0 引　言

全球经济一体化背景下，航运业承载着约90%的国际贸易量，对世界经济运行具有基础性作用。作为航运大国，我国2025年上半年国港口货物吞吐量总计57.5亿吨，同比增长3.7%^[1]。根据德国不来梅海运经济与物流研究所统计，全球商船舰队总数为50064艘，总载重吨位达5.47亿吨，每年有超过30000艘总吨位超过500 t的船舶穿越欧盟水域^[2]。如此庞大的航运规模伴随着大量的能源消耗和碳排放，对环境和气候造成了沉重压力。

然而，目前航运业仍以重质燃料油为主，船舶排放的有害气体主要包括NO_x（氮氧化物）、SO_x（硫氧化物）、CO₂（二氧化碳）和PM（颗粒物）等。据统计，船舶排放的NO_x、SO₂和PM2.5分别占全球污染物排放总量的17%、9%和4%^[3]。近年来，伴随着国际贸易持续增长，船舶碳排放未有显著下降，反而呈上升趋势。最新研究显示，2016—2023年，全球航运温室气体排放总量累计增长约12%，进一步加剧了气候和环境压力^[4]。

为响应全球气候变化挑战，国际社会对航运业减排提出了更高要求。自2020年1月1日起，国际海事组织（IMO）将船用燃油的硫含量限制从3.5%降至0.5%，在排放控制区（ECA）内进一步收紧至0.1%，并允许船舶使用低硫油或脱硫装置达标排放。针对NO_x，新建船舶在ECA须满足更严格的Tier III排放标准。对于温室气体减排，自2013年起，要求新建船需满足船舶能效设计指数（EEDI）；2021年起，现有船舶需通过船舶能效指数（EEXI）评估并进行碳强度指标（CII）评级，同时须制定并实施船舶能效管理计划（SEEMP）。

2023年7月，第80届IMO海洋环境保护委员会（MEPC 80）会议通过温室气体减排战略，将航运业目标升级为“到2050年左右实现净零排放”。2025年4月，第83届IMO海洋环境保护委员会（MEPC 83）批准了涵盖新的船舶燃料标准和排放定价机制的全球“净零框架”草案，并首次将航运业纳入全球强制性温室气体监管体系^[5]。该草案以“油井到尾流”作为核算基础，对5000 t及以上船舶设定逐年收紧的温室气体燃料强度目标：2030年至21%，2035年进一步升至43%，至2040年达到65%。该草案计划于2028年起全面实施，从而将净零排放转化为可执行的全球规则。船舶燃料硫含量和氮氧化物排放限制趋势如图1所示。

1 船舶尾气脱硫技术 1.1 低硫燃油替代

受IMO 2020全球限硫令影响，船东大规模转用硫含量≤0.5%的燃油。船舶燃油曾以高硫燃油（HFO）为主，约占总燃料的80%^[7]。但2020年后这一比例急剧下降，HFO占比已降至25%，其余主要为混合改制的超低硫燃油（VLSFO）^[8]。相比于安装洗涤器，使用低硫燃油无需占用船舶有限空间，也不会显著影响船舶高度及重心稳定性。随着船用高硫燃油退出，硫限令进一步趋严，低硫燃油市场占比预期将进一步上升。然而，市场低硫燃料油供应可能面临短缺，交易商和船东大量囤积低硫燃料油，进一步推动了价格上涨^[9]。技术迭代主要体现在炼厂加大低硫燃油产能、混合燃油推广等方面，潜在瓶颈取决于全球炼油能力和运输供给能否满足需求、燃油价格和质量波动等问题。

1.2 尾气海水洗涤

近年来，洗涤器装船率快速增长，截至2024年上半年，全球已有超过5 838艘船舶安装洗涤器，占总吨位的28.3%。洗涤器改装量和新造船舶数量持续增长，仅2024年上半年就有156艘船完成改装，151艘在建新船订单配备洗涤器^[10]。不过，挪威船级社（DNV）分析认为，当高硫油与超低硫油价格差每吨约200美元时，安装洗涤器具有经济吸引力；目前，主要港口高低硫油价差已降至每吨约75美元，延长了投资回收期^[11]。海水洗涤脱硫允许船舶继续使用高硫重油并通过尾气洗涤达到法规要求。应用最广泛的是湿法洗涤脱硫，按介质和运行方式可以分为开环、闭环、混合式及电解式技术。

1）开环脱硫利用海水喷淋吸收SO_x，成本相对较低，但洗涤水直接排海，其生态影响引发关注。此外，海水碱度较低或高温海域可能降低其脱硫效率，导致排放不达标^[12]。因此，开环洗涤器在部分地区受限，欧盟多国、马来西亚及美国加州已禁止开环系统排污^[7]。自2020年起，我国船舶大气污染物排放控制区内不得使用开环式海水脱硫技术，迫使船东转向闭环或者混合脱硫技术（见图2）。

