唐遠(yuǎn)贄,樓狄明,張?jiān)嗜A,孫賢超,譚丕強(qiáng),胡志遠(yuǎn)

基于工況變化的港作拖輪排放特性

唐遠(yuǎn)贄,樓狄明,張?jiān)嗜A*,孫賢超,譚丕強(qiáng),胡志遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海 201804)

利用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)對(duì)一艘港作拖輪船進(jìn)行了在變工況航行作業(yè)下的排放試驗(yàn),研究了該船舶CO、碳?xì)浠衔?THC)和NO的瞬態(tài)特性、顆粒物粒徑分布特性、主機(jī)在不同工況下的排放因子.結(jié)果表明:拖輪主機(jī)在日常航行工況和不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下,顆粒物排放粒徑呈單峰或雙峰分布,第一峰值粒徑在30～40nm之間,第二峰值粒徑為191.1nm;CO和THC在進(jìn)港返航工況下基于油耗排放因子顯著高于其他工況,NO、顆粒物(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)在離港返航時(shí)排放因子高于其他工況;各排放污染物在正頂作業(yè)時(shí)基于距離的排放因子高于其他工況; CO和THC基于功率的排放因子在正頂作業(yè)工況下最高,最高值分別為4.10和1.20g/(kW·h),NO、PM、PN排放因子在倒拖作業(yè)工況下最高,最高值分別為10.28g/(kW·h), 0.28g/(kW·h)和13.97×1014個(gè)/(kW×h).

船舶柴油機(jī)；不同工況；便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)；顆粒物；排放因子

我國(guó)航運(yùn)業(yè)發(fā)達(dá),內(nèi)河和沿海船舶的活動(dòng)所產(chǎn)生的氣態(tài)污染物已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)大氣污染造成了重要影響[1].已有研究表明,我國(guó)船舶排放污染已不可輕視[2].與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)港口眾多,分布較廣,且船舶普遍具有明顯缺陷,低端和老舊柴油機(jī)保有量大、平均船齡較老等現(xiàn)象普遍存在[3-4],且污染物排放特性會(huì)由于船舶類(lèi)型、燃料品質(zhì)和運(yùn)行工況的不同而有巨大的區(qū)別.因此,數(shù)量龐大且工況變化頻繁的港口拖輪對(duì)我國(guó)船舶的污染物防治提出了巨大的挑戰(zhàn).

在船舶柴油機(jī)的尾氣排放中,氮氧化物(NO)、硫氧化物(SO)、顆粒物(PM)是主要污染物[4],以上各類(lèi)污染物在大氣中會(huì)對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[3,5].氮氧化物NO會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境,或在空氣中形成光化學(xué)煙霧.此外,船舶尾氣排放中的顆粒物還含有柴油不完全燃燒生成的多環(huán)芳烴(PHA)以及硫酸鹽等重金屬離子,被人體吸入會(huì)造成哮喘、支氣管炎的等疾病,甚至引發(fā)癌癥[4,6].

為了解在用船舶的排放特征,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)實(shí)船排放進(jìn)行了大量的測(cè)試研究[7-13].國(guó)外關(guān)于船舶柴油機(jī)排放的研究開(kāi)始較早,但由于國(guó)際上沒(méi)有完善的實(shí)船測(cè)試法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),研究重點(diǎn)還是集中在港口空氣質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)或者實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)階段,其燃油消耗率的計(jì)算一般通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,使得排放因子與實(shí)際航行情況存在一定偏差.國(guó)內(nèi)也有基于不同測(cè)試循環(huán)的船舶柴油機(jī)排放臺(tái)架試驗(yàn)研究,但真正進(jìn)行船舶柴油機(jī)排放實(shí)船測(cè)試的研究還較少.目前常用的實(shí)船測(cè)試方法有遙感測(cè)試和接觸式測(cè)試.基于便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)的測(cè)試方法是一種常見(jiàn)的接觸式實(shí)船測(cè)試.相對(duì)于遙感測(cè)試而言,接觸式測(cè)試具有測(cè)量精度高,穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),尤其在同一船舶的不同運(yùn)行工況下能夠連續(xù)采集其瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

