李 源

根据国际海事组织（IMO）对船舶硫排放限制的要求，2015年1月1日开始波罗的海、北海、北美及美国加勒比海等硫排放控制区（ECA）内船用燃料硫含量不超过0.1%，2020年1月1日以后，世界范围内船用燃料硫含量不超过0.5%。这使得船东需要采取适当的措施减少船舶硫排放，目前主要有三种措施可以达到目的：使用含硫量小于0.1%的船用轻柴油（MGO）作为燃料；使用船用重质燃料油（HFO）并安装洗涤器；使用LNG作为燃料。这三种方案的使用成本、减排效果、适用船型各有不同，很难简单地说哪种方案是最好的，需要根据船型特点、运营特点等作出合理选择。

三种方案的优缺点

1、使用含硫量小于0.1%的船用轻柴油（MGO）

优点：采用该方案无需对现有船舶进行太多改动，大部分使用HFO的船舶可以直接使用MGO，有些船舶可能需要进行少量的燃油系统改装，以允许使用低粘度燃油，如安装燃油冷却器，执行特殊的燃油转换程序等。因此这是三种方案中风险最低的一种。另外，使用MGO，主机所需的维护也将减小，国际水域航行船舶在ECA以外的水域航行时，2020年前仍可使用HFO。当2020年以后世界范围内实施硫排放上限时，可以去除HFO加热设备，降低了维护和使用成本。

缺点：最主要的缺点是燃油成本，MGO比HFO费用提高了50%～70%。随着全球船用柴油朝低硫化发展（EPA已经在要求0.0019%的含硫量燃油），可以预见蒸馏加工将产生更低粘度的燃油，适用于设计使用HFO的大型主机。许多船舶需加装冷却MGO的系统，以增加主机入口处的燃油粘度使其满足主机的要求。这些系统并不复杂，通常由一个带热交换器的闭环淡水冷却系统组成，用于冷却燃油。由于所需的燃油温度可能低于船舶淡水冷却系统所能提供的温度，还需用小型制冷装置对淡水进行冷却。

对于现有船舶，当进入或离开ECA时，需在加热HFO和冷却MGO之间进行转换，这存在一些困难，不过只要遵循主机制造商的操作指南以及船级社的指南，即可安全操作。2020年后，采用这种方式的船舶在所有时间段均使用MGO，这样就没有燃油转换的问题了。另外，从低速柴油机使用HFO到长时间或全部时间使用MGO还需要更改汽缸油（使用低碱值油）。

2、使用船用重质燃料油（HFO）并安装洗涤器

安装洗涤器系统的总成本包括洗涤器的初始成本、安装费用、额外的辅助设备、船舶改装费用，以及运行洗涤器系统所需的额外的燃料消耗和必要的消费品成本。

选择何种类型的洗涤器需根据不同的船型、船舶作业方式和本地条件。比如，船舶在港时间很短或航行于ECA的时间很短，或本地规则、区域规则对于排放水无限制，则可以选择开环洗涤器系统。

优点：最主要的优点是船舶在ECA航行时可以继续使用HFO，相比低硫MGO，燃油成本显著下降。为了达到与使用低硫油一样的效果，废气清洁系统必须能够去除发动机中产生的SOX，达到与使用低硫油同样的水平。

缺点：虽然对清洁废气中PM排放水平无特定的限制，但在MARPOL附则Ⅵ第14条中提到从洗涤器系统中排放的废气中的PM水平应接近使用低硫油的水平。尽管洗涤器能在一定程度上减少PM，但不确定是否所有洗涤器系统均可达到与使用低硫油相同的水平。如果某些情况下对洗涤器作为“满足规则要求的等效方式”的审核由于PM减少值的原因被撤回，或设定了PM限值，则洗涤器可能不再是一个满足MARPOL附则Ⅵ第14条的可行的解决方案。

根据具体的洗涤器系统类型，燃油中最大硫含量可被清洁至与使用低硫油相同的水平。目前，在休斯顿或新加坡，含硫量1%的HFO差不多比普通HFO贵9%～12%，但在洛杉矶，约贵20%～35%。船舶使用含硫量1%的HFO，再使用洗涤器将更容易满足硫排放0.1%的要求。

