船舶符合MARPOL TierⅢ的7種方法

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隨著船舶造成的空氣汙染加劇，全球廢氣排放標準亦逐年變得更加嚴格。MARPOL附則VI限制了船舶廢氣中所含的主要空氣汙染物，包括硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx），並禁止蓄意排放任何破壞臭氧層的物質。
MARPOL附則VI的主要修訂內容，在於全球各地應逐步減少SOx、NOx和懸浮微粒的排放，並引入排放管制區（Emission Control Areas ,ECAs）政策，來進一步減少在特定海域的汙染物排放。根據海洋環境保護委員會(Marine Environment Protection Committee, MEPC)第66次會議決議，將自2016年1月1日起，將於排放管制區內實施TierⅢ排放標準。
一、 何謂TierⅢ？
MARPOL 附則VI中要求逐步減少船用柴油機的NOx排放量，並對2011年1月1日或之後安裝的引擎，訂定TierⅡ排放限制；對於2016年1月1日或之後安裝且在排放管制區內作業的引擎訂定排放限制更為嚴謹的Tier III。至於在1990年1月1日至2000年1月1日之間安裝的船用柴油引擎，則必須符合TierⅠ排放限制。

圖片來源：DNV GL

TierⅢ的標準排放量比TierⅠ的標準排放量少了80％。若要達到TierII及TierIII的限制，柴油引擎的排放值應根據2008年版氮氧化物技術章程（NOx Technical Code）而定。根據MARPOL附則VI TierⅢ限制為：

1.轉速低於130 rpm的引擎—3.4 gNOx/kwh

2.轉速高於130但低於2000 rpm的引擎—9*n-0.2 gNOx/kwh

3.轉速高於2000 rpm的引擎—2 gNOx/kwh

圖片來源：IMO.org

TierⅢ排放標準僅適用於NECA（NOx排放管制區）。在NECA之外則適用於TierⅡ。當前的NECA地區為北美地區和美屬加勒比海地區。TierⅢ也將適用於在2016年1月1日或之後建造的船舶。

  • 船舶是否已經準備好達到TierⅢ排放標準？

為符合TierⅢ之要求，船舶必須安裝，或加裝能使NOx降低到TierⅢ以下的設備／系統。為達到TierⅢ之要求，下方共列出七種方法。

  1. 選擇性觸媒還原法（Selective catalystic reduction, SCR）

在這套系統中，尿素或氨被注入廢氣後會經過一個有特殊觸媒塗層的裝置，此時溫度約在攝氏300到400度之間，氨會與廢氣中的NOx產生化學反應(尿素與廢氣發生反應形成氨)，將NOx（NO和NO2）還原為N2。SCR裝置則是安裝在排氣歧管／接收器和渦輪增壓器之間。

由於SCR裝置上存在壓降及NOx需在特定溫度範圍內（攝氏300~400度）才能還原為N2，因此該系統需要高效的渦輪增壓機且引擎負載運轉至少應為40％或更高。

如果溫度高於攝氏400度，氨將開始燃燒，而非與NOx起化學反應，這將會導致系統失效；如果溫度低於攝氏270度，則反應速率會降低，而隨之形成的硫酸銨將會破壞觸媒。

圖片來源：vikingline.com
  • 部分B&W引擎使用DeNOx或是SiNOx系統，其中亦使用SCR技術。
  • 部分Wartsila引擎配有NOR(NOx減量)系統，此系統也應用SCR技術。

藉由SCR技術可減少超過90％的排放，並達到TierⅢ排放標準。

  1. 廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation, EGR）：

在這項技術中，經渦輪增壓器處理的部分廢氣在通過洗滌器裝置後，會再循環到掃氣接收器內。透過EGR技術可使Tier I達標船所排放的NOx再減少約50至60%。然而，排放洗滌水需要若干處理程序，例如淨化和分離廢氣淨化系統中的汙泥。由於一些國家反對排放此類洗滌水，重複使用下往往會造成腐蝕問題。

廢氣中含有大量的二氧化碳和水蒸汽，因其比熱皆高於空氣，與空氣混和後會造成吸氣中的氧氣濃度下降，降低最高燃燒溫度，故可達到抑制氮氧化物的生成的效果。為達到TierⅢ排放標準，EGR系統可與以下技術搭配使用，包括：改變（延遲）噴射法、新型設計的燃油閥、共軌噴射原理、電控引擎以及掃氣加濕等。

Image credits: Greenship.org

  1. 掃氣加濕(Scavange Air Moisturizing, SAM) :

廢氣在通過渦輪增壓機後溫度極高，此時海水被注入高溫空氣中使其冷卻及達到飽和，此為蒸餾過程故可使用海水代替淡水。透過將掃氣溫度保持在攝氏60至70度之間，來掌控空氣的加濕。由於水的傳熱能力比空氣來得高，因此飽和空氣中的水可以降低絕熱燃燒溫度。

這項技術可以減少約60％的NOx。將掃氣加濕與廢氣再循環等技術結合使用，則可以符合TierⅢ。

  1. 米勒循環(Miller Cycle)：

透過在四衝程引擎中使用米勒循環和高效渦輪增壓機，意即在下止點（Bottom Dead Center ,BDC）之前提早關閉進氣門，導致進氣膨脹與冷卻，從而降低NOx的產生。這種減少NOx的技術需要兩台渦輪增壓器（2階段渦輪增壓）。此技術與直接注水原理（Direct Water Injection, DWI）和其他技術（如乳化燃料）搭配使用，能使NOx遠低於TierⅢ標準。

  1. 使用低壓燃氣引擎

新型船用引擎使用低壓液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）作為船用燃料，在符合TierⅢ方面具有更大的重要性。例如芬蘭動力系統公司瓦錫蘭（Wartsila）開發了使用低壓液化天然氣作為燃料的二衝程雙燃料（Dual Fuel, DF）技術引擎。該引擎根據稀薄燃燒原理（相對較高的空燃比），其中燃氣混和物是由引燃燃料所點燃。該引擎最重要的發展是無須透過廢氣處理系統即可達到TierⅢ。

  1. CSNOx：

新加坡藝科科技（Ecospec）開發出一套名為CSNOx的廢氣處理系統，該系統使用淡水或海水通過超低頻電解系統。將處理過後的水與廢氣混合反應，進一步減少NOx含量。該系統在一台精巧型設備中減少了CO2、SOx和NOx的排放。該技術以及上述其他減少NOx排放的技術可搭配使用，以符合TierⅢ。CSNOx的優點在於高效率、低維護成本和低功率消耗。

  1. 組合技術

具有一種或多種組合的技術（如具有電控燃油噴射系統的引擎，以LNG作為燃料、注水系統或乳化燃料）與其他減少NOx的技術組合可搭配使用，以符合TierⅢ排放標準。上述提及的組合技術可能會需要排氣洗滌器，以符合TierⅢ規範。

Source: 船舶暨海洋產業研究中心