，它对全球经济生活的重要作用及意义毋庸置疑。（为什么这个技术产品能有如此地位以及未来是否还有持续的生命力？）这种地位意味着我们讨论的该技术产品问题的价值和意义。

船用低速机，即大家熟知的二冲程往复式内燃机，其原理是通过在一个密闭的容积内燃烧某一种燃料产生高温高压的工作气体推动机械机构做功进而输出推动船舶前进需要的螺旋桨动力，同时燃烧产生的工作气体完成做功后经过一系列设备排向大气，其本质是将储有化学能的燃料通过燃烧转化成热能，再由热能转化成机械能的能量转化装置。船用低速机作为整个船舶的心脏不仅是所有船舶设备中最为重要的设备（形象的称呼其名“主机/英文名Main Engine”），其技术进步也是船舶设计不断提高改进的主要推动力量之一。由于船舶海运的特殊性，作为船舶安全运营的基本保障，船用低速机的安全可靠性需要更重视。船用低速机和船舶之间的特殊关系，使得我们讨论船舶发展时必须充分重视船用主机（主要是船用低速机）的发展。比如集装箱船的设计大型化必须以船用低速机超大功率可获得性设计（超过十万马力等）为前提；船用低速机热效率的提升是船舶能效设计指数(EEDI)提高的重要举措之一；船用低速机的排放是船舶排放的主要产生来源之一等。对于船用低速机而言，其效率（经济性）、环保、可靠性是其最重要的产品要素。

二、船舶排放的情况

每个行业、每个技术产品对于环境影响的排放有其特点，精准有效治污减排的前提在于准确、客观、完整的掌握本行业本技术产品的实际排放状况。在讨论船用低速机的排放和“双碳”发展前，有必要了解当前关于船舶“排放”的一些基本情况。船舶排放主要分为“污染物排放”和“温室气体排放”等：污染物包括：NOX、SOX、PM（颗粒物，其中的不可溶的BC（黑碳）同时具有温室气体效应）；温室气体GHG包括：CO2、CH4、N2O。船舶“排放物”的产生主要是船舶设备（主辅机及燃油锅炉等）燃料燃烧后的生成物，其成分和浓度取决于不同化学成分的燃料以及不同技术路径导致的燃烧机理结果。

在当前现有的世界航运船舶船队中的主辅机主要采用重油和柴油为燃料采取二冲程Diesel循环技术路径的船用低速机和四冲程Diesel循环技术路径的船用中速机，其产生的排放物即是船舶排放物的主要来源。

污染物：

NOX

NOX（IMO法规中包括NO和NO2）的产生机理是燃烧时高温富氧的燃烧环境导致；NOX进入人体肺部,可引起支气管炎或肺气肿；NOX还能和大气中其他污染物发生光化学反应形成光化学烟雾污染；NOX 在大气中反应生成硝酸,是造成硝酸性酸雨的原因之一。

SOX

SOX（主要是SO2）的产生与燃料中的含硫量紧密相关；它对人体的危害主要是刺激人的呼吸系统，它可与大气中其它成分结合形成硫酸雾，严重时会发生烟雾事件（如伦敦烟雾事件），也是造成硫酸性雨的原因（酸雨中硫酸雨占主要地位）。

PM（颗粒物）的产生机理是由于燃料油中的杂质和未完全燃烧的中间产物。PM不仅本身对人的呼吸系统有害，而且碳烟粒的孔隙中往往吸附着二氧化硫及有致癌作用的多环芳香烃等物质。

温室气体（GHG）：

CO2排放主要来自于含C燃料燃烧，温室气体效应可用GWP来表征，即100年以上的时间跨度内脉动排放的全球变暖潜能值。CO2的GWP为1；CH4主要来自甲烷燃料逃逸和未充分燃烧（GWP为28）；N2O主要来自于化石燃料和生物质燃料燃烧。目前，关于内燃机中N2O产生和控制的研究较少，但它的温室气体效应很强，未来需要业界引起关注（GWP为265）。此外黑碳（BC）是污染物PM中的不可溶碳粒形式，不属于温室气体，但具有较强的温室效应（GWP为900）。温室气体排放导致全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气、干旱和海平面上升等。

三、船舶排放及船用低速机的实际情况

以下对船舶排放及船用低速机的排放状况予以研究，从法律法规及政策的约束边界而言，国际航运带来的实际排放并不在一个国家的排放统计范围内，因此，本文采取国际航运以及低速机排放和国家间排放量的比较可以更好的审视我们行业的排放情况。国际航运是以国际海事组织（IMO）统计为口径，跨国/地区间港口的运输。

