萬會(huì)發(fā)，張海波

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316021)

浙江省刺網(wǎng)漁船尾氣排放調(diào)查研究

萬會(huì)發(fā)，張海波

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316021)

文章介紹了浙江省國(guó)內(nèi)海洋捕撈漁船現(xiàn)狀，闡述了尾氣產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)刺網(wǎng)漁船尾氣排放進(jìn)行實(shí)船檢測(cè)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了下一步改進(jìn)的對(duì)策及建議。

柴油機(jī)；尾氣排放；油品質(zhì)量

海洋捕撈業(yè)是海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，一直以來，海洋捕撈業(yè)在保障國(guó)民生活需求、增加漁民收入、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益等方面發(fā)揮著重要的作用。浙江省作為海洋漁業(yè)捕撈大省，擁有國(guó)內(nèi)海洋捕撈漁船約2萬余艘，目前普遍存在漁船船齡長(zhǎng)、船型落后、船體及設(shè)備老化、尾氣排放量大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。嚴(yán)重地制約了海洋捕撈業(yè)健康持續(xù)的發(fā)展和漁區(qū)社會(huì)的和諧穩(wěn)定。近年來隨著民眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，控制柴油機(jī)尾氣排放的呼聲越來越強(qiáng)烈，因此，非常有必要對(duì)我國(guó)漁船柴油機(jī)使用情況及尾氣排放情況進(jìn)行綜合調(diào)研，以期為下一步的漁船升級(jí)改造及柴油機(jī)尾氣排放控制提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 浙江省國(guó)內(nèi)海洋捕撈漁船現(xiàn)狀

1.1 浙江省國(guó)內(nèi)海洋捕撈漁船船型的基本情況

1)漁船數(shù)量、材質(zhì)及船齡情況。全省目前約有國(guó)內(nèi)海洋捕撈漁船2萬余艘，如按船體材質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，其中鋼質(zhì)船約占62.90%，總千瓦數(shù)312萬kW；木質(zhì)船約占36.95%，總千瓦數(shù)12.4萬kW；僅極少數(shù)為玻璃鋼和聚乙烯材質(zhì)。如按船齡進(jìn)行區(qū)分，其中船齡在10年以內(nèi)的漁船約占23.07%；船齡在10～20年的約占52.24%。如按船長(zhǎng)進(jìn)行區(qū)分，其中小型漁船(L<12 m)約占28%，總千瓦數(shù)7.3萬kW；中型漁船(12 m≤L<24 m)約占9.5%，總千瓦數(shù)10.2萬kW；大型漁船(L>24 m)約占62.5%，總千瓦數(shù)307萬kW。

2)作業(yè)類型和船型情況。全省漁船船型基本涵蓋了《農(nóng)業(yè)部漁業(yè)捕撈許可管理規(guī)定》中九大作業(yè)類型中的七大類，即：拖網(wǎng)(含單拖、雙拖、桁拖等)、圍網(wǎng)、張網(wǎng)、刺網(wǎng)(含流刺網(wǎng)和定置刺網(wǎng))、釣具、籠壺和雜漁具(含敷網(wǎng)、抄網(wǎng)等)，相比其他省，如遼寧省基本為流刺網(wǎng)、定置網(wǎng)和拖網(wǎng)，山東省基本為拖網(wǎng)，江蘇省基本為拖網(wǎng)、定置網(wǎng)、流刺網(wǎng)，我省的作業(yè)類型和作業(yè)方式種類多，船型技術(shù)參數(shù)也較其他省情況復(fù)雜，本文主要以刺網(wǎng)船為例進(jìn)行探討研究。

1.2 漁船柴油機(jī)的使用工況統(tǒng)計(jì)

1)以浙定漁12226刺網(wǎng)漁船為例，該船采用南通柴油機(jī)廠生產(chǎn)的J6135CzAX主機(jī)，額定功率116 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，在實(shí)際作業(yè)中，漁船實(shí)際工作時(shí)間如表1。

(1)捕魚周期：一般以20 d為一個(gè)周期，日平均作業(yè)、航行時(shí)間10 h左右。一個(gè)捕魚周期內(nèi)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間約為200 h。

