向蜀霞，姚婷婷，彭勇平，張曉剛，李鏗國

(1. 深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院， 廣東 深圳 518107； 2. 深圳海事局， 廣東 深圳 518000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，船舶運(yùn)輸因具有成本低、運(yùn)輸量大等優(yōu)點(diǎn)，成為海上交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ摺Ｅc此同時(shí)，船舶數(shù)量日益增加，船舶尾氣排放已成為大氣污染的重要來源之一，大氣污染物的排放量日益增多，尤其是在港口、海峽和航線密集的海域，船舶排放大氣污染物造成區(qū)域空氣質(zhì)量惡化，給港口附近居民的生活和工作環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。由于船舶動(dòng)力裝置主要以柴油機(jī)為推進(jìn)裝置，船舶尾氣排放與發(fā)動(dòng)機(jī)性能息息相關(guān)，其排放的大氣污染物主要包括CO、NOx、SOx、TVOC和顆粒物(PM)等。[1]據(jù)計(jì)算，2016年全國船舶SO2排放量約占全國SO2排放總量的8.4%。[2]國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)2014年發(fā)布的第3次溫室氣體研究報(bào)告顯示：2012年全球航運(yùn)排放的CO2有7.96億t，占全球排放總量的2.2%。[3]為應(yīng)對(duì)港口大氣污染的嚴(yán)峻形勢，有效控制船舶尾氣污染、減少船舶尾氣排放，2015年12月，交通運(yùn)輸部發(fā)布《珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，確定排放控制區(qū)(Emission Control Areas, ECA)內(nèi)的核心港口，并提出對(duì)船舶SOx、NOx和PM的排放限值要求。[4]2018年12月，交通運(yùn)輸部發(fā)布新的《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，進(jìn)一步擴(kuò)大ECA的地理范圍，提高排放控制要求。2016年8月，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值和測量方法(中國第一、二階段)》(GB 15097—2016)，并于2018年7月1日正式實(shí)施第一階段限值，2021年7月1日起實(shí)施第二階段限值。針對(duì)我國政策、標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布和實(shí)施，開展船舶大氣污染控制對(duì)策研究勢在必行。

當(dāng)前，隨著在2020年1月1日全球限硫[硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)≤0.5%]法規(guī)的生效，液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料作為清潔低碳能源越來越受世界各國和地區(qū)的青睞，對(duì)LNG動(dòng)力船舶的發(fā)展給予了很大支持。[5]我國LNG燃料動(dòng)力起步較晚，截至2018年3月已建造LNG動(dòng)力船舶279艘，其中，內(nèi)河船舶276艘、海船3艘。[6]為有效推進(jìn)船舶清潔能源的實(shí)施，我國出臺(tái)了LNG燃料動(dòng)力船舶相關(guān)規(guī)范與政策，如《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》等，促進(jìn)LNG燃料動(dòng)力船舶環(huán)保效益發(fā)揮重要作用。然而，國內(nèi)LNG動(dòng)力船舶較少，對(duì)實(shí)船大氣污染物的排放特征和基礎(chǔ)排放數(shù)據(jù)等信息十分缺乏，難以有針對(duì)性地提出對(duì)LNG燃料作為清潔燃料的對(duì)策。

綜上所述，本研究搭建船舶在線監(jiān)測系統(tǒng)，選取1艘LNG動(dòng)力船舶開展基于不同轉(zhuǎn)速條件的實(shí)船尾氣排放測試，探索LNG動(dòng)力船舶大氣污染物瞬時(shí)排放規(guī)律，分析各污染物的來源及其對(duì)空氣環(huán)境造成的影響，為后續(xù)LNG動(dòng)力船舶尾氣排放研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測試船舶與工況

1.1.1測試船舶

選擇中海油能源發(fā)展有限公司的1艘LNG動(dòng)力船舶(拖船)，專用于協(xié)助船舶靠泊或離港等。船舶于2015年建造完成，是一艘主要航行于我國沿海區(qū)域的海船，其基本參數(shù)見表1。

表1 測試船舶基本參數(shù)

1.1.2測試工況和氣體組分

拖船測試工況選擇系泊時(shí)，在改變主機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，在線監(jiān)測船舶尾氣瞬時(shí)排放濃度(質(zhì)量濃度，下同)，即船舶靠泊碼頭，航速為0 kn，通過頂推碼頭模擬拖船工作。監(jiān)測船舶尾氣組分包括CO、NOx、SO2、TVOC和PM。

