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船舶与海洋工程技术的发展与展望 中海工业江苏有限公司： 易银海 12 内容摘要21世纪是一个发展与环保的新世纪。日益繁荣的世界经济，必将推动航运业的飞速发展。船舶的增加、航区的扩大、航线的密集，不仅会促进生产力的增长，也必然会带来严重的环境污染。“绿色船舶”的研制与运行已引起了世界上所有航运大国的关注，绿色船舶以其低碳、环保、无污染日益受到业界的瞩目，绿色船舶技术也逐渐成为船舶工业新的增长点。绿色船舶的绿色度主要取决于设计人员的环境意识、以人为本的设计理念和运营过程中的管理力度。关键词：船舶；环保；绿色船舶引 言地球上蕴藏的资源是有限的，地球可容纳工业污染的能力也是有限的。随着环保要求的不断增强，绿色船舶已成为未来船舶发展的代名词。为了给子孙后代留下一个良好的生存空间，本文从船舶制造领域，综合各方的资料给出了“绿色船舶”的概念和定义，对绿色船舶的标准体系现状与发展、船舶的绿色设计、绿色制造、绿色运营等方面进行探讨，并介绍了绿色船舶的绿色度及其体现、新型绿色船舶的研发现状。以其引起船舶设计者、制造者、检验工作者、船舶使用和管理者对“船舶绿色制造技术”的广泛关注。为了有效减少船舶温室气体的排放，满足越来越多的减排规则、标准的要求，近年来，工业界（航运界、造船业、船级社、大学及相关研究机构）加大了绿色船舶技术的研究力度，并开始针对规则的要求开发新产品，各种减排新技术、新产品不断涌现，同时也推动船舶工业向着更安全、更环保的方向发展。目 录内容摘要2引 言31 绿色船舶概念与内涵52 绿色船舶的防污染要求. 52.1 油类污染52.2 空气污染52.3 压载水污染. 63 绿色船舶的标准体系现状与发展. 64 绿色船舶的研发现状. 74.1 无压载水舱船舶. 7 4.2无压载水箱船74.3新型能源船舶技术 8 4.3.1燃料电池推进船舶技术. .9 4.3.2 LNG 燃料船 9 4.3.3可再生能源的充分利用. 9 4.3.4船舶构造及系统布置的“绿色设计”. 9 4.3.4.1 燃油舱保护 9 4.3.4.2 船舶机舱舱底水系统布置设计 9 4.3.4.3 防污染设备配备105 绿色船舶制造技术的现状和发展趋势.10参考文献12船舶与海洋工程技术发展与展望浅谈绿色船舶技术发展1 绿色船舶的概念和内涵 “绿色船舶”这个概念最早出现于上世纪90年代，旨在促进经济可持续发展，保护人体健康、赖以生存的环境。“绿色船舶”虽然在国际上暂时并没有统一的明确的定义，但是根据对船舶各方面的环保要求，绿色船舶是指在船舶设计、制造、运营、报废拆解的全寿命周期中，采用各种绿色技术，如最优化船型开发、无污染的轻质材料等的应用技术，能满足用户的需求和对性能的要求，并减少和消除环境污染，节省资源、能源，对人命财产具有良好保护的船舶。绿色船舶也可以说是船舶在整个生命周期中，采用防污染设备和无害的建造材料、先进的环保技术，以最大限度减小船舶以及设备发生故障或者损害的发生率，降低资源和能源消耗率，提高材料回收利用率，最大限度减小乃至消除对环境的污染程度。绿色船舶的终极目标是实现零污染和零排放。2 绿色船舶的防污染要求 国际海事组织IMO迄今为止已制定了三个关于船舶设计和建造技术的国际防污染公约，即压载水公约（BWM）、防止船舶造成污染公约（MARPOL）、有害防污底公约（ASF），从各个方面对船舶污染进行控制，如船舶可能造成的油污染、有毒液体物质污染、垃圾污染、生活污水污染、压载水有害水生物污染、有害防污底物质污染。这些防污染公约推动着绿色船舶设计、建造技术的不断发展。可以将船舶的防污染的重点、热点问题归为如下几类：2.1 油类污染油类污染一直是海事界最为关注的污染类别之一，对油类污染一直是“零容忍”的。目前国际海事组织IMO对防止油类污染的审议集中在：船舶海上过驳油类、机舱舱底污油排放。2.2 空气污染 船舶的空气污染源主要是来自柴油机、焚烧炉、锅炉排出的废气，油船和化学品船释放的液体货物蒸汽，消防和制冷系统的消耗臭氧介质等。虽然船舶废气排放所造成的空气污染比例不大，但是空气污染问题依然是世界海事部门最关注的，对船舶造成空气污染的控制措施越来越多。