本文基于PEMS排放測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一艘沿海城市的港作拖輪船進(jìn)行了實(shí)船排放測(cè)試.將港作拖船的實(shí)際航行作業(yè)分成多個(gè)工作工況,連續(xù)采集了該船舶在各種不同的實(shí)際航行工況下柴油機(jī)的排放數(shù)據(jù),并通過(guò)不同排放因子的測(cè)算方法,詳細(xì)分析了不同污染物在不同測(cè)算方法下各個(gè)工況的排放特性.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)船舶

試驗(yàn)船舶為近海某港口的港作拖輪船,用于協(xié)助大型船舶進(jìn)出港口,船舶總長(zhǎng)35.20m,最大垂線(xiàn)間長(zhǎng)30.50m,型深4.40m,最大吃水3.313m,正頂推力超過(guò)53.5t,倒拖拖力47t以上.

表1 試驗(yàn)船舶及主機(jī)信息參數(shù)

該試驗(yàn)船舶配有2個(gè)四沖程柴油主機(jī),主要參數(shù)如表1所示,試驗(yàn)過(guò)程中只有1臺(tái)主機(jī)工作.試驗(yàn)燃油為深圳市售船用0號(hào)普通柴油,含硫量小于0.035%(/).

1.2 試驗(yàn)路線(xiàn)及行駛工況

試驗(yàn)路線(xiàn)為該拖輪船日常作業(yè)航行路線(xiàn),如圖1所示.試驗(yàn)拖輪船工作任務(wù)為協(xié)助大型集裝箱船舶進(jìn)出港口,主要包括正頂作業(yè)(拖輪泊位－集裝箱泊位１－碼頭－拖輪泊位)以及倒拖作業(yè)(拖輪泊位－碼頭－集裝箱泊位2－拖輪泊位)2條作業(yè)路線(xiàn).試驗(yàn)時(shí)天氣晴朗,風(fēng)速1級(jí),海水波動(dòng)干擾較小.

圖1 試驗(yàn)路線(xiàn)

正頂作業(yè)是當(dāng)外來(lái)集裝箱貨船要駛?cè)氪a頭卸貨時(shí),試驗(yàn)拖輪從拖輪泊位駛向目標(biāo)集裝箱貨船,通過(guò)正頂將其頂推進(jìn)入碼頭靠岸,然后駛回拖輪泊位.待集裝箱貨船卸貨完成后,試驗(yàn)拖輪便從拖輪泊位出發(fā)駛向集裝箱貨船,通過(guò)倒拖作業(yè)將卸貨后集裝箱貨船拖入集裝箱貨船泊位,完成倒拖作業(yè)后又駛回拖輪泊位.工況劃分:1—啟動(dòng)離港,2—正頂作業(yè),3—離港返航,4—啟動(dòng)進(jìn)港,5—倒拖作業(yè),6—進(jìn)港返航.

1.3 試驗(yàn)儀器

船舶排放測(cè)試范圍包含常規(guī)氣態(tài)污染物測(cè)試和顆粒物測(cè)試.本次試驗(yàn)采用的PEMS由氣態(tài)物測(cè)試子系統(tǒng)和顆粒物測(cè)試子系統(tǒng)組成(圖2).氣態(tài)排放物測(cè)試設(shè)備為日本HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-2200氣態(tài)物排放測(cè)試儀,該設(shè)備可以測(cè)量尾氣中一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳?xì)浠衔?THC)、氮氧化物(NO)等常規(guī)氣態(tài)物的濃度以及排氣溫度、壓力,環(huán)境溫度、壓力等參數(shù);顆粒物排放測(cè)試子設(shè)備為美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的EEPS3090顆粒粒徑譜儀,該設(shè)備還有32個(gè)測(cè)量通道,可以測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)直徑為5.6～560.0nm間的顆粒物.顆粒物測(cè)試采用部分流稀釋采樣的方法,經(jīng)DI-2000射流稀釋器對(duì)尾氣進(jìn)行兩級(jí)稀釋后采樣,稀釋比分別為8.21和8.23,總稀釋比67.57.

