船舶污染物減排發展現狀與思考

凌貴陽楊立新徐笑鋒楊澤慧

1.上海組合港管委會辦公室

2.上海海事大學

0 研究背景與意義

截至2013年底，中國擁有水上運輸船舶17.26萬艘，凈載重量2.44億t。全球十大港口，中國占據八席，吞吐量約占全球四分之一。船舶運輸所帶來的環境污染問題日益突出。據測算，2013年全國船舶二氧化硫（SO2）排放量約占全國排放總量的8.4%，氮氧化物（NOx）排放量占11.3%。受船舶污染影響最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。根據《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）定義，排放控制區是指對船舶采取強制措施以防止、減少和控制硫氧化物（顆粒物）或者氮氧化物的區域。近年來，國際海事組織先后批準了4個排放控制區：波羅的海排放控制區、北海排放控制區、北美排放控制區和美國加勒比海排放控制區。這四大排放區域均是硫排放控制區，北海排放控制區和美國加勒比海排放控制區對NOx和碳煙的排放也有要求。

2019年12月1日，中共中央、國務院印發了《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》（以下簡稱“規劃綱要”），并發出通知，要求各地區、各部門結合實際認真貫徹落實。規劃綱要指出，長三角是我國經濟發展最活躍、開放程度最高、創新能力最強的區域之一，在全國經濟中具有舉足輕重的地位。長三角一體化發展具有極大的區域帶動和示范作用，要緊扣“一體化”和“高質量”兩個關鍵，帶動整個長江經濟帶和華東地區發展，形成高質量發展的區域集群。2019年11月4日，長三角海事一體化融合發展領導小組會議在上海舉行，深入貫徹落實習近平總書記關于推動長三角高質量一體化發展的重要指示精神，共同謀劃推進長三角海事一體化融合發展。這是海事全力服務長三角一體化發展國家戰略部署，助推交通強國和海洋強國建設的重大舉措。會議明確了長三角海事一體化融合發展的思路舉措，提出了涵蓋創新區域一體化協調機制、提升數字監管能力水平、提升水上安全區域協同能力、強化區域生態環境共保聯治、推進船員隊伍發展和優化營商環境六個方面的24項具體工作任務。其中，在“強化區域生態環境共保聯治”方面，明確提出了“強化船舶排放控制，強化船舶水污染防治，服務美麗長江建設”等三項具體任務。

長三角地區位于“一帶一路”交會點，既是海上絲綢之路重要節點，也是連通亞歐大陸重要的東西陸路出海、上岸通道。長三角地區擁有全球最大的集裝箱港口、全球最大的貨運港口，在全國海洋運輸體系中具有十分重要的地位和作用，具有發展鐵水聯運的綜合優勢。目前長三角地區的港口有上海港、寧波-舟山港、連云港港、南京港、鎮江、溫州、合肥、蕪湖等港口，其中上海港兩大港區：外高橋港區和洋山港區均位于浦東新區。外高橋港區毗鄰自貿區中的外高橋保稅區和外高橋保稅物流園區，現已發展成為集裝箱吞吐量占上海港半壁江山、危險品吞吐量超過全港40%份額的重要貨物集散地，影響力覆蓋蘇浙滬，輻射整個長江流域經濟腹地。更為重要的是：外高橋港區距離市中心僅20 km左右，船舶排放所造成的空氣污染直接影響到市區的空氣環境和居民的身體健康。因此，船舶排放監測監管工作尤為重要，需要政府環保部門、海事部門、發改委、財政局、市經濟信息化委、港口部門、船級社等多方通力協作，建立更有效的區域聯防聯控機制和監管體制。

自交通運輸部2016年1月1日印發《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》后，長三角水域已率先開始進行減排工作。但是，現階段依然缺乏對船舶排放氣體直接進行監測的技術應用，還沒有成熟的方法針對船舶尾氣進行硫化物、NOx及顆粒物（PM）等含量的檢測，因此也缺乏直接、實時的執法依據。項目擬通過主成分分析法-相對熵模型對減排技術進行分析，建立減排新技術評價體系。氣體檢測與原油檢測在技術原理上存在本質不同，為解決實時性問題，有必要建立二者之間的對應關系，為快速檢測船舶尾氣排放提供技術支持和執法依據。同時，對整個港區所有船舶尾氣排放進行核算，找出主要污染源進行必要的處理，對提升中國（上海）自貿區空氣質量至關重要。因此，本項目在上海港進行試點研究，取得成功示范后將在上海港進行推廣，后續可以向珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域港口進行推廣應用，填補國內在該技術領域的空白。