2）闭环淡水脱硫以50%NaOH溶液强化循环淡水碱度来吸收SO_x，洗涤水经除泥后回用，污泥靠岸后集中处理^[13]。然而，长期运行会因硫酸盐积累导致盐度升高，易结晶堵塞喷头和填料，故需定期排放废水并补充淡水。此外，混合式脱硫可在港口或ECA区域启用闭环模式，航行至公海后切换至开环模式以降低运行成本。

3）电解脱硫技术利用NaOH或Na₂CO₃溶液作为吸收剂，吸收SO₂生成NaHSO₃，达到脱硫目的^[14]。通过电解海水制备活性氯化物并配合使用有机吸收剂，可以同步去除废气中的硫和氮氧化物，该“电解海水+有机吸收”体系仍处于实验阶段，尚需验证船舶环境下的高效性和安全性^[15]。与传统洗涤器相比，电解方法可减少外加化学药剂的消耗，显著减少废水排放；但其瓶颈在于系统能耗大、设备复杂度高、技术成熟度不足。未来3～5年内规模化应用仍不确定，但可视为追求零废水排放的创新方向^[16]。

2 船舶尾气脱硝技术

随着国际海事组织Tier III排放标准的实施，脱硝装置的改造需求在现有船舶中逐步增加。据统计，全球约有25%～30%的船舶已安装脱硝装置，尤其对于污染负荷较高的货运船和远洋船，脱硝装置的普及率较高^[17]。近年来，新建船舶的环保装备配备率显著提高，全球约60%～70%的新造船在设计时预留脱硝装置空间。此外，部分船东选择将脱硝与脱硫装置一体化设计，可进一步降低排放并满足多国监管要求。

2.1 选择性催化还原法

如图3所示，选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction, SCR）利用尿素或者氨作为还原剂，将NO_x转化为N₂和H₂O。该反应通常在290～400 ℃高温进行，可去除70%～95%的NO_x。目前，SCR技术较为成熟，是船用柴油机满足Tier III排放的主要手段。其优势在于脱氮效率高，但对进气温度有较高要求。温度过高时，反应装置中的NH₃可能会燃烧而无法参与反应；温度过低（涡轮后小于300 ℃）时，催化反应活性下降；另外，催化剂易受SO₂等污染，长期运行需防止氨逃逸^[18]。

2.2 废气再循环法

废气再循环法（Exhaust Gas Recirculation，EGR）将部分燃烧后的废气经过冷却、洗涤后重新引入气缸，以稀释进气、降低峰值燃烧温度，从源头减少NO_x生成。该技术在大型二冲程发动机（见图4）上应用较多，可在不更换主机的情况下降低NO_x。发动机实验表明，当EGR率达到25%～35%时，NO_x排放量可减少约70%，达到Tier III标准^[20]。然而，由于回流废气会降低缸内氧气浓度，导致燃烧不完全，造成燃油效率下降、CO和烟尘排放增加；同时需要储存并补充碱液以中和酸性物质。实际应用中，在EGR系统中集成尾气洗涤器，可同时降低NO_x和SO_x^[21]。此外，通过分层缸内喷水技术结合低压EGR后，可在满足Tier II要求的基础上，进一步满足Tier III要求^[22]。

2.3 吸附/吸收法净化尾气

吸附法利用固体吸附剂（如活性炭、分子筛或者改性泥煤）通过物理/化学作用捕集NO_x，脱硝效率可达70%～90%。吸附法设备简单，适用于低温废气，但占地大、吸附剂用量多、能耗较高^[24]。此外，常见的吸收法包括水吸收、酸液吸收和碱液吸收。水吸收法利用水的溶解性去除NO_x，适用于低浓度废气处理。酸液吸收法主要利用稀硝酸与NO_x反应，其吸收效率随温度降低而增高，但反应能耗较大。碱液吸收法主要利用氢氧化钠或碳酸钠溶液中和NO_x生成盐类化合物，适用于中高浓度废气处理^[25]。因此，吸附法可作为SCR或EGR等主流技术的前端处理，尤其在低浓度NO_x处理时具有潜力，但仍需解决催化剂或吸附剂的性能问题。

3 船舶尾气脱硫脱硝一体化技术

单独在船舶尾气处理中配置2套独立的脱硫和脱硝装置，不仅会显著增加设备制造成本，还会因分步处理而使流程复杂化^[26]。因此，同时消除SO_x和NO_x能够简化设计工艺并降低成本。目前，船舶尾气脱硫脱硝一体化技术主要包括臭氧氧化吸收法和低温等离子体法等。