試驗(yàn)船舶航行速度由G35LGPS記錄儀記錄,數(shù)據(jù)采樣記錄頻率為1Hz.測(cè)試時(shí),衛(wèi)星信號(hào)接收器固定在船艙外,通過(guò)USB接口將實(shí)時(shí)航速記錄存儲(chǔ)PC端.其他如主機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油消耗等參數(shù)均可以從船上儀表直接讀取.

圖2 PEMS試驗(yàn)設(shè)備布置

2 結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)氣態(tài)物瞬態(tài)排放特征

拖輪船柴油機(jī)排放的常規(guī)氣態(tài)物包括CO、CO2、THC、NO等,本文主要討論發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中對(duì)環(huán)境影響較大的CO、THC和NO,其中CO是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)因局部缺氧時(shí)燃油不充分燃燒產(chǎn)生的,THC由未完全燃燒的燃油或潤(rùn)滑油受高溫影響生成,NO是在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫缺氧條件下生成的有害氣體.

試驗(yàn)拖輪船常規(guī)氣態(tài)物瞬態(tài)排放特征如圖3所示.由于2次作業(yè)間隔較長(zhǎng)時(shí)間,只選取了各部分典型工況數(shù)據(jù).

啟動(dòng)離港工況下主機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大,是因?yàn)榇藭r(shí)附近停泊的拖輪船較多,試驗(yàn)拖輪船在行駛過(guò)程中需要躲避其他船只,造成了船舶操作頻繁,加減速比重大,各氣態(tài)物在此工況下的瞬態(tài)響應(yīng)波動(dòng)也隨之增大,具有較好的跟隨性.正頂作業(yè)2和倒拖作業(yè)5工況下,主機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)恒定,正頂作業(yè)2主機(jī)轉(zhuǎn)速370r/min,倒拖作業(yè)5主機(jī)轉(zhuǎn)速為370和580r/min.倒拖作業(yè)5主機(jī)轉(zhuǎn)速變化的原因是,作業(yè)前期由于靠近碼頭,作業(yè)時(shí)需要規(guī)避其他船只,作業(yè)速度較慢,當(dāng)遠(yuǎn)離碼頭時(shí),作業(yè)速度加快,因此該作業(yè)工況根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又可以分為慢拖和快拖兩部分.離港返航3和啟動(dòng)進(jìn)港4工況行駛路線(xiàn)為拖輪泊位到碼頭往返路程,航線(xiàn)路線(xiàn)相同,路程較短且障礙物較少,主機(jī)轉(zhuǎn)速也相對(duì)恒定.進(jìn)港返航6工況起始路線(xiàn)從集裝箱泊位2到拖輪泊位(圖1).由于進(jìn)港返航6工況路線(xiàn)相對(duì)較長(zhǎng),航行過(guò)程包含加減速變速,因此主機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大.

CO瞬態(tài)排放濃度在不同工況下波動(dòng)較小,在進(jìn)港返航工況6下排放濃度整體較高,峰值濃度為0.0652%,因?yàn)榇藭r(shí)急加減速等工況較多,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大,轉(zhuǎn)速高,燃料燃燒時(shí)間短而造成燃燒不充分.同時(shí),循環(huán)噴油量增加也加重燃燒不充分的情況[14].倒拖作業(yè)5快拖階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也相對(duì)較高,機(jī)內(nèi)燃燒不充分造成局部缺氧,導(dǎo)致CO排放濃度高.正頂作業(yè)2和倒拖作業(yè)5慢拖階段工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定,此時(shí)在中低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行,燃油和空氣混合充分,燃燒較好,因此CO排放濃度低.