IMO目前正致力于对MARPOL附则VI进行全面修订，将大大提高现有的相关标准。IMO在船舶空气污染方面的另一个议题就是控制CO2等温室气体的排放。2.3 压载水污染 IMO对于控制船舶压载水的污染除了预防以外还有以下管理措施：压载水置换、压载水处理。压载水置换是目前的过渡措施，终极目标是压载水处理。现在压载水处理的相关技术仍然是未能完全攻克的技术课题。IMO目前没有限制压载水的技术方法，但对于使用活性物质的压载水处理技术和设备，提出了非常严格的要求，旨在逐步限制、淘汰可能产生“二次污染”的化学处理方法。 绿色船舶的标准体系现状与发展现在国际上的“绿色船舶”标准是在现有的SOLAS公约和MARPOL两大海事支柱性公约体系的基础上发展起来的。这两大公约中，与绿色要素相关的规则都是绿色船舶标准的组成部分。全球越来越严峻的环境压力使船舶和航运业对环境的污染受到国际社会的密切关注。仅空气污染一项，2007年全球航运业CO2的排放量为11亿吨，到2020年预计这一数字将达到14亿吨。因此，很多国家都非常热衷发展绿色船舶。英国政府在温室气体减排方面推出的排放交易和总量控制方案，被认为是航运业有效的减排方式。欧盟于2009年1月22日发布的“2018年前欧盟海运政策目标及建议案”，以促进安全、保安、清洁、高效的航运业。丹麦设立“未来绿色船舶”项目通过现有技术实现船舶减排，该项目旨在对NOx和SOx减排到达90%、CO2达到30%。综上所述，对于船舶业的相关企业来说，谁先实施绿色技术，谁就先抢占了商机，取得进一步的大发展。3 绿色船舶设计和制造技术 绿色船舶的绿色度主要取决于设计人员的环保意识、设计理念，船舶建造过程中的绿色技术应用程度、运营过程中的管理力度。1）设计中，广泛采用符合绿色技术要求的无污染材料和设备、零部件、单元，充分考虑到加工制造过程中的材料利用率，同时还要考虑到船舶以及船上设备、产品在运营寿命终止后，报废、拆解是否会对环境有负面影响，以及设备、材料的循环利用，减少不可再生资源和短缺资源的使用量，尽量使用各种替代物资和技术，尽量简化工艺，优化配置，提高整个制造系统的运营效率。2）制造中，采用绿色制造工艺，从技术入手，尽量采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方法和工艺路线。目前最有效的绿色制造包括：绿色加工工艺、绿色焊接工艺和绿色涂装工艺。其中，绿色加工工艺包括净成形制造、干式加工、工艺模拟技术、网络技术、虚拟现实技术与敏捷制造等；绿色焊接工艺即选择使用节能焊机，采用高效、无弧光、无粉尘污染的焊接材料和方法；绿色涂装工艺即通过合理选择涂料，减少涂料品种，简化工序，提高工时效率，采用移动式涂装系统和环保型分段涂装房，实现环保型涂装作业的目标。4 绿色船舶的研发现状目前，关于绿色船舶的研发，从基本的高效节能船型开发、到低排高效动力推进装置的研发，再到环保无污染涂料以及轻质材料的研制，可谓面面俱到，全方位打造未来的新型绿色船舶。其中，新概念无压载水舱船舶和新型能源推进船舶最具有革新性和代表性。4.1 无压载水舱船舶通常情况下，船舶需要通过装卸一定量的压载水来维持必要的吃水，以保证船舶航行的安全。目前，由于压载水的随意排放而导致海洋生态系统的改变和破坏的问题越来越引起人们的关注。压载水已经被国际海事组织（IMO）宣布为海洋面临的“四大危害”之一。为此，日本造船研究中心（SRCJ）提出了无压载水船舶，而美国密热安大学则研发出无压载水箱船。早在 2001 年，日本造船研究中心（SRCJ） 就开始对该船型进行研究和开发，应用于该船型的专利已被世界多数国家所接纳。自 2003 年以来，该研究工作还受到了日本船舶技术研究协会以及私人企业的支持。2005 年，日本 3 大主要机构：三菱重工、石川岛播磨造船和日本NK船级社也加入了SRCJ，进行相关的研发工作。目前，无压载水船（NOBS）已被证实可以应用到现实中。如苏伊士油轮和 VLCC（very large crude carrier），并且有希望获得较好的经济效益。4.2 无压载水箱船美国密热安大学近来成功研发出无压载水箱货船，并在大型水槽进行了试验，试验结果证实可以达到节省燃油和减排的目的，且能提高航速。