船舶柴油机废气的危害及排放限制

2022-10-04

1 船舶柴油机废气排放物的危害

1.1 氮氧化物 (NOx)

氮氧化物 (NOx) 是燃烧过程中氮的各种氧化物总称, 它包括N O、N O2、N2O4、N2O、N2O3和N2O5等, 柴油机排气中的氮氧化物绝大多数为NO, 而NO2次之, 其余的含量很少。

NO是无色并具有轻度刺激性气味的气体, 它在低浓度时对人体健康无明显影响, 高浓度时造成人与动物中枢神经系统障碍。尽管NO的直接危害性不大, 但NO在大气中可以被臭氧氧化成具有剧毒的NO2。NO2是一种赤褐色并带刺激性的气体, 吸入人体后与血液中的血红蛋白作用, 成为变性血红蛋白, 使血液的输氧能力下降。它对心、肝、肾等也有影响。据报道, 人只要在NO2含量为100ppm~150ppm的环境中停留0.5h~1h, 就会因肺气肿而死亡。

氮氧化物 (NOx) 也是形成光化学烟雾的起因物质之一, 而光化学烟雾曾导致1943年和1954年两次严重的美国洛杉矶烟雾, 使许多人发病。

1.2 硫氧化物 (SOx)

燃料中的硫燃烧时主要生成SO2, 另有1%~5%氧化成SO3。SO2是无色有强烈气味的气体, 在浓度低时, 主要是刺激上呼吸道粘膜。浓度高时, 对呼吸道深部也有刺激作用。当人体吸入较高浓度的SO2时, 会发生急性支气管炎、哮喘、发绀和意识障碍等症状, 有时还会引起喉头痉挛而窒息。低浓度SO2长期暴露会发生慢性中毒, 使嗅觉和味觉减退, 产生萎缩性鼻炎、慢性支气管炎、结膜炎和胃炎。此外, 如大气中含SO2过多时, SO2则会溶于水蒸汽而形成酸雨, 还会使大片农作物及森林叶子变黄, 造成对动、植物的危害, 还会加速许多物质的腐蚀, 从而影响自然界的生态平衡。

硫氧化物 (SOx) 在温度较低时容易和水蒸气结合成硫酸 (H2SO4) , 使设备发生腐蚀。由于一般硫酸在低温处存积, 因此也叫低温腐蚀。另外, 硫的燃烧产物 (特别是SO3) 使碳氢化合物加速聚合, 致使气缸中结炭又多又硬, 并且还促使润滑油氧化变质, 致使气缸壁和活塞环加速磨损。SOx造成柴油机动力装置的腐蚀和磨损加剧, 故燃用含硫量高的劣质燃油的机器, 需采用高碱性气缸油相匹配, 这样可以保护发动机免遭SO2和SO3冷凝后形成的硫酸的腐蚀。然而这仅仅将SOx中很少一部分转变为硫酸钙, 不能看成是减少SOx含量的办法, 排入大气的SOx最终将被雨水洗出。

1.3 一氧化碳 (CO)

一氧化碳 (CO) 是无色、无臭的有毒气体。它虽然对人的呼吸道无直接作用, 但被吸入人体后, 能以比氧强210倍的亲和力同血液中的血红蛋白结合, 形成碳氧血红蛋白, 阻碍血液向心、脑等器官输送氧气, 使人发生恶心、头晕, 疲劳等症状, 严重时会窒息死亡。一氧化碳也会使人慢性中毒, 主要表现为中枢神经受损, 记忆力衰退等。

1.4 碳氢化合物 (HC)

碳氢化合物 (HC) 包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物, 如多环芳烃、醛、酮、酸等在内的200多种成分, 有时简称为未燃烃。人体内吸入较多的未燃烃, 会破坏造血机能, 造成贫血、神经衰弱, 并会降低肺对传染病的抵抗力。

碳氢化合物的另一大危害是它与氮氧化物在阳光紫外线的作用下, 经过光化学反应产生一种毒性很大的浅蓝色刺激性烟雾——光化学烟雾。光化学烟雾中含有臭氧、过氧酰基硝酸盐及各种醛、酮等物质。臭氧具有极强的氧化力, 能使植物变黑、橡胶发裂, 在0.1ppm浓度时就具有特殊的臭味, 动物在1ppm臭氧浓度下4h就会出现轻度肺气肿。过氧酰基硝酸盐的毒性介于NO和NO2之间。

1.5 微粒 (PM)

微粒 (亦称颗粒或颗粒物) 对人类健康的危害性与微粒大小及其组成有关。微粒愈小, 停滞于人体肺部、支气管的比例愈大, 对人体的危害就愈大。

碳烟 (也称黑烟) 是燃烧系统微粒排放中最大微粒物质, 主要由直径为1.1μm~10μm的多孔性碳粒构成, 并在其表面凝结或吸附含氢成分——未燃烃以及SO2等。碳烟悬浮在空气中, 既影响能见度又污染空气。

1.6 二氧化碳 (CO2)

二氧化碳是一种无色、无臭的气体, 本身没有毒性, 但当大气中含量过高时, 则会影响肺部吸氧呼碳, 使进入血液中的CO逐出困难, 而形成贫氧现象。

此外, 由于地球上森林资源日益减少, 而燃料燃烧后排入大气层中的CO2不断增加, 温室效应愈来愈显著。如大气中CO2含量不断增多, CO2气体就好像一层日益加厚的透明薄膜一样, 太阳的辐射热量透进来容易, 却难以逸出, 年积月累, 全球气候将变暖, 这就在世界范围内造成反常的气候变化, 破坏了自然界的生态平衡。

