薛 召

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,杭州 311112)

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內(nèi)河船舶柴油機尾氣排放監(jiān)測方法研究

薛 召

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,杭州 311112)

針對內(nèi)河船舶柴油機尾氣排放問題，通過分析內(nèi)河船舶柴油機尾氣產(chǎn)生污染物的主要原因，結(jié)合國內(nèi)外船舶柴油機尾氣排放監(jiān)測經(jīng)驗，對過濾法、光透法和林格曼煙氣黑度圖法進行對比研究，推薦適合內(nèi)河船舶柴油機尾氣排放的監(jiān)測方法。

船舶柴油機；尾氣排放；污染物；監(jiān)測方法

0 引 言

港口和航運業(yè)的持續(xù)發(fā)展推動了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，但也給空氣帶來了新的污染源，特別是船舶柴油機的顆粒排放對港口、沿海地區(qū)的大氣環(huán)境和公共健康帶來不良的影響。雖然從國家層面的《中華人民共和國大氣污染防治法》和各省市的大氣污染防治條例都明確規(guī)定控制和監(jiān)管船舶碳煙或顆粒物的排放，但是由于顆粒物排放特性非常復(fù)雜，且缺乏對柴油機現(xiàn)場檢測技術(shù)手段，造成船舶柴油機尾氣排放長期處于監(jiān)管缺失的狀態(tài)。

1 內(nèi)河船舶運輸能量消耗量和污染排放現(xiàn)狀

我國于2015年8月頒布《船舶與港口污染防治專項行動實施方案》，確定自2016年1月開始設(shè)立船舶排放控制區(qū)，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和顆粒物排放，改善我國沿海和沿河區(qū)域的空氣質(zhì)量。上海、浙江也于2016年4月1日開始實施船舶限排，主要是監(jiān)控燃油的含硫量。盡管內(nèi)河船舶尾氣排放總量占城市廢氣排放總量比例較小，內(nèi)河船舶污染的控制和清潔能源的使用已經(jīng)逐步提上議事日程，但缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國并沒有采取有效的措施檢測運營中內(nèi)河船舶柴油機尾氣排放情況。僅在船舶投入運營時，按照柴油機生產(chǎn)企業(yè)出廠時對柴油機做的臺架試驗數(shù)據(jù)作為參考，尚未利用有效手段和技術(shù)條件對營運內(nèi)河船舶柴油機的尾氣排放進行檢測和控制。

2 內(nèi)河船舶柴油機尾氣產(chǎn)生污染物的主要原因

船舶發(fā)動機其排氣污染物的組成主要包括氣態(tài)污染物和顆粒物。氣態(tài)污染物指一氧化碳、碳?xì)浠衔?、硫氧化?SOx)和氮氧化物(NOx)。顆粒物指在溫度不超過325K(52℃)的稀釋排氣中，由規(guī)定的過濾介質(zhì)收集到的排氣中所有物質(zhì)。排煙系由燃燒或熱解而成的、懸浮在排氣中的可見固體和液體顆粒。

2.1 燃 油

船舶使用的燃油是船舶排放污染的主要原因之一，而且對于船舶動力裝置而言，比較容易引起顆粒物排放，增大排氣中PM2.5的含量。船用燃料一般分兩種，一種是餾分型船用燃料，包括多用于高速柴油機的輕柴油(MGO)和多用于中速柴油機的重柴油(MDO)，具體型號有相當(dāng)于-10#輕柴油的DMX、相當(dāng)于0#輕柴油的DMA、相當(dāng)于5#輕柴油的DMB、相當(dāng)于10#重柴油或20#重柴油的DMC等幾種，GB/T17411-2012規(guī)定除DMX硫含量不大于1%外，其余幾種硫含量不大于1.5%；另一種是多用于低速柴油機殘渣型船用燃料，包括RME180、RMG380等，GB/T17411-2012規(guī)定硫含量不大于3.5%。

不管何種船用燃料，其硫含量都遠大于車用柴油標(biāo)準(zhǔn)(GB252-2015)規(guī)定的不大于0.035%的標(biāo)準(zhǔn)(2017年6月30日以前)，這也是船舶排放污染較為嚴(yán)重的原因之一。

2.2 柴油機工況不良

相對海船船員而言，內(nèi)河船員專業(yè)技術(shù)水平相對低下，對柴油機的日常維護很難保持較高水準(zhǔn)，且因日常維護的資金投入限制，不能像海船一樣定期到船廠由專業(yè)人員維修。一方面由于保養(yǎng)不到位導(dǎo)致柴油機帶病工作，使柴油機的工作狀況不能維持在較好的水平；另一方面由于資金投入不足導(dǎo)致柴油機零件老化和部分零部件超齡服役。這些原因均會造成柴油機工況惡化，導(dǎo)致尾氣排放超標(biāo)。