还有据悉，美国海洋研究所为此提供了一笔资金，帮助密热安大学对该无压载水箱货船进行了航行试验。结果证明，该船未出现任何问题，与此同时，还证明该方式可使船舶动力最大节省 7.3%。由此测算，如果一艘 3.2 万载重吨级散货船满载货物从安大略湖出发驶往欧洲港口，往返航行可节省价值 15 万美元的燃油。4.3 新型能源船舶技术随着全球温室效应的加剧，国际海事组织（IMO）也越来越关注船舶温室气体排放对全球温室效应的影响。在 IMO第 57 次海环会（MEPC57）上，正式通过了国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）附则 6 关于减少船舶有害气体排放规则的修正案，并单独成立了船舶温室气体排放工作组，对船舶造成的大气污染问题进行研究。4.3.1 燃料电池推进船舶技术目前挪威船级社正在开展有关船用燃料电池的全面研究工作，研究中，燃料电池动力单元的研制结合了新型电子技术、电子动力以及控制系统技术，且在岸上进行动力单元的测试和认证后，进行实船实验。4.3.2 LNG 燃料船多年来，挪威船东、咨询公司、船厂以及相关权威人士一直关注于 LNG 燃料船相关技术的研发，不断地将 LNG 燃料应用到除 LNG 船以外的船舶上。4.3.3 可再生能源的充分利用绿色船舶将充分利用太阳能、风能以及波浪能等零污染或可再生能源，为船上所有设施提供能量，完成船舶的所有操作。绿色船舶的设计思路从国际上对船舶的各种防污染规定，可以将绿色船舶的相关技术归纳为船舶建造材料包括设备材料和使用介质的选用、船舶结构布置以及防污染设备的配备三个方面。为船舶及其设备选用绿色材料材料的环保特性对船舶的绿色性能具有重要的影响，在对船舶安全和营运效率不构成影响的前提下，在船舶的设计、建造和维护中应最少地使用有害材料，尽可能减少待拆船舶的环境和安全。风险问题。选材主要遵守如下原则：1）最大程度减少新船及其设备在建造过程中使用有害物质：尽可能使用能安全环保和可回收的材料，以及最大程度减少使用已知的对健康和环境构成潜在危害的物质；禁止选用国际公约禁止或限制使用的物质，比如关于持久性有机污染物(POPS)的斯德哥尔摩公约、关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书以及控制船舶有害防污底系统国际公约中规定的有害物质。2） 设计应便于拆解及清除有害物质：在不影响船舶安全和运营效率的情况下，船舶设计者和建造者应在船舶设计和建造阶段考虑到船舶的最终处置，包括：便于船舶拆解的结构设计；便于拆船时有害物质清除的设备设计；限制使用难以分解的材料；提供一份简明扼要的建议的最佳拆船方法以及清除各类材料的建议措施的技术文件。4.3.4 船舶构造及系统布置的“绿色设计”4.3.4.1 燃油舱保护为防止船舶自用燃油所带来的污染，燃油舱也应用双壳双底保护。对于大型油船的设计，燃油舱常规的布置一般位于机器处所和货油舱（包括污油水舱）之间，用于油船的货物区域与机器处所的分隔。有利于压载水更换和沉积物清除的设计压载水更换方法是目前船舶能够安全有效的管理船上压载水的唯一有效途径，新建船舶应最大限度地减少沉积物的积聚，并为沉积物的清除和取样提供安全通道。设计主要考虑两个因素： 1） 便于压载水更换的设计尽可能使压载水更换能在各种海况下进行；在压载水更换作业的任一阶段，保持最小船首吃水以及驾驶室可视范围符合公约规定；压载水更换系统的设计应利于将来符合公约D-2条的规定，最大限度减少安装设备股备改装以及进行干坞/热工作业的需要。为将来能达到D-2标准，应考虑可能需要补充的设备和管道，并留有足够的处所；压载水系统的设计，还应考虑到港口国检查时所需的取样布置。2） 减少沉积物积聚的设计压载水舱及其内部结构的设计应避免沉积物在压载水舱的积聚。在设计压载水舱时，应：尽可能避免水平表面；纵骨如设有面板扶强材，应考虑将扶材设在水平表面之下，以利于泄水；如要求设有水平纵析或横析，尤其是如将水平纵析用作过道而设有挡趾边板时，泄水孔应尽可能大，以在舱内水平下降时促使水从这些地方迅速流开；如内部构件与舱壁对接，其安装应防止形成死水坑或沉积阱；管路系统的设计应使舱内压载水在排放时扰动尽可能强烈，使沉积物重新悬浮。