同时，为更好的评估船用低速机的实际排放状况，我们采取了以下的计算边界条件（也欢迎有不同的测算方法）：

散货船、油轮、集装箱船、化学品船、液化天然气船、杂货船是国际航运中主要的船舶，根据《Fourth IMO GHG Study 2020》数据，2018年，这六类船舶占国际航运船舶载重吨的93.1%、数量的39.6%。这些船舶主机通常会选择低速机，与低速机数量的占比38.6%的数据相接近。因此可近似认为这六类船舶使用的主机皆为低速机。这六类船舶消耗总燃油的85.4%，其中主机消耗占这其中的80%左右，因此估算低速机总消耗的燃油约占国际航运业68.4%。

据此，分析以下排放数据：

NOX

2018年，全球国际航运业NOX排放量占1665.5万吨，占全球13.4%.。如果与国家相比，国际航运业均仅次于于中国的2833.3万吨，高于美国的1118.4万吨，排名第二。

通过《Fourth IMO GHG Study 2020》数据，可知2018年散货船、油轮、集装箱船、化学品船、液化天然气船与杂货船这六类船舶主机的总燃料消耗量为16458.2万吨，由于这些船舶的主机通常为低速机，其油耗可按169g/kWh计算，因此可计算出2018年六类船舶的主机（近似等同低速机）总功约为9.74×1011kWh。2011年前船舶低速机NOX排放因子为17.0g/kWh（Tier I），2011年后为14.4g/kWh（Tier II），为了便于计算，取所有低速机NOX排放因子为两者平均值，即15.7g/kWh。使用2018年低速机总功乘以排放因子，可计算出2018年低速机排放NOX约1528.96万吨，约为占国际航运业的91.8%，全球12.3%。仅次于中国，高于美国，按国家排名第二。

SO2

2018年，国际航运业SO2排放1009.3万吨，占全球8.58%。如果与国家相比，少于印度的1220.9万吨，高于美国的758.8万吨，排名第三。

SO2排放量是由燃料本身的分子量所决定，低速机总消耗的燃油约占国际航运业68.4%，如果燃油完全燃烧，则产生的SO2则也占国际航运业的68.4%，全球5.87%，即大约690.4万吨，仅次于智利，高于科威特，按国家排名第二十五。

-PM2.5

2018年，国际航运业PM2.5排放166.5万吨，占全球4.09%。如果与国家相比，少于巴西的166.9万吨，高于印度尼西亚的162.0万吨，排名第五。

PM2.5计算方法与NOX类似，由总功和排放因子得出。低速机PM单位排放量约为1.25g/kWh，乘以低速机2018年总功后可得低速机排放PM2.5约为121.7万吨，占国际航运业的73.11%，占全球约2.99%，少于美国的139.2万吨，高于越南的70万吨，按国家排名第七。

-PM10

2018年，国际航运业PM10排放166.7万吨，占全球2.59%。如果与国家相比，少于美国的212.2万吨，高于埃塞俄比亚的122.1万吨，排名第七。

PM10计算方法与NOX类似，由总功和排放因子得出。低速机单位PM排放量约为低速机约为1.36g/kWh，乘以低速机2018年总功后可得低速机排放PM10约为132.4万吨，占国际航运业的79.4%，占全球约2.06%，如果与国家相比，少于美国的212.2万吨，高于埃塞俄比亚的122.1万吨，排名第七。

CO2

2018年，国际航运业CO2排放量7.04亿吨，约占全球2%.。如果与国家相比国际航运略少于伊朗，高于德国，排名世界第七。

CO2排放与SO2统计方式相同，均是由燃料本身的分子量所决定，低速机总消耗的燃油约占国际航运业68.4%，认为燃料完全燃烧，那么低速机排放的CO2经计算约占国际航运业的68.4%，全球1.37%。即大约5.05亿吨，少于加拿大，高于巴西，按国家排名第十二。

N2O

2018年，国际航运业N2O排放9.79万吨（GWP约256*9.79=2506万吨，是CO2国际航运排量的3.4%），占全球1.07%。如果与国家相比，少于伊朗的9.82万吨，高于波兰的9.4万吨，排名第十九。

参考NOX的计算方法，由总功和低速机的排放因子计算N2O。低速机N2O排放量因子按0.03g/kWh考虑，由于目前对N2O缺少研究，实际排放情形可能更为复杂。经估算，低速机排放N2O约为2.92万吨，约占国际航运业的29.6%，全球0.32%。仅次于瑞典的2.93万吨，高于蒙古的2.76万吨，按国家排名第五十四。

CH4

2018年，国际航运业CH4排放53.34万吨（GWP约53.34*28=1493万吨，是CO2国际航运排量的2.02%），占全球0.14%。如果与国家相比，少于刚果的54.95万吨，高于古巴的53.28万吨，排名第八十九。