另外，还有一个船东需要考虑的问题是，2020年全球范围内执行硫排放0.5%限值的规定后，高硫HFO的成本优势可能会显著降低，并且可预见届时低硫燃油更容易购买获得。这是目前很难量化的风险。

废气清洁设备以及必需的废气旁通和阀会占用较大的空间，在某些船舶上安装会存在一定的困难。如果安装的是闭环系统，还需相应的冷却/洗涤水系统以及给水和清洁系统。由于被洗涤对象的腐蚀特性，所有这些设备必须使用高质量防腐材料制造。对于闭环系统，还需增加苛性碱和减震箱、残渣分离器和残渣存储柜。

3、使用LNG作为燃料

优点：近年来，全球范围内LNG的供应量明显增加。根据不同的操作区域和燃料来源，LNG有可能比化石燃油便宜很多。LNG根本不含硫和粉尘，因此它的燃烧物中也不会含有SOX和PM。另外，由于在奥托循环主机中的燃烧温度低，NOX排放相应也较低，在TierⅢ限值之内。天然气主要由甲烷组成，其碳含量通常比化石燃料少13%～15%。每千克热值高10%～13%，CO2排放低25%～30%。

缺点：LNG装船存在固有的危险性，但通过遵守设计规则和严格的船员培训，可极大地减少火灾或爆炸发生的风险系数。LNG运输船超过40年的安全记录证实了这一点。作为一种低温液体，必须采取特别的预防措施以避免与人和船体结构发生接触。仅一些特殊的材料，如不锈钢、铝和因瓦合金，可以与LNG接触。当以气态形式存在时，天然气须在双层壁的管道中运行，双层壁之间的环形空间需要被惰化或通风，并监测有无泄漏。

因为LNG的密度只有HFO的一半不到，LNG燃料舱的容积要比燃油大得多。通常LNG储存在特殊设计的液舱中，根据国际气体法规（IGC）的相应要求建造。大部分情况下，LNG燃料舱采用C型舱，因为允许7～10bar的压力，足以容纳蒸发气10～20天。除了需要更大的容积，因为外形为圆柱形，C型舱还会占用较大的空间，特别是位于甲板下的液舱。另外，燃油舱仍然需要，以防气体燃料供应短缺。空间利用率更高的棱形舱，以及更常用的薄膜型舱和独立的A型或B型舱均能最大程度地利用舱室空间。棱形舱的问题是无法装载压力气体（仅0.7bar的压力），因而必须采取措施持续消耗蒸发气。

相比燃油版本的发动机，中速双燃料发动机和奥托循环低速柴油机的输出功率会有所减少。低速气体发动机与燃油版本发动机功率输出相同。

气体发动机的燃料系统比普通发动机的燃油系统昂贵。对于低速气体喷射柴油机，燃料系统在300bar的压力下运行，这需要更高的价格、特殊设备和管路，可能会需要频繁的维护，以及面临高压气体带来的更高的风险。

使用LNG时，加燃料是一个复杂的操作，需要特别的培训以确保无LNG溢出到船体结构上，蒸汽回流管妥善连接，以及加注完成后所有的管路都经过净化。另外，目前规则制定机构间尚无加注和货物操作可以同时进行的协议。如果不能，船舶在港时间需要增加，导致船舶需提高航速减少海上航行时间。

对于中速双燃料发动机，低负荷运行时不太可能使用气体，这时需要切换至MGO。中速和低速双燃料发动机在日常操作中均需要使用少量的MGO（总能源消耗量的1%～5%）作为引燃燃料。

三种方案的减排效果

1、使用含硫量小于0.1%的船用轻柴油（MGO）

NOX：需要时，可搭配使用选择性催化还原（SCR）装置来降低NOX排放，使满足ECA内的IMO TierⅢ排放要求，这些装置工作时需要将废气加热至350℃或更高温度。氨，通常是尿素，被喷射至废水，在催化剂的作用下与NOX发生反应，生成N2和水。如果废气中SOX含量高或温度太低，则不会发生反应。