1 相關領域國內外現狀

船舶的大氣排放物主要包括大氣污染物和溫室氣體兩類物質，船舶排放的大氣污染物，主要包括NOx、硫氧化物（SOx）、一氧化碳（CO）和PM等[1-2]，不僅嚴重污染大氣環境并導致全球氣候變化，而且對人體健康也產生嚴重危害。雖然二者屬于兩類不同的大氣排放物，但是船舶排放主要是由于發動機和鍋爐中的化石燃料燃燒，而且都是排放到地球大氣中，危害大氣環境和人體健康。Goldsworthy等[3]研究表明，澳大利亞船舶排放的NOx、SO2、PM10、VOC、CO和CO2分別占非船舶排放造成 污 染 的24.0%、17.0%、2.4%、0.2%、0.3%和2.7%；JALKANEN等[4]在歐洲開發了STEAM系統，使用基于AIS信息的動力法計算了波羅的海沿岸多個國家船舶大氣污染物排放，并用于評估排放控制區政策對歐洲各國空氣質量的影響。

近年來，國內開始重視船舶大氣污染物排放研究，YAO等[5]對長三角地區船舶大氣污染物排放特征進行了分析；田玉軍等[6]研究了珠江口灣區靠港船舶轉用低硫油的經濟成本與環境效益、船舶大氣污染物排放控制區實施方案對珠三角區域空氣質量的影響；顧建等[7]結合船舶自動識別系統(AIS)中的船舶軌跡信息、船舶檔案數據庫信息及調研信息，實現基于船舶活動的排放清單編制；伏晴艷等[8]對我國重大活動環境空氣質量監測評估體系的研究表明，通過建立大氣污染物動態調控排放清單，可以為重污染預警和重大活動污染調控提供最為根本的污染源動態臺賬數據，推動大氣污染防治工作精細化和精準化。

1.1 SOx排放控制技術

目前，國內外已處于中試或實船應用的船舶SOx排放控制技術，根據工作原理可劃分為低硫燃油、替代燃料、干法脫硫與濕法脫硫共4類[9]。低硫燃油技術是指煉油廠通過精煉燃料油脫除硫分的一種燃料處理技術，作為最直接的船舶SOx減排方式，曾被認為是解決船舶SOx排放的主流技術。許多航行于歐洲北海、波羅的海等SECA的船舶通過改裝燃油系統并聯合選擇性催化還原（SCR）技術，實現船舶同時脫硫脫硝[10]。替代燃料技術是指以液化天然氣（LNG）、甲醇、生物燃料等新型清潔能源為代表的燃料[11]，替代傳統船用燃料油燃燒的技術。這類燃料具有較為突出的環保績效，能有效降低船舶廢氣中SOx、NOx、PM等排放，且燃料價格相對便宜，有助于降低運營成本。干法脫硫技術是以石灰基材料作為吸附劑，脫除船舶廢氣中的SOx。2010年研究的干法脫硫系統沒有液體介入，生成的固體廢料需要隨船存儲與到岸卸載，不產生海洋環境二次污染。濕法脫硫技術是指基于酸堿中和原理[12]，通過噴淋洗滌方式吸收廢氣中的SOx，實現船舶廢氣脫硫。根據洗滌劑的循環方式不同，濕法脫硫系統可分為開式海水系統、閉式淡水系統與混合式脫硫系統。

1.2 NOx排放控制技術

在目前世界船用柴油機呈現出的五大發展趨勢中，高效節能減排環保是重要的發展趨勢之一。船用柴油機NOx生成主要與反應物濃度、最高溫度和高溫度區停留時間長短相關。通過研究燃油系統、進氣系統、燃燒室結構、現代先進燃燒技術，優化燃燒提高熱效率、減少碳排放的同時控制缸內NOx生成[13-15]，研究當前減少NOx排放的尾氣后處理技術。目前國內柴油機減排技術包括機前處理技術、機內處理技術和機后處理技術。

機前處理技術包括燃料凈化和燃料替代等技術。其中，燃料凈化技術可通過提高燃料的十六烷值達到降低NOx排放的目的；燃料替代技術主要是通過燃用清潔綠色燃料來降低NOx，實踐證明，使用LNG等清潔燃料替代原船用燃油可有效控制NOx排放量[16-18]。