1.1.3在線監(jiān)測設(shè)備

船舶尾氣排放濃度在線監(jiān)測設(shè)備選擇Mini-SEMS在線監(jiān)測系統(tǒng)，船舶尾氣在線監(jiān)測系統(tǒng)包括氣體采樣模塊和監(jiān)測模塊2部分。氣體采樣模塊包括前端采樣探頭、采樣管、氣泵和進(jìn)氣過濾網(wǎng)；監(jiān)測模塊包括氣體傳感器、顆粒物傳感器、自動(dòng)調(diào)零和其他附屬設(shè)備(環(huán)境溫度、濕度、壓力等)。監(jiān)測前需對(duì)在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行計(jì)量和校準(zhǔn)。

1.2 分析方法

1.2.1船舶煙囪口流速檢測方法

采用皮托管測量排氣壓差，應(yīng)用伯努利定理計(jì)算氣流的速度。流速的計(jì)算式為

(1)

式(1)中：v為氣體流速，m/s；P0為排氣口總壓，Pa；P∞為排氣口靜壓，Pa；ρ為排氣體密度(默認(rèn)煙氣密度近似空氣密度，為1.2 kg/m3)。

1.2.2船舶大氣污染物檢測方法

NO、NO2、SO2和CO在線分析方法選擇電化學(xué)法；TVOC在線分析方法選擇光離子法；CO在線分析方法選擇非分散紅外法(Non-Dispersive Infrared, NDIR)；PM在線分析方法選擇光散射法。

1.2.3船舶大氣污染物排放因數(shù)計(jì)算方法

利用“碳平衡法”計(jì)算船舶排放各污染物排放因數(shù)(由于燃料燃燒之后的所有的碳組分基本上都以CO、CO2和TVOC的形式排放，而CO2的排放濃度遠(yuǎn)大于CO和TVOC，因此CO和TVOC可忽略不計(jì))。各污染物排放因數(shù)計(jì)算式為

(2)

式(2)中：EFP為各污染物排放因數(shù)，g/kg；Δ[P]為扣除環(huán)境背景值后的質(zhì)量濃度，g/m3；Δ[CO2]為扣除環(huán)境背景值之后的質(zhì)量濃度，g/m3；MWi為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Wc為燃料中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg。由于船舶排放因數(shù)的計(jì)算缺少相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)Wc值的明確數(shù)值記載，因此式(2)中引用汽車柴油的Wc=0.87 g/kg代入計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO瞬時(shí)排放特征

CO是船舶燃料在燃燒過程中生成的重要中間產(chǎn)物，當(dāng)燃油燃燒不充分或缺氧時(shí)都會(huì)導(dǎo)致CO生成。[7]CO瞬時(shí)排放特征圖見圖1，CO隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高先出現(xiàn)波動(dòng)，開始會(huì)有1個(gè)低谷值。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，CO濃度瞬時(shí)增加；當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速再次升高時(shí)，CO濃度又開始出現(xiàn)波動(dòng)，由降低再次迅速升高。由圖1可知：船舶在轉(zhuǎn)速不斷變化的情況下，導(dǎo)致CO排放濃度發(fā)生相應(yīng)變化。除主機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其余時(shí)間CO瞬時(shí)排放濃度均在954～1 513 mg/m3波動(dòng)。這是由于船舶功率發(fā)生變化，在船舶怠速情況下，主機(jī)高負(fù)荷做功導(dǎo)致主機(jī)燃燒室局部缺氧生成CO。

2.2 NOx瞬時(shí)排放特征

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx主要來源于燃料中的氮和空氣中的氮?dú)馊紵?，其中NO所占比例最大，可達(dá)95%以上。[8-9]在船舶啟動(dòng)時(shí)，NOx排放濃度瞬間快速上升(見圖2)；在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，NOx迅速下降到低谷值，并隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，其瞬時(shí)排放濃度波動(dòng)趨于平緩；當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速由低再次升高時(shí)，NOx瞬時(shí)排放量隨之再次上升。在整個(gè)主機(jī)做功的情況下，NOx排放率都比較大，這是由于船舶主機(jī)燃料燃燒溫度、含氧量和滯燃期時(shí)間都滿足高溫燃燒的條件。