国际航运CH4排放主要来自于LNG低速双燃料机和LNG中速双燃料机甲烷逃逸，根据IMO统计，2018年低速柴油机数量占比38.6%，LNG-otto低速双燃料机数量占比约0.036%，LNG-diesel低速双燃料机数量占比约0.076%；以低速机总功率作分母，可近似计算出2018年低速柴油机功率占比99.711%，LNG-otto低速双燃料机功率占比0.093%，LNG-diesel低速双燃料机功率占比0.196%；再根据2018年低速机总功9.74×1011kWh，可计算出2018年LNG-otto低速双燃料机总功为9.06×108kWh，LNG-diesel低速双燃料机总功为1.91×109kWh。另外，LNG-otto低速双燃料机单位CH4排放量约为2.5g/kWh，LNG-diesel低速双燃料机单位CH4排放量约为0.2g/kWh，可计算出2018年LNG-otto低速双燃料机的CH4排放约为0.226万吨，LNG-diesel低速双燃料机的CH4排放约为0.038万吨，因此2018年LNG低速双燃料机的CH4排放约为0.264万吨，占国际航运业的0.49%，占全球的0.00069%。在2018年，低速双燃料机大批量应用趋势刚起步，中速双燃料机在用的台数远大于低速机，同时，中速机的甲烷逃逸量大于低速机。如果与国家相比，少于圣多美与普林希比共和国的0.271万吨，高于塞舌尔的0.245万吨，排名第一百九十二。

由此，对于2018年国际航运以及船用低速机的排放，我们可有如下结论：

1.国际航运在全球NOX排放总量上仅次于中国，占全球13.4%，而船用低速机在全球NOX排放总量上也仅次于中国，占全球10.8%，这是国际航运和船用低速机对于全球排放最大的影响因素。以下国际航运依次为SOX（8.58%）、PM2.5（4.09%）、PM10（2.59%）、CO2（2%）、N2O（1.07%）、CH4（0.14%）；以下船用低速机依次为SOX（5.87%）、PM2.5（2.99%）、PM10（2.06%）、CO2（1.37%）、N2O（0.32%）、CH4（0.00069%）。可见国际航运和船用低速机对全球污染物排放总量有重大影响，其影响程度远大于温室气体排放；

2.船用低速机是国际航运排放的主要贡献者（除了CH4），特别是NOX（91.8%）、PM10（79.4%）、PM2.5（73.11%）、SOX（68.4%）、CO2（68.4%）、N2O（29.8%）、CH4（0.49%）。

3.国际航运和船用低速机的温室气体排放中，CO2的排放绝对量达到7.39亿吨 / 5.05亿吨，其他具有温室气体效应的排放如N2O、CH4仅有数十万吨，是其整个CO2排放当量的3.4%、2.02%。N2O排放GWP当量总额大于CH4。

图1 2018年国际航运业及船用低速机排放在全球排放中的比例

如上，我们对于国际航运以及船用低速机在2018年的排放情况有了一个全景式的图像。同时，以下对国际航运及船用低速机在2010年-2018年的排放趋势给与研究。

从所有排放物的趋势可以看出，2012年前船舶有害物与温室气体排放均处于高位，2012年出现大幅度下降，2013年达到最低谷，其后则呈现持续增长态势，稍后增长趋缓。

IMO针对SOX和NOX排放在全球范围先后制定了限制要求。硫氧化物方面，2005年5月19日，MARPOL附则VI首次生效，要求全球范围内使用的燃油硫含量不超过4.5%m/m；2012年1月1日起，MARPOL附则VI公约正式生效，硫含量上限为3.5%m/m；2020年1月1日起，IMO在全球范围内实施船用燃油硫含量不得超过0.50%m/m的规定。氮氧化物方面，2000年1月1日起，IMO 在全球范围内开始实施Tier I排放标准；2011年1月1日起，IMO Tier II排放标准正式实施。除此之外，IMO设立北美海域和美国加勒比海域2个NOX排放控制区，2016年1月1日起，行驶至该区域内的船舶柴油发动机应满足Tier III标准。

图 2 国际航运业2010年-2018年NOX排放（千吨）

图 3 国际航运业2010年-2018年SO2排放（千吨）

图 4 国际航运业2010年-2018年PM排放（千吨）

对于温室气体排放，2012年前基本处于高位，2012年与2013年处于低谷，但之后进入增长态势，2013年至2018年的CO2排放增长约14.1%，但从2016年开始，增速明显放缓，2018年排放基本已与2017年持平，N2O与CH4也呈现出相同的趋势，唯一不同的是CH4的低谷出现在2014年。通过N2O与CH4排放的CO2当量对比，可分析出目前N2O的CO2当量明显高于CH4，但目前CH4排放只源于现有的船用LNG发动机，而N2O排放则源于全部的船舶发动机，因此，随着LNG船舶数量的不断升高，CH4排放的所造成的温室气体效应可能会逐步超越N2O。