3.1 臭氧氧化吸收法

氧化吸收法通过将NO氧化为高价态NO_x，再利用吸收剂将其吸收。常用的氧化剂包括双氧水、二氧化氯和臭氧，吸收剂主要采用碱性溶液。此外，复合吸收剂NaClO₂、Na₂S₂O₈和KMnO₈也可实现高洗涤效率，结果显示，双氧化剂溶液可同时实现SO₂的完全脱除和NO_x超过70%的脱除率，显著优于单一氧化剂方案^[27]。此外，一些实验显示，高浓度O₃和适宜烟气温度下，以MgO等碱性洗涤时，SO₂脱除率可达100%，NO脱除率接近60%^[28]。该工艺流程相对简单，只需臭氧发生器和吸收塔，适用于多种发动机工况，且基本不受尾气温度影响。然而，由于尾气中的SO₂经臭氧氧化后生成硫酸，洗涤塔生成的含硫酸盐海水呈酸性，必须进行中和处理，额外消耗电能并增加成本。此外，臭氧制备功耗极高，且臭氧发生器的体积和造价同样较大，限制了其在船舶上的广泛应用^[29]。其工艺图如图5所示。

3.2 低温等离子体法

低温等离子体法通过电子束照射或脉冲电晕放电等方式产生高能电子，将烟气中的H₂O和O₂等分子激发、电离或裂解，生成大量活性自由基。这些氧化性自由基对NO_x、SO₂具有强氧化作用，在氨气的吸附下，进一步反应生成NH₄NO₃和(NH₄)₂SO₄^[26]。在以NH₃-Ar-Air为电极气进行试验中，脱硫率和脱硝率分别达到了96%和60%^[30]。此外，介质阻挡放电试验发现，在N₂/NO_x/SO₂体系中，放电5 min后的NO_x脱除率达到60%，SO₂脱除率仅为18%。当加入H₂O、CO₂和O₂后，可促进SO₂的氧化还原，显著提高脱除率^[31]。其工艺图如图6所示。

4 船舶尾气脱碳技术

船舶航行使用的重质燃油含碳量高，根据国际海事组织（IMO）的统计数据，每年船舶航运业排放约10亿吨温室气体，占全球碳排放总量近3%^[32]。欧盟海运燃料条例（Fuel EU Maritime）强制要求船舶燃料温室气体排放降低，并从2035年开始强制使用一定比例的非生物来源可再生燃料。

4.1 清洁能源替代

液化天然气（Liquified Natural Gas，LNG）的主要成分为甲烷，氢碳比高，燃烧产物仅为CO₂和水。使用LNG可实现无SO_x排放，NO_x排放量可减少90%以上^[33]。LNG燃料符合国际排放规范，并获准在ECA中使用；其价格相对较低，能量利用效率高，有助于降低船东运营成本。当前，双燃料技术在船上的应用逐渐增多，特别是在长途航行中，LNG作为最广泛的过渡燃料，其CO₂排放量比重油低20%～30%^[34]。然而，LNG的低密度导致储存需求较高，现有储罐需配备额外的隔热保护措施以防止蒸发损耗。此外，氢气燃烧无碳排放且热值高，但由于燃烧温度较高，会产生一定的NO_x^[35]。目前，由于液氢需要极低温储存（−253 ℃），主要适用于短途或近岸船舶。

近年来，全球范围内绿色甲醇加注网络逐渐扩大。2024年，全球甲醇或氨动力船舶订单量占替代燃料新船订单的14%^[36]。绿色甲醇作为一种低碳燃料，储运便利且燃烧性能优异，对现有加注设施进行改造即可实现供应。另外，氨燃烧不产生CO₂，仅需轻度低温或常压储存，适合长航程应用。但氨气有毒，并且燃烧时仍会生成NO_x，需严格防止泄漏^[37]。未来清洁燃料替代将呈现多元化趋势，LNG作为过渡燃料仍将继续使用，而氨、氢等零碳燃料需配套相应的基础措施才能推广。

4.2 船舶碳捕集技术

碳捕集技术在陆地工业领域已实现较成熟的应用，但船舶因其航行特性，如离岸远、持续移动和空间受限等，还无法直接应用于船舶。考虑不同的燃烧环节，对燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集技术在船舶上的适用性进行分析。

燃烧前捕集通过燃料重整或氧化反应，预先将碳以CO₂的形式分离出来，分离出的氢气可继续作为船舶燃料。理论上此方案可将船舶排放的CO₂进行捕集，实现“燃烧前零碳”^[38]。但此技术需要重整船舶燃料设备和发动机，氢气储运和动力系统的安全性也仍是主要瓶颈。

富氧燃烧通过提高进气氧浓度，使燃料充分燃烧并降低烟气中氮气比例，减少NO_x生成。然而，船舶需装备空气分离装置提供纯氧，可能增加系统成本^[39]。现有研究致力于开发低成本制氧技术及对发动机结构进行适配改造，但其经济性和安全性尚需验证^[40]。