2.3 柴油機運行負(fù)荷過重

航行于內(nèi)河的船舶因航區(qū)受風(fēng)浪因素影響較微，船舶干舷較小。船舶運輸過程中常出現(xiàn)超載現(xiàn)象，進而導(dǎo)致船舶柴油機負(fù)荷過載現(xiàn)象。黑煙常在柴油機高負(fù)荷下形成，由于噴入缸內(nèi)的燃油較多，混合氣形成不均勻，局部出現(xiàn)空氣不足的過濃混合區(qū)，燃油在高溫缺氧的條件下，易于裂解、聚合生成碳粒，呈黑色煙霧排出缸外。

3 船舶柴油機尾氣常用監(jiān)測方法

船舶排煙和顆粒物排放一般是通過發(fā)動機出廠前的法規(guī)限值進行限制，對于運行幾年以后的船舶柴油機沒有常規(guī)檢測。由于對超過一定年限的柴油機沒有定期檢測的限制，也導(dǎo)致了船舶柴油機超標(biāo)排放的存在。隨著發(fā)動機的使用時間加長和維護保養(yǎng)不當(dāng)會引起運行狀況的惡化，從而可能導(dǎo)致柴油機尾氣排放超標(biāo)。就目前而言，柴油機尾氣監(jiān)測常用的方法有濾紙煙度法、不透光煙度法和林格曼比色法。

3.1 濾紙煙度法

以一定量的排氣樣氣通過濾紙，以濾紙留下的碳粒重量或以濾紙表面的光反射率來比較測量。測量儀器叫濾紙式煙度計，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。一般用抽氣泵在一定時間內(nèi)從排氣管中抽取一定量的廢氣，使它通過一張一定面積的純白濾紙，廢氣中的碳煙微粒便過濾在濾紙上，使濾紙染黑。然后用光電檢測裝置測出濾紙的染黑度，該染黑度即代表柴油車的排氣煙度。圖1所示為測量原理圖，圖中的濾紙圓形區(qū)域內(nèi)即為過濾的碳粒。

圖1 濾紙煙度計測量原理

這種測量方法要求應(yīng)在柴油機工況穩(wěn)定后進行，柴油中不應(yīng)為測量煙度而特意添加消煙劑。對每一測量點應(yīng)連續(xù)測量煙度3次，相鄰兩次測量的時間間隔不應(yīng)超過1min。以3次測最值的算術(shù)平均值作為煙度測量結(jié)果。若3次測量值相差超過0.93FSN(排氣濾紙煙度)時，則應(yīng)進行重測。濾紙煙度FSN和碳煙濃度C(mg/m3)之間的關(guān)系：

3.2 不透光煙度法

利用排氣流粒子吸光特性來測量，即在排氣尾管出口一定距離的直徑方向的光的透過度來測量。不僅可測黑煙，而且也可測藍煙和白煙，對低濃度的可見污染物有較高的分辨率，可以進行連續(xù)測量，也可以用來研究柴油機的瞬態(tài)碳煙和其它可見污染物的排放特性。其主要測量原理如下：將一束光穿過密度和溫度一致的氣體時，由于光被吸收和散射，使其強度衰減。吸收就是光轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，散射就是由于反射、折射而引發(fā)的光發(fā)散，吸收系數(shù)就是反映光吸收和散射的情況。圖2所示為不透光煙度計測量原理圖。

圖2 不透光煙度計測量原理

排氣濾紙煙度(FSN)和不透光煙度N之間的關(guān)系如下：

N=0.12FSN3+0.62FSN2+3.96FSN

3.3 林格曼比色法

評價固定燃燒源排氣黑度的一種數(shù)值，用肉眼觀測的排氣黑度與林格曼煙氣黑度圖對比得到。標(biāo)準(zhǔn)的林格曼煙氣黑度圖由14cm×21cm的不同黑度的圖片組成，除全白與全黑分別代表林格曼黑度0級和5級外，其余4個級別是根據(jù)黑色條格占整塊面積的百分?jǐn)?shù)來確定的(如圖3所示)，全白為0級，全黑為5級。黑色條格的面積占20%為1級，占40%為2級，占60%為3級，占80%為4級，其對應(yīng)于不透光煙度值分別為20%、40%、60%和80%。把林格曼煙氣黑度圖放在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，將煙氣的黑度與圖上的黑度相比較，由具有資質(zhì)的觀察者用目視觀察來測定固定污染源排放煙氣的黑度。

圖3 林格曼黑度圖(比例縮小圖，非標(biāo)準(zhǔn)尺寸)