另一种满足TierⅢ NOX排放标准的方法是使用废气循环（EGR），通过降低气缸里的燃烧温度，减少NOX的形成。该过程的工作原理是：一小部分的废气通过一个小型废气洗涤器后，被电动机驱动的送风机转变为充填空气送入主机。

SOX和颗粒物（PM）：由于MGO含硫量和杂质较少，排放中的SOX和PM都将减少。相比使用含硫量高的HFO，SOX约减少96%。PM的降低程度不明确，估计约降低50%～80%。由于PM减少值的不确定，US EPA已经要求主机制造商采取措施更好地记录PM减少值。如果IFO（中间燃油）的含硫量也可以达到0.1%，则与MGO相比，SOX的减少一致，但是PM的降低程度较小。

CO2与温室气体：不同类型的燃油造成的CO2排放相差不多。相比HFO，MGO的热值高5%，因此产生相同的热量时，MGO消耗量会减少约5%，从而CO2排放会相应减少。

2、使用船用重质燃料油（HFO）并安装洗涤器

使用洗涤器将显著降低SOX排放，但是对其他方面的排放减少程度较小。

NOX：洗涤器对NOX排放影响很小。因为洗涤过程会将气体冷却到不适宜使用SCR的温度，这意味着必须在气体进入洗涤器之前使其NOX排放满足规则要求。MAN公司开发了两种解决方案，一种是在主机和涡轮增压器进气口之间的废气系统中使用SCR，为了防止SCR堵塞，这种方案要求使用1%或更低的低硫油。低负荷运行也可能要求提升废气温度，通过减少主机内的气流或将一些废气旁通到涡轮机中。第二种解决方案是废气循环系统。这种系统使用一台小型洗涤器去除一小部分废气中的硫和颗粒物。然后气体被冷却并送回主机，从而降低燃烧温度并减少NOX排放。因为从涡轮增压器中出来的气体其NOX水平已被降低至足以满足Tier Ⅲ的要求，而并未大幅降低温度，这时仍能使用洗涤器降低SOX。

目前中速机尚无降低NOX排放的内置系统，这使得发电机满足排放要求较困难，除非为每一台主机安装SCR。由于SCR系统不能对冷却废气起作用，因此洗涤器不能在SCR之前使用。这些主机必须使用低硫燃油以避免产生堵塞SCR部件的问题（会发生堵塞的原因是加入的尿素中的氨与废气中的硫发生反应，形成了氨硫化合物，沉淀下来包裹催化剂元素，阻止催化剂接触气体）。

SOX和PM：可 减 少SOX约96%，PM约30%～60%。

CO2和温室气体：不会降低CO2和温室气体排放。实际上，由于洗涤器安装在主机上会产生额外的背压（减少热力学效率），及运行洗涤器所需的额外辅助电力，洗涤器可能少量增加船舶总体燃油消耗，从而增加CO2排放。

3、使用LNG作为燃料

NOX：NOX降低程度取决于发动机的类型。对于奥托循环发动机气体模式下运行时（约5bar的低压气体喷射至进气口），如大部分中速柴油机和瓦锡兰低速机，NOX排放量会显著减少，约减少90%。这是因为奥托循环发动机的压缩压力和燃烧温度较低，减少了燃烧过程中的NOX形成。但是压缩压力和燃烧温度低又会导致每个气缸的输出功率较小，因此这种类型的发动机需要更大的位移量或更多的气缸数量。

柴油机循环下使用气体燃料时（高压气体直接进入气缸），例如MAN低速发动机，NOX的减少有限。这是因为其压缩压力和燃烧温度与燃油发动机相当。然而，使用直接气体喷入发动机的一个好处是输出功率与燃油发动机一致。这种情况下需要采取额外的措施减少NOX排放以满足规则要求，典型的办法包括安装SCR或使用废气循环。