(2)全年實(shí)際作業(yè)天數(shù)在230 d左右，估算全年運(yùn)行時(shí)間為2 300 h。

(3)從油耗上看，柴油機(jī)燃油消耗率 按200 g/(kW·h)計(jì)算，全年耗油53.4 t。

表1 浙定漁12226漁船每月實(shí)際作業(yè)天數(shù) d

2)以浙普漁42080刺網(wǎng)漁船為例，該船采用濰坊柴油機(jī)廠生產(chǎn)的CW6200ZC-21主機(jī)，額定功率396 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，在實(shí)際作業(yè)中，漁船實(shí)際工作時(shí)間如表2。

表2 浙定漁42080漁船實(shí)際作業(yè)天數(shù) d

(1)捕魚周期：一般以10 d為一個(gè)周期，日平均作業(yè)、航行時(shí)間10 h左右。一個(gè)捕魚周期內(nèi)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間約為100 h；

(2)全年實(shí)際作業(yè)天數(shù)在100 d左右，估算全年運(yùn)行時(shí)間為2 000 h。

(3)從油耗上看，柴油機(jī)燃油消耗率按198 g/(kW·h)計(jì)算，全年耗油156.82 t。

2 柴油機(jī)尾氣生成機(jī)理

柴油機(jī)的排放主要是固體顆粒(PM)和NOx，含有較少的碳?xì)浠衔?HC)和CO。

2.1 柴油機(jī) PM生成機(jī)理

由于柴油機(jī)的工作原理是噴油壓燃,燃油停留在燃燒室中的時(shí)間比汽油短很多,因而受壁面冷激效應(yīng)和狹隙效應(yīng)，油膜、沉積物吸附作用很小,在大部分工況下,都是稀薄燃燒,且換氣過程中不存在燃油的損失。這是柴油機(jī)PM排放較低的原因。

當(dāng)柴油機(jī)怠速或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),來自柴油噴注的外緣混合過渡造成的過稀混合氣以及在壓縮過程中的活塞頂部頭道環(huán)上方的間隙中的混合氣,都是造成柴油機(jī)未燃 PM排放物的主要來源。

2.2 柴油機(jī) CO生成機(jī)理

CO的產(chǎn)生主要是由于燃油在汽缸中燃燒不充分所致,因局部缺氧而產(chǎn)生的燃燒反應(yīng)中間產(chǎn)物。過量的空氣系數(shù)和燃燒過程對(duì)燃燒后期的CO氧化反應(yīng)都有很大的影響。CO的濃度在柴油機(jī)中一般都很低, 只有在接近冒煙極限時(shí),才會(huì)急劇增加。而在小負(fù)荷時(shí),缸內(nèi)燃燒溫度低而且氧化反應(yīng)不徹底,會(huì)造成CO排放有所增加,對(duì)于柴油機(jī),雖然理論上總體過量空氣系數(shù)始終大于1,可以完全燃燒。但由于柴油和空氣不可能完全混合均勻, 缸內(nèi)總有局部缺氧和低溫的地方, 以及反應(yīng)物在燃燒區(qū)停留時(shí)間較短, 不足以完全燃燒, 柴油機(jī)暖機(jī)時(shí)及怠速時(shí)CO也較高,也是由于上述原因造成。

2.3 柴油機(jī)NOx生成機(jī)理

人們已經(jīng)對(duì)NOx的生成機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,但尚未達(dá)成共識(shí),比較容易接受的是策爾多維奇機(jī)理。該機(jī)理認(rèn)為: 柴油機(jī)排放中的NO并非來自燃油的燃燒,而是來自氮?dú)馀c氧氣的反應(yīng), 它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續(xù)高溫而形成的,在膨脹和排氣時(shí)有少量的分解,排到大氣后遇氧形成 NOx和其它氮氧化物。柴油機(jī)燃燒過程中噴射各區(qū)均可以生成 NO,其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產(chǎn)物的冷卻速度和滯留時(shí)間(即高溫下所占燃燒循環(huán)的時(shí)間量)等因素有關(guān),從理論上講,柴油機(jī) NOx排放的形成是無法避免的, 但通過控制燃燒過程的最高溫度和高氧空氣在高溫中的滯留時(shí)間等可以加以限制。

3 尾氣排放的實(shí)船檢測(cè)

國(guó)際海事組織(IMO)2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，船舶廢氣年排放約占世界排放總量的30%，年排放約占世界排放總量的4%，年排放約占世界排放總量的2.7%。根據(jù)國(guó)際海洋公約組織提供的資料，漁船動(dòng)力排放造成的大氣污染占總排放的7%，在漁船集中的港口等局部地區(qū)甚至高達(dá)30%～40%。