機內處理技術包括燃燒優化、缸內加水和EGR等技術，主要通過降低燃燒溫度等抑制NOx的產生。EGR技術是將更多的O2轉化為CO2，從而降低燃燒溫度，使NOx排放量下降。EGR是目前機內控制中較為高效的手段[19-20]，相關技術在一定范圍內可以有效降低NOx的排放。

機后處理技術包括SCR技術、廢氣洗滌和催化氧化等技術，主要通過對已生成的廢氣進行催化還原來降低NOx的排放。SCR作為目前控制NOx排放的主流后處理技術，可實現NOx的高效轉化[21-22]。

1.3 其他排放控制關鍵技術

燃料凈化一般是在燃料中添加催化物質[23-24]，提高燃料的利用率，減少碳排放，達到減排目的；燃料替代主要是使用綠色燃料降低排放，如LNG等清潔能源，能有效減少廢氣以及PM的排放，是公認的清潔能源之一。

船舶在靠泊期間，關閉船舶發動機，選擇通過靠岸碼頭的通電供能。相比發動機使用的重油，船舶靠泊期間使用岸電[25-26]能大幅度減少大氣污染物的排放。但不同類型的船舶對電壓、頻率等供電要求的標準不同，使得港口大范圍建設使用岸電系統具有不確定性。因此，制訂相應的岸電系統規范是大規模推行的前提。船體結構的優化[27-28]包括對船舶的型線優化降低船體阻力；推進系統優化，提高推進效率和燃油效率；船舶新材料的應用，通過減輕船舶重量降低能耗；安裝節能裝置，降低能耗，減少排放。

目前化石燃料技術只能將船舶排放保持在當前的水平，不會顯著減少或消除碳排放及廢氣排放，實現航運業減排的唯一途徑是完全使用新型能源[29-32]。太陽能是一種清潔可再生的能源，將光熱轉化、光電轉化技術投入到船舶使用，是未來船舶能源發展的一個方向；在帆翼理論下，風帆助航技術受到很多研究，風帆系統提供的風能極大地減少了污染排放，提高了節能效果；海洋能是一種待研發的新型能源，主要包括潮汐能、波浪能等，將海洋能轉化為電能為船舶動力系統提供能源，是日后實現節能減排的重要舉措[33]。

1.4 國內外各港口減排措施與政策

1）歐洲船舶排放控制政策

歐盟海運溫室氣體減排的法律規制與實踐奉行單方面行動的道路。20世紀80年代中期，歐洲共同體就針對能源政策的改革問題提出要關注氣候變化，遏制全球氣候變暖。1985-1994年，歐洲開始形成溫室氣體減排的法律政策。自從1994年《聯合國氣候變化框架公約》正式生效后，歐盟溫室氣體減排的法律制度得到了初步發展，不僅包括了對能源方面的減排法律制度，還包含了運輸業和排放稅收的減排法律制度。1998年3月，歐盟出臺了《歐盟關于氣候問題戰略》，認可了各國履行減排責任時可遵循“共同但有區別的責任原則”。2000年6月，歐委會啟動了第一個“歐洲氣候變化計劃”，其目的是為了落實《京都議定書》的溫室氣體減排目標，盡快完成各成員國的減排任務。為控制船舶排放，歐盟采取的政策措施包括：

（1）海運溫室氣體排放補償基金。歐盟計劃建立海運溫室氣體排放補償基金制度，以法律的形式對海洋環境大氣污染建立損害賠償，使環境污染損害賠償基金規范化、系統化、法制化，船舶CO2（溫室氣體）排放者要為其排放行為繳納補償費用。

（2）明確船舶強制性減排目標。依據各國或企業船舶的能源使用效率指數，以及歷史溫室氣體排放量，為船舶制定的一項強制實行的減排目標和任務。2012年歐盟制定的海運業碳減排目標是在2020年前碳排放量要比2005年減少20%（得到英、法等國家的支持，但卻遭到希臘等幾個歐盟國家的反對）。

（3）溫室氣體排放交易機制（EUETS）。EUETS是歐盟實施效果最好的溫室氣體減排政策，也是歐盟海運溫室氣體減排工作的重要措施之一，涵蓋航空、航海運輸等行業，其中海運行業是重點對象。2008年1月23日，為了完成減排目標，歐盟委員會再次修訂了排放交易指令。2012年歐委會再次提出將國際海運溫室氣體減排也納入歐盟溫室氣體減排承諾目標和交易體系之中的建議。