2 关于船舶柴油机NOx和SOx排放的法律规范

船舶柴油机排放的废气主要有氮氧化物 (NOx) 、硫氧化物 (SOx) 、碳氧化物 (COx) 、碳氢化合物 (HC) 以及微粒 (PM) 等, 其中氮氧化物 (NOx) 和硫氧化物 (SOx) 对环境和人类的影响最为直接。MARPOL73/78公约附则Ⅵ——“防止船舶造成大气污染规则”对船舶柴油机的排放限制主要涉及到的就是氮氧化物 (NOx) 和硫氧化物 (SOx) 的排放。

2.1 氮氧化物 (NOx) 排放的控制标准

除应急发电柴油机、救生艇发动机以及应急设备或装置使用的柴油机外, 每一台在2000年1月1日或以后建造的船舶上输出功率超过130kW的柴油机, 以及每一台在2000年1月1日或以后经过重大改装的输出功率超过130kW的柴油机, 其氮氧化物 (NOx) 的排放量必须满足如下指标:

低速机 (n<130r/min) 为17g/ (kW·h) ;

中速机 (n=130~2000r/min) 为45×n-0.2g/ (kW·h) ;

高速机 (n>2000r/min) 为9.84g/ (kW·h) 。

2.2 硫氧化物 (SOx) 排放的控制标准

附则Ⅵ对硫氧化物 (SOx) 的一般要求规定, 船舶使用的任何燃油的含硫量不得超过4.5%。在硫氧化物 (SOx) 排放控制区的船舶所使用的任何燃料中, 含硫量不得超过1.5%。船舶可使用经主管机关按IMO制订的导则认可的废气净化系统将船舶的硫氧化物总排放量减少至6.0g/ (kW·h) 或以下, 也可使用其它技术将硫氧化物总排放量限制在同等水平, 但是应当经过主管机关依据IMO导则认可。波罗的海区域、北海区域 (包括英吉利海峡) 被指定为硫氧化物 (SOx) 排放控制区。

此外, MEPC第58次会议于2008年10月6日至10日在英国伦敦IMO总部召开, 会议一致通过了MARPOL73/78公约附则Ⅵ关于减少船舶排放废气的修正案, 对船舶大气污染物的排放提出了进一步的要求。该修正案将于2010年7月1日默认生效。

修正案要求从2012年1月1日开始, 全球重质燃油的含硫量从现在的4.5%降低至3.5%, 并在2018年之前作出可行性评估, 如果通过评估, 则到2020年1月1日, 将要求全球船用重质燃油的含硫量降低到0.5%。对于硫氧化物 (SOx) 排放控制区, 从2010年7月1日开始, 该区域船舶所使用的燃油含硫量不得超过1.0%;从2015年1月1日开始不得超过0.1%。

在NOx排放控制方面, 修正案根据船舶的建造年份制定了三层控制标准。

第一层标准要求2000年1月1日及以后, 2011年1月1日之前建造的船舶上安装的柴油机的氮氧化物 (NOx) 排放量在下列限值内:

低速机 (n<130r/min) 为17g/ (kW·h) ;

中速机 (n=130~2000r/min) 为45×n-0.2g/ (kW·h) ;

高速机 (n>2000r/min) 为9.84g/ (kW·h) 。

第二层标准要求2011年1月1日及以后建造的船舶上安装的柴油机的氮氧化物 (NOx) 排放量在下列限值内:

低速机 (n<130r/min) 为14.4 g/ (kW·h) ;

中速机 (n=130~2000r/min) 为44×n-0.2g/ (kW·h) ;

高速机 (n>2000r/min) 为7.7g/ (kW·h) 。

而第三层标准最为严格, 当船舶航行于指定的排放控制区时, 2016年1月1日及以后建造的船舶上安装的柴油机的氮氧化物 (NOx) 排放量必须在下列限值内 (控制区外仍适用第二层标准) :

低速机 (n<130r/min) 为3.4 g/ (kW·h) ;

中速机 (n=130~2000r/min) 为9×n-0.2g/ (kW·h) ;

高速机 (n>2000r/min) 为2.0g/ (kW·h) 。

3 结语

船舶大气污染已经到了不容忽视的地步, 特别是在港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区, 船舶排放的废气甚至成为该地区的主要污染源。建立健全我国相关的法律规范, 限制船舶柴油机废气污染物的排放, 使防污染与造机、造船、航运的发展保持同步至关重要。如果我们偏废或忽视污染物的排放这一重要方面, 那么迟早会遭受由于排放超标而受重罚之苦。

摘要：国际社会对船舶造成大气污染议题的关注由来已久, 随着海上运输船舶数量的日益增加, 船舶大气污染已经到了不容忽视的地步。船舶柴油机排放的废气主要有氮氧化物 (NOx) 、硫氧化物 (SOx) 、碳氧化物 (COx) 、碳氢化合物 (HC) 以及微粒 (PM) 等, 其中氮氧化物 (NOx) 和硫氧化物 (SOx) 对环境和人类的影响最为直接。MARPOL73/78公约附则Ⅵ——“防止船舶造成大气污染规则”对船舶柴油机氮氧化物 (NOx) 和硫氧化物 (SOx) 的排放进行了严格的限制。

关键词：大气污染,柴油机,氮氧化物,硫氧化物