SOX和PM：使天然气作为主燃料时，SOX和PM排放几乎为零。因为天然气中几乎不含硫且仅含极少量的杂质。

CO2和温室气体：由于其较高的热当量和化学构成，使用天然气相比燃油，将减少25%的CO2。但是在排气过程中，奥托循环发动机中将会有一些未燃烧的甲烷产生。甲烷是天然气的主要成分，其温室气体影响比CO2高25倍，因此甲烷逃逸抵消了CO2排放降低带来的温室气体减少。柴油机循环下操作的气体发动机，由于使用高压气体喷射，甲烷逃逸量极低，因此相比相同输出功率的燃油发动机，总体温室气体约能减少22%。

三种方案的成本分析和减排效果比较

海事界部分观点认为LNG是满足ECA要求毋庸置疑的选择，因为LNG燃料相对低廉的价格在船舶全生命周期里将为船东提供相当可观的燃料成本节省，同时又能满足所有ECA排放要求。做这种选择的假设是燃料成本带来的节省可以很快收回初始投资。类似地，废气洗涤器的支持者相信继续使用价格低廉的HFO，同时又能清洁废气，是最经济的方式，其假设前提也是每年的燃料成本节省将快速收回安装洗涤器的投资。

对于选择何种方案，投资方和运营商的诉求是不同的，投资方认为成本最低的方案最优，运营商则要求最大的安全性和方便操作与维护，因此必须在几种诉求中建立一种平衡。

三种方案的经济可行性和成本有效性很大程度上由船舶的类型和操作方式决定。影响经济性可行性的因素有在排放控制区操作的时间；使用LNG需要船员培训和证书；额外的维护要求和成本；潜在的货物损失和收入损失；如果货物和燃料操作不能同时进行，可能需要提高航速；需要根据燃料供应情况决定船舶航线；以及最困难的决定因素——预测将来的燃料价格。这需对目标船舶新建或改装进行完整的工程研究才能决定采用哪种方式最适合、最经济。可使用简单的等额年成本（EUAC）法进行分析。

1、成本分析

《Analysis of Fuel Alternatives for Commercial Ships in the ECA Era》中使用等额年成本（EUAC）法进行成本分析，从2015年开始，为期10年，假设每年的通货膨胀率为2%、折现率14%、利息6%。以中型的油船和集装箱船为目标船型，考虑了在亚洲建造和美国建造两种情况（亚洲和美国建造主要的区别在于美国建造的资本成本较高，燃料成本是一样的）。图1～4列出了两种船型在亚洲和美国建造情况下的总的EUAC和燃料价格范围，EUAC计算资本成本的不同，根据选择的燃料和每年的操作成本净现值，需要说明的是MGO+HFO这种方案指2020年前在ECA使用MGO，ECA以外使用HFO，2020年以后仅使用MGO。所有图表中提供的成本均为估算值。

图1：亚洲建造的中型油船成本分析

图2：美国建造（满足琼斯法案要求）的中型油船成本分析

图3：亚洲建造的中型集装箱船成本分析

图4：美国建造（满足琼斯法案要求）的中型集装箱船成本分析

2、减排效果比较

图5､6阐明了EUAC分析中几种选择的排放影响。排放包括NOX、SOX、PM、CO2和 温 室 气体排放。排放影响对于所有船舶类型是相似的，因此一个图表就可以适用。LNG燃料的两个选项，一个是基于低压气体发动机（奥托循环），另一个是基于高压气体喷射发动机（柴油机循环）。

成本分析显示某些方案（如HFO+洗涤器）根据目前的燃料价格，比其它方案更经济。但并非所有方案的对比结果都显而易见，因为几种方案的EUAC值重叠比例较高。因此，成本分析仅帮助确定方向。

另外一个重要的事实是，在上述计算分析中，每年的运营成本节省比建造成本对EUAC的影响更大。这是因为以一艘在亚洲建造的集装箱船为例，每年的燃料成本占到船舶年建造成本的40%以上。在10年内，即使以14%的折现率来计算，也省了一大笔投资成本。对船东来说，建造成本可以方便地估算出来，维护和运营成本也能够较准确地估算，但燃料成本基于诸如地缘政治等多种因素，不确定性较大，另外还有一些隐形成本，因此船舶每年的成本变数很大，没有深度分析很难预估。对成本的综合分析可基于不同参数变量，如未来的燃料价格、维护成本、设计航速、发动机大小等。