让水流使沉积物重新悬浮的设计，应尽量不依靠人工干预。4.3.4.2 船舶机舱舱底水系统布置设计为了从源头上减少机舱舱底含油污水的产生，避免油类和清洁水的混合，并减轻滤油设备的工作负荷，船舶机器处所的布置应尽可能考虑以下因素：1）设置相互分隔的集油槽和集水槽，将泄漏油类收集到油渣柜，干净的泄漏水收集到清洁水柜。2）清洁水放残柜排放布置应和含油污水系统分开，清洁水柜里的水直接排到舷外；3）设置预处理单元，将机舱污水阱中的含油舱底水先驳至预处理单元，通过重力预先进行油/水分离，再将预处理过的舱底污油水驳至舱底水储存柜；4） 舱底水储存柜里的污水最好由专用的泵打到滤油设备，以避免和未经预处理的污水混合；5） 设置废油柜，专门接收废弃的油类。4.3.4.3 防污染设备配备为控制船舶在日常作业过程中必须的各种排放操作带来的污染，防污染设备发挥着很大的作用。用于机舱舱底污油水处理的滤油设备、用于生活污水的生活污水处理设备、用于垃圾等废气物处理的焚烧炉、控制VOC排放的船上VOC收集系统、压载水处理系统等的高性能标准，都体现了船舶在环保方面的先进性和优越性。绿色船舶不是配备的设备越多越好，而是从各方面能最经济有效和最大程度地避免或减少和控制各种污染。例如，减少船舶Sox排放量的最有效途径是使用低硫含量的燃油或使用替代燃料，如果安装SOx废气清洁系统则会增加船舶的操作和额外的设备维护，而且该系统本身产生的洗涤废水也是另一种污染物，仍然需要控制。因此安装Sox废气清洁系统并不是最好的方法。减少船舶柴油机废气排放的另一个途径是船舶在靠岸时，使用岸电系统供电。船舶灰水如洗衣水、淋浴水、厨房水等，俗称“灰水”，不属于IMO公约约束的生活污水范畴，但也会对环境造成一定的污染。一些干货船的货舱洗舱水，也会含有对环境有害的物质。这些尚没有纳人IMO公约强制性要求的潜在污染物，也越来越多受到关注。绿色船舶是需要将船舶产生的所有有污染风险和潜在风险的污染物给予必要的控制和管理。船舶废弃物综合管理系统正在被更加广泛的研究和应用。5 绿色船舶制造技术的现状和发展趋势船舶制造是“ 三高” 制造产业, 即高能耗、高物耗和高污染。当前, 全球环境和能源的恶化程度与日剧增, 正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。如何利用高新技术和现代化管理来提高生产率, 节约自然资源投人, 以及节约劳动和各种形式的资本, 是促进经济增长和持续发展的主要手段。事实上, 无论从技术发展, 还是从需求推动的角度, 绿色制造已经在影响和引导当今的技术发展方向。近年来, 国际海事组织和有关机构也增加出台了一系列的绿色船舶制造标准和规则规范, 例如: 国际海事组织IMO 制定的所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准, 国际船级社协会IA CS 制定的“ 共同规范” , 波罗的海国际海事公会BI MCO 向国际航运界推出的标准造船合同, 与通用的造船合同相比, 该合同增加了 “ 产品绿色环保证书” 、“ 压载舱涂层” 等新内容。在绿色船舶设计上, 除了按国际公约和规则规范要求进行设计外, 还应满足船级社或某些地区对环保的建议或规定, 采用绿色环保意识和措施, 以进一步减少船舶制造、营运过程和拆船对环境的污染。 绿色船舶在全寿命周期中(包括设计、制造、营运、报废拆解) 除了对劳动者(生产者和使用者) 具有良好的保护外, 对全球环境和资源保护也十分重要。为了我们共有一个地球的生态平衡, 为了我们子孙后代的生存和幸福, 我们要重视绿色制造, 更新观念, 改革创新, 以实际行动积极投身到绿色造船工作中。 参考文献1 纪 德，船用绿色发动机的开发.航海科技动态，1994，10.2 张圣坤.中国船舶工业现状与发展趋势.上海造船， 2009，79，（3）.3 高介沽，郁照荣.造船企业转模的回顾与当今任务.造船技术， 2005.237，（5）.4 邵开文，马运义.舰船技术与设计概论M，北京：国防工业出版社，2005，8.