漁船柴油機(jī)燃燒所排放的廢氣中含有大量有害氣體，主要包括SOx(SO2約占95%，SO3約占5%)、NOx(NO約占95%，NO2約占5%)、CO2、CO、CH4等氣體以及顆粒物PM等，這些氣體對(duì)人體和大氣造成了嚴(yán)重危害：SO2刺激人體呼吸道，影響呼吸功能，還可能形成酸雨腐蝕建筑，危害植物；NOx在一定條件下將誘發(fā)光化學(xué)煙霧，嚴(yán)重污染大氣；CO2、CH4等則會(huì)加劇溫室效應(yīng)?？梢姡瑵O船有害氣體排放會(huì)對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染。為了了解我省漁船的尾氣排放以及油品水平，我們抽取舟山地區(qū)的18艘刺網(wǎng)漁船進(jìn)行了摸底，由于篇幅限制，本文僅以浙定漁12226及浙普漁42080兩艘刺網(wǎng)漁船測(cè)量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算。由于儀器默認(rèn)測(cè)量單位PPM和國(guó)標(biāo)中要求的mg/m3不一致，因此需按照以下公式進(jìn)行換算：

(1)

式中：B為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體摩爾體積22.4 L/mol；T為 煙氣溫度(選Flue temp.)，℃;273為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的0 ℃對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度；CP為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得NO2的濃度，mg/m3；M為NO2的摩爾質(zhì)量46 g/mol；C為NO2的濃度，mg/m3。

測(cè)定結(jié)果如表3。

表3 各工作狀態(tài)下漁船尾氣排放狀況

3.1 排放數(shù)據(jù)的處理以及和排放法規(guī)的比對(duì)

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件限制，無法按照柴油機(jī)推進(jìn)曲線進(jìn)行加載，實(shí)際柴油機(jī)空載時(shí)在怠速、70%轉(zhuǎn)速、100%轉(zhuǎn)速工況時(shí)的實(shí)際功率差別不大，這點(diǎn)從油耗量(kg/h)就可以看出。因此按照推進(jìn)曲線公式：

(2)

式中：P0為額定功率；P1為實(shí)際功率；n0為額定轉(zhuǎn)速；n1為實(shí)際轉(zhuǎn)速。

計(jì)算時(shí)，得到的功率是不準(zhǔn)確的。為了能夠正確反映出柴油機(jī)的實(shí)際排放水平，我們采用以下公式對(duì)柴油機(jī)的實(shí)際輸出功率進(jìn)行擬合：

(3)

式中：P1為實(shí)際功率；P2為擬合后的功率，以此擬合的數(shù)據(jù)和柴油機(jī)實(shí)際排放水平相差不大。

按照國(guó)際海事組織(IMO)MARPOL 73/78公約的附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》要求，2005年5月19日以后國(guó)際航行的船舶、海船、遠(yuǎn)洋船舶等需達(dá)到第I階段NOx排放限值：當(dāng)130 r/min≤n<2 000 r/min，n為額定轉(zhuǎn)速；NOx排放需小于45n-0.2g/(kW·h)。

如果按照IMO公約I階段對(duì)NOx的要求，將進(jìn)行功率擬合后的功率帶入算式得到表4，在18條漁船、54個(gè)測(cè)量工況中有20個(gè)是不達(dá)標(biāo)的，不合格率為37%。

表4 各工作狀態(tài)下漁船尾氣排放檢測(cè)結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

按照《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第一、二階段)》試驗(yàn)程序：對(duì)于按推進(jìn)特性運(yùn)行的船主機(jī)，應(yīng)按E3循環(huán)進(jìn)行測(cè)試。E3循環(huán)中4個(gè)測(cè)試點(diǎn)必須全部達(dá)標(biāo)。

本次調(diào)研過程中，為不影響漁民正常作業(yè)，選擇在休漁期進(jìn)行排放調(diào)研，但休漁期漁船在碼頭中密集排列，無法按照推進(jìn)曲線對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行測(cè)試，只能檢測(cè)空載(或近似空載)狀態(tài)下的排放情況，然后再由測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)功率進(jìn)行擬合計(jì)算得出不同轉(zhuǎn)速條件下的排放值。

從實(shí)際檢測(cè)結(jié)果看，主要問題如下。

1)如果按照IMO公約I階段對(duì)NOx的要求，在18般漁船、54個(gè)測(cè)量工況中有20個(gè)不達(dá)標(biāo)的，不合格率為37%?？梢娔壳皣?guó)內(nèi)漁船排放情況較為嚴(yán)峻，排放不達(dá)標(biāo)情況比較普遍。