（4）增收航海碳排放稅。通過構建碳交易市場、征收航海排放稅來增加氣候應對資金，并試圖在國際航空業和海運業兩個主要溫室氣體排放領域采取單邊措施。

2）北美船舶排放控制政策

以《清潔空氣法案》為基礎，美國制定了空氣質量標準及船舶排放控制法規等技術法規，包括《空氣污染管制法》《清潔空氣法案》《國家環境空氣質量標準》《排放標準的參考指南》《新海洋船舶柴油機排放控制法規》《非道路柴油機Tier 4規則》《船用柴油機排放控制措施》等。美國國家環境保護局曾制定了減少船舶污染大氣的稅收政策，規定從2001年起征收NOx排放稅，以所收稅金補貼采取降低污染措施而增加的費用。2007年10月，美國啟動有關船舶氣體排放的單邊立法，擬替代國際海事組織（IMO）通過的相關船舶氣體排放的國際公約，在IMO通過更為嚴格的規范船舶排放的公約之前，預先對船舶硫化物排放進行控制。2009年3月30日，美國國家環境保護局建議對美國沿海船舶實施更嚴格的污染氣體排放標準，要求在海岸線370 km的范圍內設置污染氣體排放控制區，船舶從2015年開始執行更嚴格的硫化物排放標準，到2016年，新船必須安裝控制污染氣體排放的先進設備。該標準出臺后，與現行標準相比，將使大型船舶排放的NOx減少約80%，PM減少約85%。

此外，基于港口空氣污染物大多來自船舶在港口航行、靠港和離港操作以及靠港作業時的特點，為進一步減少船舶污染物排放，美國加州對靠港船舶提出更高的控制廢氣排放要求，于2014年1月1日實施強制靠港船舶使用岸電的減排措施。加利福尼亞州空氣資源局于2008年7月24日頒布了《加州水域及基線24海里內海船燃油硫含量和其他操作要求的規則》，并于2011年10月27日進行了修正和補充，要求加州沿海地區24英里海域內航行船舶燃油含硫量從2012年8月1日起船用輕柴油（DMA）硫含量≤1.0% m/m或船用柴油（DMB）硫含量≤0.5% m/m；從2014年1月1日起船用輕柴油（DMA）或船用柴油（DMB）硫含量≤0.1% m/m。若海船不能滿足要求，就須支付相應的懲罰性費用；靠港不滿足次數越多，費用越高，如到第5次及以上，每次懲罰費用達182 000美元。

加州法典第17篇第1節第7.5分節第93118.3小節“靠泊加利福尼亞港口遠洋船舶應用的輔助柴油引擎的有毒空氣污染物控制”中強制要求從2014年1月1日起，掛靠加州港口的集裝箱船（船公司船舶年掛靠加州港口25次以上）、郵船（船公司船舶年掛靠加州港口5次以上）和冷藏貨物運輸船靠泊期間必須不斷加大關閉引擎和使用岸電的比例。各船公司掛靠每一個加州港口的船舶使用岸電的掛靠次數占其在該港口總掛靠次數的比例在2014-2016年期間應達到50%，2017-2019年期間達到70%，2020年之后達到80%。如果船公司掛靠船舶不能滿足上述要求，每次停靠將根據情況罰款1 000～75 000美元。

洛杉磯港對于海船排放污染量的減少所采取的主要措施有降低船舶航速、使用岸電、低硫燃油和更清潔的船舶柴油機技術等。為了鼓勵船公司把他們最新和最清潔的船舶靠到洛杉磯港，港口在國際港口協會世界港口氣候倡議的支持下推出了自愿環保船舶指數計劃，該計劃規定從2012年7月1日起，船公司若使用更清潔的技術使得船舶大氣污染物排放量比IMO規定的要求更低則可獲得獎勵。船舶速度（在船舶主機額定轉速的20%以上）越低，污染物排放量就越少。洛杉磯港口規定船舶離港口20海里或40海里內航速若小于12節（含），對于20海里內滿足要求的船舶按1天靠港費的15%獎勵，對于40海里內滿足要求的船舶按1天靠港費的30%獎勵。