THC瞬態(tài)排放在主機(jī)轉(zhuǎn)速突變時(shí)出現(xiàn)排放峰值,因?yàn)榇藭r(shí)燃油噴射量急速變化,噴射過(guò)多的燃油未能及時(shí)燃燒造成THC排放驟增.在正頂作業(yè)2和倒拖作業(yè)5慢拖階段工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)處在中低轉(zhuǎn)速工作區(qū)間,空燃比適中且燃燒充分,此時(shí)THC波動(dòng)較小且穩(wěn)定在較低排放水平.快拖作業(yè)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高負(fù)荷工作狀態(tài),此時(shí)循環(huán)噴油量高且轉(zhuǎn)速快,燃料不能充分燃燒導(dǎo)致THC排放濃度高.啟動(dòng)離港1、離港返航3、啟動(dòng)進(jìn)港4、進(jìn)港返航6工況下,拖輪船的加減速操作頻繁,發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量變化大,主機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大,燃油不能充分燃燒而同時(shí)導(dǎo)致THC排放變化波動(dòng)大.

NO對(duì)是船舶大氣污染物的主要防控對(duì)象.NO生成條件是高溫及富氧環(huán)境,在啟動(dòng)離港1和進(jìn)港返航6工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁加速,工況頻繁切換導(dǎo)致缸內(nèi)油氣混合不均勻而使得機(jī)內(nèi)產(chǎn)生局部高溫富氧區(qū)域,此時(shí)NO排放波動(dòng)大且出現(xiàn)排放峰值[14].正頂作業(yè)2與倒拖作業(yè)5慢拖工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行,油氣混合質(zhì)量良好且燃燒充分,NO排放水平低.倒拖作業(yè)5快拖階段,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),因此NO排放偏高[15].離港返航3和啟動(dòng)進(jìn)港4工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在躍變導(dǎo)致單位時(shí)間循環(huán)噴油量增加,缸內(nèi)溫度分布不均導(dǎo)致局部高溫,使得NO排放也隨之增加.

工況劃分:1—啟動(dòng)離港,2—正頂作業(yè),3—離港返航,4—啟動(dòng)進(jìn)港,5—倒拖作業(yè),6—進(jìn)港返航

2.2 顆粒物粒徑分布分析

本文分析了試驗(yàn)船舶在日常航行工況和不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的顆粒物粒徑分布特性, 包括顆粒物質(zhì)量(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)的粒徑分布特性.發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃油通過(guò)高溫脫氫裂解后析出碳煙胚核,可溶性有機(jī)成分和硫酸鹽會(huì)附著到碳煙胚核上形成核膜態(tài)顆粒物.核膜態(tài)的碳煙胚核通過(guò)相互碰撞凝聚而形成片狀、鏈狀的聚集態(tài)的碳煙顆粒.本文按照動(dòng)力學(xué)直徑對(duì)顆粒物進(jìn)行劃分,粒徑p￡50nm為核膜態(tài)顆粒物,粒徑p>50nm為聚集態(tài)顆粒物[15].

如圖4所示, 啟動(dòng)離港、正頂作業(yè)、離港返航和啟動(dòng)進(jìn)港工況下顆粒物質(zhì)量粒徑呈單峰分布,峰值粒徑191.1nm.倒拖作業(yè)及進(jìn)港返航工況下,顆粒粒徑呈雙峰分布,第一峰值分別為39.2和29.4nm,第二峰值均為191.1nm.正頂作業(yè)、啟動(dòng)進(jìn)港、啟動(dòng)離港、離港返航、倒拖作業(yè)和進(jìn)港返航工況下的第二粒徑峰值濃度依次降低.從圖4可以看出,船舶在日常航行工況下,顆粒物排放中主要是聚集態(tài)顆粒物[16].