燃烧后捕集是指在尾气排出后端，借助吸收、吸附或膜分离等技术，将CO₂从烟气中去除。该技术已在陆域工业中得到广泛应用，优点是无需改造现有发动机，仅需对尾气处理系统改造^[40]。该技术应用于船舶时，投入成本较低，安全性及稳定性高，适合船舶碳捕集改造。最新研究表明，某研究所成功研制了首套船舶尾气全流程碳捕集系统，2025年1月在鹿特丹港试用并实现了80%以上的CO₂捕集率^[41]。因此，燃烧后捕集技术为航运业碳减排提供了新途径，需针对船舶尾气成分复杂、排放量大的特点，优化吸收剂和系统设计。碳捕集路径图如图7所示。

4.3 碳储存利用

碳利用（Carbon Utilization）是实现航运业碳减排目标的重要途径之一。通过将捕集的CO₂转化为高附加值产品，不仅能够降低船舶碳排放，还可创造经济效益并减少运营成本。目前，CO₂的利用方式主要分为直接利用和间接利用2种，应用领域涵盖化工生产、能源转化、微藻炼油及驱油增产等^[42]。

直接利用方面，可将船上捕集的CO₂用于船舶消防系统的灭火介质，替代传统的CO₂气瓶，减少气瓶储存空间并降低成本^[43]。此外，通过将捕集的CO₂注入海洋油气田，可提高油气采收率并实现CO₂封存^[44]。AYYAR等^[45]提出一种基于催化反应的海水脱盐技术，通过CO₂与有机胺的反应生成碳酸氢盐，再与海水中的钠离子交换生成碳酸钠，从而实现海水脱盐，具有更高的能源效率。

间接利用方面，捕集的CO₂可通过化学转化用于能源生产和化工原料合成。在HyMethShip项目中，捕集的CO₂与水电解产生的氢气结合生成甲醇，再利用重整器将甲醇裂解为氢气驱动发动机，达到了97%的碳减排率^[46]。日本、瑞典等多个研究团队正探索利用CO₂生产绿色甲醇和零碳燃料^[47-48]。此外，ILIUTA等^[49]提出利用船舶尾气CO₂用于苯乙烯氧化反应，生成苯乙烯环状碳酸酯等化工产品。

5 结　语

在全球积极应对气候变化、推动可持续发展的背景下，航运业正加速向节能减碳转型，响应国际和国内对碳中和的要求。从宏观政策来看，IMO不断收紧船舶碳减排法规，强制要求船舶降低能耗与碳排放，直接促使船东和船舶运营商加大对节能降碳技术与设备的投入。各国政府也纷纷出台相应的鼓励政策，包括财政补贴、税收优惠等，以推动本国船舶行业的绿色转型，进一步刺激市场对船舶节能降碳解决方案的需求增长^[50]。与此同时，欧盟在碳交易、可持续燃料认证等方面建立了完整的体系。中国则通过引入新造船EEDI强制性要求，并将水运行业纳入上海碳交易市场体系，加速推进航运行业的低碳化转型^[51]。

根据行业报告，当前约有50%～60%的现有船舶未完成脱硫改造，意味着存量市场具有很大的改造空间。随着IMO对硫排放的严格限制，未来配置脱硫装置或使用低硫油的船舶比例预计达到90%以上。与此同时，船舶脱硝改造需求在现有船舶中逐渐增加。根据预测，全球船舶脱硝市场将以6%～8%的年均符合增长率增加^[17]。此外，航运业对环保要求逐年提高，船舶燃料结构正在发生根本性转变。新型低碳或零碳燃料（如甲烷、甲醇、氢等）逐渐成为船舶动力的替代选择。预计到2030年，低碳和零碳燃料将在新造船中占据30%～40%的市场份额，特别对于远洋船舶，将成为碳减排的核心技术^[17]。与传统重油相比，低碳燃料不仅能大幅降低温室气体排放，还能降低船舶的碳足迹，符合IMO的排放标准。

总体而言，虽然全球对船舶低碳化存在共识，但各国的政策法规在实施和执行上仍存在差异，给航运公司带来了不确定性。不同国家和地区的环保标准、碳排放法规、补贴政策等差异，可能导致市场的碎片化，使船舶低碳发展面临政策协调和执行的问题。船舶低碳转型的市场需求在短期内可能并不稳定，航运公司对低碳船舶的需求取决于多个因素，包括燃料价格、碳排放政策、港口设施的建设以及技术发展的进展。尽管如此，随着国际碳减排目标的持续推进、绿色燃料供应体系的逐步完善，这一趋势在中长期内将推动船舶节能降碳市场需求的进一步增长。