国内外船舶发动机排放标准梳理与比较

2018年11月16日 10时 中国船检

进入21世纪以来,为减少船舶造成的空气污染,国际海事组织(IMO)制定了MARPOL 73/78公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》,各国政府也纷纷出台区域性船舶排放标准。近年来,欧盟、美国均更新了各自内河船舶排放标准,中国也首次了颁布船舶发动机排放控制国家标准。本文针对世界主要国家和地区内河船舶排放标准进行了梳理和比较。

欧洲内河船舶排放标准
 

欧洲船舶发动机排放标准主要包括欧盟非道路移动机械(NRMM)内燃机排放标准、莱茵河航运中央委员会(CCNR)船舶检查规则、欧洲内河航运标准起草委员会(CESNI)制定的内河航行船舶技术要求等。
 

1、欧盟NRMM排放标准
 

2004年4月21日,欧盟颁布NRMM内燃机气体及颗粒物排放指令——Directive 2004/26/EC,包括Stage III(2006年1月1日实施)和Stage IV(2014年1月1日实施)两个阶段。其中,Stage III阶段又分为A、B两个部分,而Stage III A部分适用于37kW以上内河船舶发动机。
 

2016年9月14日,欧盟又更新了NRMM内燃机气体及颗粒物排放指令——Regulation(EU)2016/1628,即NRMM Stage V阶段标准。与Stage IIIA不同的是,Stage V根据用途将内河船舶发动机分为IWP(内河船舶主推进用发动机)和IWA(内河船舶辅助用发动机)两类,IWP和IWA又各分成变速发动机和恒速发动机两种,每种发动机又根据净功率分为4小类;污染物类别方面增加了PN(粒径大于23纳米的颗粒物数量),并对气体燃料发动机的总HC排放限值提出了特殊要求。如果发动机全部或部分采用气体燃料,则HC排放限值应按HC=0.19+(1.5⨯A⨯GER)计算得到,其中GER为整个测试循环的平均气体能量比例(%),对于双燃料发动机,系指整个测试循环所使用气体燃料的能量占两种燃料全部能量的比例;对于纯气体燃料发动机,GER取为1。如果计算值大于0.19+A,则HC排放限值就取为0.19+A。
 

2、CCNR排放标准
 

莱茵河航运中央委员会(CCNR)成立于1816年,在欧洲船舶规范制定方面一直占据主导地位。2003年,CCNR率先在其内河船舶规范《莱茵河船舶检查规则》中颁布了船舶发动机空气污染物排放标准,即CCNR Stage I标准;2007年CCNR又颁布了CCNR Stage II标准,进一步收紧排放限值。CCNR船舶发动机排放标准与欧盟NRMM标准体系和限值均不相同。为了与NRMM标准协调,CCNR规则规定,按照欧盟指令Directive 2004/26/EC进行型式认证的船舶发动机(即满足NRMM Stage IIIA)视为等同于《莱茵河船舶检查规则》提及的型式认证。
 

3、CESNI排放标准
 

为协调NRMM与CCNR规则的一致性,CCNR在2015年6月决定成立CESNI,由CCNR成员国和欧盟成员国的专家共同组成,其目的是制定统一的内河航运船舶技术要求。按照计划,NRMM和CCNR规则将于2018年10月8日完全统一。
 

CESNI于2017年发布了《欧洲内河船舶技术要求》(2017/1),该技术要求直接引用了欧盟指令Regulation(EU) 2016/1628,即NRMM Stage V标准。最迟在2018年10月7日前,欧盟指令和CCNR都将按照上述要求执行,从而达到欧洲内河船舶技术要求的统一。
 

美国内河船舶排放标准
 

美国船舶柴油机排放控制标准纳入《美国联邦法规》(CFR)中,主要由美国环保署(EPA)制定,属于具有普适性的国家法律组成部分之一。EPA根据用途、额定功率、单缸排量等将船舶柴油机分成小型、C1商用、C2、C3和C1娱乐共5类,每一类都对应有不同的排放标准。
 

1、小型船舶发动机(37kW以下)
 