圖4 不同航行工況下顆粒物質(zhì)量粒徑對(duì)數(shù)分布

為顆粒物質(zhì)量

從圖5可以看出,與柴油車(chē)的粒徑分布特性相類(lèi)似[16-20],試驗(yàn)船舶在日常航行工況下的顆粒物數(shù)量粒徑對(duì)數(shù)分布呈雙峰分布,第一峰粒徑出現(xiàn)在核膜態(tài)區(qū)域內(nèi),大小為34nm,第二峰值出現(xiàn)在聚集態(tài)區(qū)域內(nèi),粒徑大小為191.1nm.進(jìn)港返航、倒拖作業(yè)、啟動(dòng)離港、啟動(dòng)進(jìn)港、正頂作業(yè)和離港返航工況下第一粒徑峰值濃度依次降低.各日常航行工況下的第二粒徑峰值濃度相差不大.可以看出,顆粒排放數(shù)量粒徑集中區(qū)為小粒徑.

從圖6、7可以看出,不同負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量粒徑對(duì)數(shù)分布呈單峰或者雙峰分布.低負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量粒徑呈單峰分布,15%負(fù)荷和30%負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量峰值粒徑191.1nm,峰值濃度分別4.62×103, 4.33×103mg/cm3,低負(fù)荷顆粒物以聚集態(tài)顆粒物為主.中負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量粒徑呈雙峰分布,發(fā)動(dòng)機(jī)45%負(fù)荷顆粒物質(zhì)量第一、二峰值粒徑分別為29.4和191.1nm,峰值濃度分別為9.29×103和1.29× 103mg/cm3.發(fā)動(dòng)機(jī)60%負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量粒徑第一、二峰值粒徑39.2和191.1nm,峰值濃度分別為5.98×102和1.55×103mg/cm3.

圖5 不同航行工況下顆粒物數(shù)量粒徑對(duì)數(shù)分布

為顆粒物數(shù)量

圖6 不同負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量粒徑對(duì)數(shù)分布

圖7 不同負(fù)荷下顆粒物數(shù)量粒徑對(duì)數(shù)分布

不同負(fù)荷下顆粒物數(shù)量粒徑呈雙峰分布,第二峰值粒徑為191.1nm.15%負(fù)荷下第一峰值29.4nm, 30%和45%負(fù)荷下第一峰值粒徑34nm,60%負(fù)荷第一峰值粒徑19.1nm.

2.3 船舶實(shí)際工況排放因子

圖8是基于船舶油耗的排放因子,按照單位航行距離內(nèi)的排放總量和燃油消耗量計(jì)算得出(式1),能夠反映出單位質(zhì)量燃油的排放水平.

式中:EF為排放因子, g/(kg燃油); ER為排放總量, g; Q為船舶燃油消耗量, kg.

啟動(dòng)離港和進(jìn)港返航工況下CO和THC基于油耗的排放因子最高,此工況下試驗(yàn)船舶航行距離長(zhǎng),包含啟動(dòng)和急加減速工況,燃油燃燒不充分,因此CO和THC排放因子相對(duì)較高.正頂作業(yè)和倒拖作業(yè)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)處于中低負(fù)荷穩(wěn)定工況下,燃燒較好,CO和THC單位油耗排放因子低.NO在各工況下基于油耗的排放因子差別不大.顆粒物PM和PN排放因子離港返航工況下最高,在作業(yè)工況下相對(duì)較低.因此,試驗(yàn)拖輪船基于油耗的排放因子中,CO在進(jìn)港返航時(shí)最高為34.57g/kg燃油,THC在進(jìn)港返航時(shí)排放因子最高5.92g/kg燃油,NO、PM和PN在離港返航時(shí)排放因子最高,最高值分別為42.89g/kg燃油、1.15g/kg燃油和4.94′1015個(gè)/kg燃油.

圖9為試驗(yàn)船舶基于距離的排放因子,能夠反應(yīng)船舶排放污染物與船舶航行速度之間的關(guān)系.計(jì)算方法如式(2):

式中:EF為排放因子, g/km; ER為排放總量,g;表示船舶航行速度, m/s;是航行時(shí)間, s[21].