按林格曼黑度級別將觀測值分級，分別統(tǒng)計每一黑度級別出現(xiàn)的累計次數(shù)和時間。由于煙氣林格曼黑度監(jiān)測不是一個簡單的結(jié)果，船舶排煙檢測用林格曼黑度圖方法應(yīng)是監(jiān)測時段內(nèi)的平均等效黑度級，表達式如下：

式中: L 表示一定時段內(nèi)的平均等效林格曼黑度(級)；Ai為時段 Ti內(nèi)的煙氣林格曼黑度(級)；Ti為某一監(jiān)測時段(min)。

4 內(nèi)河船舶柴油機尾氣排放的監(jiān)測方法推薦

不同國家和地區(qū)在監(jiān)控船舶排煙污染物方面，各有相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如美國加利福尼亞認(rèn)為連續(xù)3min以上(含3min)排放的氣體與林格曼黑度二級的顏色一樣深或更深，確定為尾氣排放超標(biāo)；阿拉斯加則認(rèn)為穿過船舶排煙的大氣能見度不能大于20%為合格；得克薩斯州則認(rèn)為船舶排氣的不透光度不能連續(xù)5min超過30%為合格。我國香港對進港船舶柴油機尾氣排放的監(jiān)控則按船舶連續(xù)3min及以上排放的氣體與林格曼黑度二級的顏色一樣深或更深，認(rèn)為船舶尾氣排放不合格。

4.1 固定位置的排放監(jiān)測方法

對于安裝的航道上方橋梁或固定物上的監(jiān)測裝置，或安裝于航道兩岸陸地或固定物上的監(jiān)測裝置，可采用不透光煙度法來對通過監(jiān)控區(qū)域的內(nèi)河船舶柴油機尾氣的排放進行監(jiān)測。

不透光煙度法的優(yōu)點主要是不僅能測柴油機尾氣排放中的黑煙排放，還能測量柴油機尾氣排放中的藍煙和白煙等其它煙色，而且由于屬瞬態(tài)測量，測量結(jié)果取測量工況中的最大排煙對光的吸收值，可以消除最大排煙與采樣不同步的影響，測量結(jié)果能較科學(xué)和較客觀地反映柴油機尾氣的實際排放狀況。缺點為設(shè)備成本較高，價格通常是濾紙煙度計的幾倍。

4.2 非固定位置的排放監(jiān)測方法

對于內(nèi)河船舶柴油機排放的臨時監(jiān)測，如登船的臨檢或不便于安裝固定監(jiān)測裝置的航道，可采取林格曼比色法或?qū)崟r濾紙煙度法來進行監(jiān)測。

林格曼比色法則可以直觀的用肉眼觀察，并且已經(jīng)在固定燃燒源上普遍應(yīng)用，可操作性強。國內(nèi)外已有的船舶排煙污染的防治標(biāo)準(zhǔn)基本都采用比色法，所以采用此方法是可行的。雖然測量得到的結(jié)果具有量值范圍，但仍屬于定性測量。通過林格曼煙氣黑度圖的使用和觀測所獲得的數(shù)據(jù)，實質(zhì)上是以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的，因而具有一定的局限性。煙氣黑度的表觀，取決于排氣中顆粒物的濃度、顆粒物的粒徑、顆粒物的顏色、被觀察煙羽的厚度、以及自然光相對于觀察者的方向等許多因素。濾紙煙度法可用來測量柴油機尾氣中的黑煙濃度，不能用來監(jiān)測其他顏色的排煙。且其監(jiān)測限值也不能直接采用國家標(biāo)準(zhǔn)的濾紙煙度限值，因為監(jiān)測過程中涉及的柴油機工況并非國標(biāo)規(guī)定的測試工況，存在較大的差異性。

5 結(jié) 語

內(nèi)河船舶柴油機排放監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展對于降低船舶尾氣排放有著重要意義，目前國內(nèi)燃油標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相應(yīng)提高，但更需要通過使用低硫油，加裝催化還原裝置、顆粒物過濾器等后處理裝置等排放控制裝置、采用液化天然氣等清潔能源等措施從源頭上進行管理，以減少船舶尾氣超標(biāo)排放帶來的污染。

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Study on the Emission Monitoring Method for Inland Diesel Ships

XUE Zhao

(Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112,China)

Focus on ship emission influencing factors, the main causes which result in ship contaminant of ship engine inland are analyzed, ship emission monitoring methods at home and abroad such as filtration method, light penetration method and Ringelmann blackness chart are compared, the most adaptive method for inland ships is chose consequently.

ship diesel engine; emission; contaminant; monitoring methods

2016-06-17

薛 召(1978-),男,安徽阜陽人,講師,碩士,E-mail:xuezhaot@zjvtit.edu.cn。

U664.121

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.010

1671-234X(2016)03-0046-04

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016