CFR第40篇第89部分“新造及在用非道路圧燃式发动机排放控制”规定了非道路圧燃式发动机的空气污染物排放标准,额定功率小于37kW的船舶柴油机需满足其中Tier 1和Tier 2两个阶段的要求。
 

2、C1商用、C1娱乐、C2和C3(37kW以上)
 

CFR第40篇第94部分“船用压燃式发动机排放控制”专门针对37kW以上船舶柴油机提出了排放控制要求,也分为Tier 1和Tier 2两个阶段。对于C1和C2,如果是天然气发动机,则用NMHC+NOx代替THC+NOx,排放限值不变。
 

CFR第40篇第1042部分“新造及在用船舶圧燃式发动机及船舶排放控制”进一步针对37kW以上船舶柴油机提出了Tier 3和Tier 4阶段限值。Tier3限值适用3700kW以下的C1和C2类发动机,Tier 4限值适用于600kW以上C1商用和C2类发动机。
 

国内船舶排放标准
 

我国内河船舶排放标准主要包括《内河船舶法定检验技术规则》、GB20891《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》和GB15097《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》等。
 

1、《内河船舶法定检验技术规则》
 

2011年9月1日,中华人民共和国海事局《内河船舶法定检验技术规则》(2011版)生效,正式在全国内河实施船舶发动机NOx排放控制,限值与IMO Tier I相同,适用于130kW以上柴油机。2015年3月1日,《内河船舶法定检验技术规则2015修改通报》正式生效,新造船舶柴油机NOx排放需满足IMO Tier II要求,这也是我国130kW以上船舶柴油机现行排放标准。
 

2、GB20891《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》
 

2007年4月3日,我国发布了GB20891-2007《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国I、II阶段)》,第I、II阶段分别于2007年10月1日和2009年10月1日实施,但仅规定额定净功率不超过37kW的船舶柴油机可参照执行,非强制要求。
 

2014年5月16日,我国又发布了GB20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV阶段)》,第III阶段从2014年10月1日开始实施,第IV阶段实施时间待定,且明确规定额定净功率不超过37kW的船舶柴油机需强制执行。
 

3、GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》
 

2016年8月22日,环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》,这是中国首次专门针对船舶发动机排放控制发布强制性国家标准。该标准适用于额定净功率大于37kW的第1类船机(额定净功率大于或等于37kW且单缸排量小于5L)和第2类船机(单缸排量大于或等于5L且小于30L),包括柴油机和气体燃料发动机,对气体燃料发动机还专门提出了甲烷(CH4)排放限值。
 

比较与展望
 

基于上述梳理不难发现,欧盟和美国的内河船舶排放控制标准已经历近20年的发展,目前,欧盟主要实施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;美国主要实施EPA标准,目前历经了Tier 1、Tier 2、Tier 3和Tier 4四个阶段。中国内河船舶排放标准只经历了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分析。
 

1、 污染物种类
 

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、NOx和PM四种基本污染物;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最全面的。

表1 不同国家和地区内河船舶排放标准控制污染物种类
 

2、排放限值
 

图1对欧盟、莱茵河、美国和中国最新船舶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、NOx和PM等常规污染物的限值基本处于同一水平。但欧盟和美国最近颁布的最新标准NRMM Stage V和EPA Tier 4均进一步了收紧HC和NOx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。

 

图1 不同国家和地区船舶发动机排放法规比较
 

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,THC限值最大可取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排放的限制是最为严格的。
 

展望未来,可以发现,为应对未来日益严格的船舶排放标准,天然气作为燃料在船舶上的应用将越来越多,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排放标准。传统的机内净化措施或将无法满足日益严格的标准限值,设计者除考虑降低机内CH4直接逃逸、减少未燃CH4排放外,还应着重考虑DOC(氧化催化器)技术在船机上的应用研究。
 

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)或将成为重要应对手段之一。但目前船机应用DPF缺乏实际经验,高硫含量燃油也对DPF应用带来挑战,企业需尽早开展技术研发和储备。


来源:中国船检