加拿大高度重視空氣環境質量，對海、陸、空的交通運輸工具的排放限制非常嚴格。頒布實施的環境保護和清潔空氣法，以及針對船舶排放頒布的技術法規包括《加拿大環境保護法》《加拿大航運法》《柴油機硫含量規則》《防治船舶和危險化學品污染的法規》《環境響應規則》《加拿大管轄的豪華游輪操作導則》《船舶廢氣排放新規則》等。加拿大運輸部于2013年5月頒布了《船舶廢氣排放新規則》，要求對于行駛在北美排放控制區和加拿大領海北緯60°以內的水域，船用燃油最大硫含量為1.00% m/m；從2015年1月1日起，行駛在這一水域的船舶燃油最大硫含量不得超過0.10%m/m。

3）香港特區船舶排放控制政策

2011年，13家船舶運營商在香港主動簽署入港船舶轉用含硫量0.5% m/m以下低硫燃油的《乘風約章》(Fair Winds Charter)，經過幾年運行，有18家大型船舶運營商成為會員企業，諸如馬士基航運、達飛輪船、中遠集運、東方海外等都已悉數加入，參與的船舶運營商自愿承諾旗下入港班輪在葵青港區使用含硫量不多于0.5%m/m的低硫燃油，離港后才再使用普通燃油，以改善港區附近的空氣質量。

《乘風約章》訂立之初，設立了兩年有效期（2011年1月1日至2012年12月31日），在有效期即將期滿之時，《乘風約章》成員認為，如果香港特區政府不能就港口燃料油硫排放規范設立法規的話，相關成員也將放棄目前已經在香港港口進行的燃油轉換計劃。

香港特區政府在2012年9月推出資助計劃，鼓勵遠洋輪船在泊岸時轉用含硫量不超過0.5%m/m的低硫燃油，可獲寬免50%港口設施及燈標費。盡管如此，施行燃油轉換計劃的船舶運營商仍需承擔50%～80%的清潔燃油轉換成本。與此同時，馬士基航運等公司認為，參與燃油轉換計劃的公司與不參與計劃的同業競爭者將承擔不同的運營成本，不利于公平競爭，因此《乘風約章》的成員都認為應該在香港推動相應的強制性法規出臺。香港方面亦擔心因為成本問題，貨主或將部分貨源轉移至深圳港，因而一直呼吁在珠三角流域建立亞洲首個船舶污染物排放控制區。

2015年7月1日香港特區政府頒布了《空氣污染管制（遠洋船只）（停泊期間所用燃料）規例》（以下簡稱“規例”），規定遠洋船只在香港停泊時使用潔凈燃料，以減少遠洋船舶的排放，改善空氣質量。

該規例指定的合規格燃料包括含硫量不超過0.5% m/m的低硫船用燃料、液化天然氣或環境保護署認可的其他燃料。規例明確要求，除在停泊期間的首小時及最后1小時外，遠洋船只在香港停泊時不得使用不合規格的燃料。船長和船東都必須記錄轉用燃料的日期和時間，并保存有關記錄3年。香港特區政府已于2021年3月18日向立法會提交規例。

規例生效后，任何遠洋船只在香港停泊期間使用不合規格燃料，即屬違法，一經定罪，有關船長和船東最高可判處罰款20萬港元及監禁6個月。如有關船長和船東沒有按規例要求記錄或備存所需數據，也屬違法，一經定罪，最高可判處罰款5萬港元及監禁3個月。

2 結論

船舶的大氣排放物除溫室氣體之外，還包括NOx、SOx、CO和PM等大氣污染物。目前，針對各種排放物的減排技術不斷出現，它們以對燃料進行預處理的技術為主，然而這些技術對船舶污染物減排的作用有限。相比之下，替代燃料技術能從源頭治理污染，具有較為突出的環保績效。如今，各地也紛紛針對船舶排放制定相關政策，采用鼓勵與嚴懲相結合的模式，強制控制污染物排放。法律法規的逐步完善以及愈加嚴格的排放標準，也使得控制污染氣體排放的先進設備在船舶的安裝率越來越高，減排效果明顯。

未來船舶污染物的減排工作應著重注意以下幾個方面：

1）在現有技術的基礎上，加大對先進減排技術的研發投入，針對企業和高校設立相關技術獎項，鼓勵推動減排技術的創新。

2）逐步完善船舶排放相關法律法規，鼓勵企業更換使用高效率、低能耗的生產設備和清潔燃料，同時加大對使用不合規格燃料等違法現象的懲罰力度。

3）重視綠色燃料替代技術的研發，逐步使用可再生能源，減少對化石能源的依賴，從源頭治理污染。