2.3 SO2瞬時(shí)排放特征

船舶尾氣排放硫氧化物主要與燃料硫含量直接相關(guān)，與發(fā)動(dòng)機(jī)類型和功率等無關(guān)。[10]根據(jù)深圳市沿海ECA硫含量限值的要求，燃油硫含量自2019年1月1日起控制在0.5%之內(nèi)。在整個(gè)LNG船主機(jī)做功的情況下，SO2濃度遠(yuǎn)低于0.5%的限值要求，符合ECA要求，SO2瞬時(shí)排放特征見圖3。當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，SO2排放量迅速上升，且隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，硫排放量與主機(jī)轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在約700 r/min時(shí)，SO2的瞬時(shí)排放濃度波動(dòng)較大，這可能是因?yàn)樘烊粴庠谌紵龝r(shí)本身排放硫氧化物量較低，導(dǎo)致排放濃度太低，使在線設(shè)備監(jiān)測能力受限。因此，天然氣燃料可作為替代傳統(tǒng)燃料類的一種。[11]

2.4 TVOC瞬時(shí)排放特征

揮發(fā)性有機(jī)物的排放量與燃燒溫度、壓力和燃空當(dāng)量比等相關(guān)。[7]LNG燃料動(dòng)力船舶燃料燃燒時(shí)，TVOC總體排放量相比柴油機(jī)船舶大幅降低。[12]在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過程中，TVOC呈上升趨勢，但排放瞬時(shí)濃度相對(duì)較低，在0.123～1.184 mg/m3范圍內(nèi)。當(dāng)船舶主機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行約9 min時(shí)，TVOC略下降；在第13 min時(shí)，TVOC瞬時(shí)排放濃度又開始上升，這與主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢相似，呈正相關(guān)，見圖4。船舶主機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)汽缸內(nèi)的反應(yīng)壓力或溫度較低，導(dǎo)致TVOC排放濃度上升。

2.5 PM瞬時(shí)排放特征

PM是柴油機(jī)尾氣排放的主要污染物之一。[13]以LNG燃料的動(dòng)力船舶內(nèi)燃機(jī)燃燒時(shí)PM排放可下降90%[14-15]，LNG是一種較好的清潔能源。當(dāng)船舶主機(jī)啟動(dòng)時(shí)，PM瞬時(shí)排放濃度迅速上升；隨著主機(jī)運(yùn)行至700 min時(shí)，PM瞬時(shí)排放濃度迅速下降至0.11 mg/m3；此后PM瞬時(shí)排放濃度穩(wěn)定，當(dāng)主機(jī)運(yùn)行至第14 min時(shí)，PM瞬時(shí)排放濃度迅速上升后下降，這可能與改變主機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。LNG動(dòng)力船舶(拖船)主機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中，PM瞬時(shí)排放濃度范圍在0.102～0.226 mg/m3，見圖5。與船舶柴油機(jī)排放的PM相比，LNG動(dòng)力船舶排放量對(duì)港口大氣PM的貢獻(xiàn)率占比小于1%。[16]

圖5 PM瞬時(shí)排放特征圖

2.6 LNG動(dòng)力船舶排放因數(shù)

排放因數(shù)采用“自上而下”的方式，計(jì)算出在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的中位值，其代表船舶主機(jī)整個(gè)運(yùn)行期間的排放水平。LNG動(dòng)力船舶主機(jī)為中速發(fā)動(dòng)機(jī)，其排放因數(shù)見表2。船舶主機(jī)在整個(gè)啟動(dòng)運(yùn)行過程中，各污染物排放因數(shù)均較低，其中PM的排放幾乎為零。

表2 排放因數(shù) g/kg

目前，國內(nèi)LNG動(dòng)力船舶污染物排放因數(shù)數(shù)據(jù)仍是空白，此次船舶測試數(shù)據(jù)可為后續(xù)研究提供參考。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)LNG動(dòng)力船舶大氣污染物排放進(jìn)行在線監(jiān)測，并結(jié)合主機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，采用“碳平衡法”計(jì)算了船舶各污染物排放因數(shù)，得到以下結(jié)論：

1)基于LNG動(dòng)力船舶尾氣在線監(jiān)測，獲得LNG動(dòng)力船舶大氣污染物排放規(guī)律特征。當(dāng)船舶主機(jī)啟動(dòng)時(shí)，船舶尾氣污染物排放濃度波動(dòng)較大。隨著船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，各種大氣污染物瞬時(shí)排放濃度趨于平緩，說明在穩(wěn)定的船舶工況條件下，主機(jī)燃燒燃料比較充分且穩(wěn)定。

2) 以液化天然氣為燃料的船舶，尾氣排放值均較低，其中NO、NO2、TVOC和PM的排放量幾乎沒有，計(jì)算所得其排放因數(shù)分別為1.503 g/kg、0.413 g/kg、0.072 g/kg和0.001 g/kg。由此可知：LNG動(dòng)力船舶各污染物排放因數(shù)均較低，表明該燃料是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮那鍧嵢剂稀?/p>