在船舶初始设计阶段进行简单分析是有意义的，但仍有可能产生误导。因为有一些隐性成本未包含在分析中，只有当船舶设计的初步开发完成后，这些成本才能显现。例如，船东选择HFO+洗涤器方案，如前所述，目前中速机（如船用柴油发电机）没有内置式NOX减排装置（EGR），为了满足NOX排放要求，这些发动机必须使用选择性催化还原装置（SCR）。然而，如果废气中SOX含量过高，SCR会无法使用，但当使用洗涤器去除SOX后，又会因废气温度太低而导致SCR无法工作。因此，对于船用柴油发电机而言，唯一可行的方案是使用MGO或LNG。该类船舶除HFO液舱以外还需要增加一个MGO燃油系统和MGO液舱。

LNG动力船舶在货物操作时不能进行燃料加注。这将增加船舶的在港时间，降低收益，并且需要更高的航速以保证相同的船期。其它考虑因素是除需装载LNG燃料外，还需配备燃油（MGO），以确保LNG燃料供应系统出现故障或LNG供应无法保证时，船舶仍能运转。需要的燃油容积必须至少是最长航程的一半，保证船舶在任何时间都能安全返港，这样有可能是整个航程所需要的燃油了。

有些船东在作决策选择方案时，也考虑排放的影响。该报告显示，采用LNG燃料产生的排放量最低，但是降低程度根据发动机类型而有所不同，做决策时需要考虑这些因素。

除了成本和排放以外，还有其他一些考虑因素。比如：LNG动力船舶的拆解价值更高，因为船上有大量不锈钢液舱和管系。又如：某些情况下，使用MGO的简单有效优势将超过使用LNG或洗涤器带来的成本节省。

此外，还有下列因素未直接反映在成本分析中：

第一个因素是10～15年内，LNG装置将会是什么情形？可能技术已经成熟到能满足可靠性和安全性要求。

第二个因素是船员的情况。操作LNG需要复杂得多的培训，新船员需要接受培训。

第三个因素是洗涤器可以使用多长时间？这种大型昂贵的设备会受到腐蚀，是否需要每10年更换一次。

第四个因素是如果2020年所有运营船舶都开始使用MGO，是否MGO作为主要产品价格会下降，或者HFO供应量会减少。未来LNG的价格走势如何？目前LNG供应量充足，它与MGO相比价格优势明显，但是当半数的船队和大部分发电厂、铁路、卡车都开始使用LNG时，价格又将如何变化？

图5：五种情况下的SOX、NOX、PM排放比较

图6：五种情况下的温室气体排放比较

现有船舶选择情况统计

相关机构做过一个调查，统计现阶段全球范围内使用LNG燃料和安装洗涤器的情况。统计表明，对于新造船，使用LNG是优先选择，是安装洗涤器船舶数量的两倍多。安装洗涤器的75%是改装项目。无论是使用LNG还是安装洗涤器，豪华邮轮、客滚船和渡船领域是目前为止最积极的，几乎占了全部订单的40%，其中邮轮改装项目是安装洗涤器数量最大的，但是小型车客渡船大部分选择了LNG技术。目前集装箱船中采用LNG和安装洗涤器的数量不相上下，但是如果LNG预备订单也计算在内，则选择LNG的比例更大。未来，相比LNG燃料，洗涤器的操作经验将会更快地增加。在确定的项目（将运营和在订船舶/装备均计算在内）中，洗涤器订单的数量几乎是LNG订单的两倍。

图7：各类船型选择的方案统计

为了满足公约对硫排放的要求，每个船东都面临着选择减排方案的问题。目前主流的三种方案各有其特点，需要根据实际情况作出最合适的选择。在进行方案选择时，需要考虑诸多因素，如初始投资、建造成本、使用成本、维护成本、货物空间的损失、使用和维护的便利性和减排效果等，需要经过详细地计算，对各种方案的结果进行比较。另外，有一些因素是目前很难预料的，比如燃料加注的便利性和燃料价格的变化等等。甚至有的方案对某些船型设计来说根本无效，达不到减排目的。这些都需要在设计之初尽可能周全地考虑到，设想出多种可能性，并逐一进行比较。