2)按照GB 252普通柴油硫含量的要求，18條船中只有3艘船達(dá)標(biāo)，有的甚至超標(biāo)10倍。

由于濰柴等國(guó)內(nèi)主要柴油機(jī)出廠時(shí)產(chǎn)品均可達(dá)到CCS對(duì)排放的要求，對(duì)于排放不達(dá)標(biāo)的原因，根據(jù)調(diào)研實(shí)際情況，結(jié)合廠方在柴油機(jī)生產(chǎn)、試車的經(jīng)驗(yàn)，可以歸結(jié)為以下5個(gè)原因。

1)柴油機(jī)積碳嚴(yán)重。隨著柴油機(jī)使用年限增加，柴油機(jī)進(jìn)排氣門積碳增多，造成進(jìn)排氣門開關(guān)不嚴(yán)密，造成燃燒不良，從而影響尾氣排放質(zhì)量；活塞頂積碳過多會(huì)造成爆壓超標(biāo)，也會(huì)增加NOx排放量。

2)噴油器霧化不良。由于油品質(zhì)量較差，噴油器容易受到腐蝕造成堵塞，從而使油束無法完全霧化，燃燒不良，造成排放超標(biāo)。

3)供油提前角走位。經(jīng)過長(zhǎng)期使用，有關(guān)配合件發(fā)生磨損造成相對(duì)位置的變化，油泵供油提前角容易走位從而造成燃燒狀況發(fā)生變化。如果供油提前角過大容易造成柴油早燃，導(dǎo)致燃燒室壓力和溫度升高，不利于燃油與空氣的混合和燃燒，從而造成NOx排放物增加。供油提前角過小會(huì)造成燃燒滯后并延伸在膨脹過程中進(jìn)行，柴油機(jī)燃燒效率下降，造成PM值增加。

4)進(jìn)氣負(fù)壓、排氣背壓超標(biāo)。由于機(jī)艙環(huán)境較差，如果用戶不及時(shí)清潔空濾器容易造成進(jìn)氣量不足影響燃燒質(zhì)量。另外如果排氣管設(shè)計(jì)不合理，管徑小、彎管多就會(huì)造成排氣背壓超標(biāo)，增大柴油機(jī)煙度，也會(huì)影響燃燒質(zhì)量。

5)由于漁船工況比較復(fù)雜，漁民為節(jié)省成本，對(duì)柴油機(jī)的保養(yǎng)不夠及時(shí)也會(huì)造成排放嚴(yán)重。

4 建議及對(duì)策

4.1 升級(jí)改造柴油機(jī)

柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化就是對(duì)其燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化,使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到混合均勻，燃燒充分，工作柔和，啟動(dòng)可靠，排放較少的要求。采取機(jī)內(nèi)凈化是目前最好且最有效的方法。其原理是通過改進(jìn)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增附加裝置來改變?nèi)紵阅? 進(jìn)而達(dá)到減少 NOx排放的目的。

1)進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化。對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要目的是提高充氣效率的同時(shí),合理組織進(jìn)氣渦流,以利于氣體能夠充分的混合,提高燃燒速率,并盡量減少 NOx和 PM的生成。

2)進(jìn)氣渦流的優(yōu)化。提高渦流比能使燃燒加速并且完全,但其結(jié)果能導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒壓力與溫度的升高,從而使NOx的排放明顯增加；若減少進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度雖能減少NOx的排放,但又勢(shì)必會(huì)犧牲柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此,可采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)來使渦流比在 0.2～2.5范圍內(nèi)變化, 可以很好的兼顧柴油機(jī)在整個(gè)工況范圍內(nèi)各個(gè)方面的性能,但采用可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)存在很多技術(shù)難題, 比如結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，以至于造成成本較高的問題。

3)提高噴油壓力和減小噴孔直徑。提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低PM的排放。為了避免高壓噴射導(dǎo)致的NOx的增加,就需要要適當(dāng)降低空氣渦流運(yùn)動(dòng),提高壓縮比和可變定時(shí)燃油噴射來與其相適應(yīng)。高壓噴油系統(tǒng)需要和燃燒室能夠很好的配合, 以避免造成過多燃油噴射到汽缸冷表面上,減少PM中有機(jī)可溶物的排放。同時(shí)還可以減少噴嘴圧力室容積或采用無壓力噴油嘴,也可以使PM排放大大減少。通過對(duì)燃油噴射率的優(yōu)化,可降低PM和NOx的排放。

4)改進(jìn)燃燒系統(tǒng)。改進(jìn)燃燒系統(tǒng)主要是改進(jìn)燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進(jìn)氣流動(dòng)的匹配程度。應(yīng)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工況范圍內(nèi),燃油在燃燒室中能夠均勻分布,有充分的氣體流動(dòng),有良好的節(jié)油規(guī)律。采用電控制噴油泵、電控泵噴嘴、電子調(diào)速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門化和中央配置噴油器等措施,即可以改善柴油機(jī)性能,又能夠降低柴油機(jī)尾氣排放物, 尤其是降低顆粒 PM物質(zhì)的排放最為明顯。

5)增壓中冷。柴油機(jī)在采用進(jìn)氣增壓技術(shù)后,由于壓縮溫度升高, NOx的排量也必然增加, 由于增壓柴油機(jī)在采用中冷技術(shù)以后,增壓空氣在進(jìn)入汽缸以前被冷卻,在一定程度上可以降低NOx的排放,廢氣渦輪增壓可以提高汽缸內(nèi)平均有效壓力、過量空氣系數(shù)和平衡整個(gè)循壞的平均溫度,能夠使柴油機(jī)顆粒物的排放量降低50%以上,并可以減少CO和HC的排放量,采用中冷技術(shù), NO的排放量能夠降低60%～70%左右。目前,柴油機(jī)增壓中冷技術(shù)在中型柴油機(jī)和大型柴油機(jī)上應(yīng)用越來越廣泛。

4.2 加強(qiáng)監(jiān)管

目前東部地區(qū)漁船使用的燃油主要分為GB 252中規(guī)定的普通柴油和GB 17411中規(guī)定的船用燃料油兩大類。不同于車用普通柴油(GB 19147，主要用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車)，普通柴油主要用于拖拉機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車、工程機(jī)械、船舶和發(fā)電機(jī)組等壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，在2013年7月1日后車用柴油和普通柴油在硫含量指標(biāo)上已要求相同。目前國(guó)內(nèi)柴油機(jī)廠生產(chǎn)的中高速機(jī)均要求使用普通柴油，但由于價(jià)格因素，漁民為了提高生產(chǎn)效益，經(jīng)常使用船用餾分型燃料油作為主要燃料。

燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響較大，如果使用的燃油硫含量過高，易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油過早老化，堿值消耗過快從而腐蝕柴油機(jī)各零部件。燃油是近海漁業(yè)生產(chǎn)的主要費(fèi)用支出，在利益驅(qū)動(dòng)下，漁船使用的燃油復(fù)雜，既有中國(guó)石油、中國(guó)石化、中海油的免稅油，也有小煉廠的燃油，主要為輕柴油MGO，基本不用重質(zhì)渣油，一般情況下非標(biāo)燃油硫含量高。所以必須加強(qiáng)監(jiān)管，嚴(yán)把柴油質(zhì)量關(guān)，杜絕不合格燃油流入到市場(chǎng)中。

4.3 建立柴油機(jī)定期報(bào)廢制度

經(jīng)過長(zhǎng)期使用的柴油機(jī)均不同程度的存在活塞環(huán)和缸套的磨損，尤其是長(zhǎng)期低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的拖網(wǎng)漁船由于潤(rùn)滑不良，柴油機(jī)磨損尤為嚴(yán)重，這就容易造成柴油機(jī)機(jī)油消耗率增加，大量機(jī)油進(jìn)入燃燒室參與燃燒。由于機(jī)油大量附著在缸套和活塞表面，燃燒不良產(chǎn)生大量PM顆粒，而且隨著柴油機(jī)使用年限增加，柴油機(jī)能耗也會(huì)相應(yīng)增加，所以不論從節(jié)能還是保護(hù)環(huán)境的角度都應(yīng)該建立柴油機(jī)的定期報(bào)廢制度。

In this paper,current situation of domestic marine fishing boats is introduced and the mechanism of exhaust is expounded.Some countermeasures and suggestions are put forward according to ship detection of gillnetter exhaust emissions and analysis of measurement data.

diesel engine;exhaust emissions;quality of oil

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.012

萬會(huì)發(fā)(1985-)，男，山東泰安人，工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)闈O船節(jié)能減排。

2017-06-22