各排放污染物在正頂作業(yè)和倒拖作業(yè)工況下的單位里程排放因子大大高于其他工況.主要原因是污染物排放率在各工況下差異相對(duì)較小,但是作業(yè)工況下的航行速度很低,航行距離相比之下非常小,導(dǎo)致單位船舶位移下作業(yè)工況的排放因子顯著高于其他工況.試驗(yàn)拖輪船基于距離的排放因子中,CO、THC、NO、PM和PN在正頂作業(yè)時(shí)排放最高,最高分別為222.33g/km、64.07g/km、497.93g/ km、16.93g/km、17.82′1016個(gè)/km.基于距離的排放因子可以作為衡量船舶在單一工況下的航速影響水平.在不考慮油耗的情況下,合理的低速航行能夠降低船舶的排放水平.

圖10是試驗(yàn)船舶基于功率的排放因子,基于主機(jī)功率的排放因子反應(yīng)了船舶主機(jī)在不同工況下船舶主機(jī)功率與各污染物排放濃度之間的關(guān)系,計(jì)算方式如式(3):

式中:EF為排放因子, g/kW·h; ER為排放總量,g; P為船舶主機(jī)功率, kW.

圖10 基于功率的排放因子

表2 中國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物第一階段排放限值[g/(kW×h)]

正頂作業(yè)工況下CO和THC的功率排放因子最高,分別為4.10g/(kW·h)和1.20g/(kW·h).啟動(dòng)離港工況的CO排放因子最低,啟動(dòng)進(jìn)港工況THC排放因子最低.倒拖作業(yè)和正頂作業(yè)下NO排放因子遠(yuǎn)高于其他工況,排放值為10.28g/(kW·h).顆粒物排放因子在倒拖作業(yè)工況下最高,此時(shí)PM排放和PN排放分別為0.28g/(kW·h)和13.97×1014個(gè)/(kW·h).

該試驗(yàn)拖船的主機(jī)屬于單缸排量25～30L類(lèi)型區(qū)間,因此,根據(jù)我國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第一階段)[22]可以得到的各類(lèi)要求排放限值如表2所示.

從圖11中可以看出,NO及THC的總量在倒拖作業(yè)工況時(shí),比船機(jī)排氣污染物第一階段排放限值高出3.9%,其余排放因子均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

圖11 排放污染物與限值比較

3 結(jié)論

3.1 瞬態(tài)排放在啟動(dòng)離港、離港返航、啟動(dòng)進(jìn)港和進(jìn)港返航工況下波動(dòng)大,而在正頂作業(yè)與倒拖作業(yè)工況下瞬態(tài)排放濃度相對(duì)穩(wěn)定.啟動(dòng)離港、正頂作業(yè)、離港返航和啟動(dòng)進(jìn)港工況下顆粒物質(zhì)量粒徑呈單峰分布,峰值粒徑191.1nm.在日常航行工況下的顆粒物數(shù)量粒徑對(duì)數(shù)分布呈雙峰分布,第一峰粒徑出現(xiàn)在核膜態(tài)區(qū)域內(nèi),大小為34nm,第二峰值出現(xiàn)在聚集態(tài)區(qū)域內(nèi),粒徑大小為191.1nm.

3.2 低負(fù)荷下(15%和30%負(fù)荷)顆粒物質(zhì)量粒徑對(duì)數(shù)分布呈單峰分布,峰值粒徑為191.1nm;而不同負(fù)荷下顆粒物數(shù)量粒徑及高負(fù)荷下顆粒物質(zhì)量粒徑對(duì)數(shù)分布呈雙峰分布.

3.3 基于油耗的排放因子中,CO在進(jìn)港返航時(shí)最高為34.57g/kg燃油,THC在進(jìn)港返航時(shí)排放因子最高5.92g/kg燃油,NO、PM和PN在離港返航時(shí)排放因子最高,最高值分別為42.89g/kg燃油、1.15g/kg燃油和4.94×1015個(gè)/kg燃油.基于距離的排放因子中,各類(lèi)排放污染物均在正頂作業(yè)時(shí)排放最高.

3.4 基于功率的排放因子中,CO和THC在正頂作業(yè)工況下最高,最高值分別為4.10和1.20g/(kW·h). NO、PM、PN在倒拖作業(yè)工況下排放最高,排放值分別為10.48, 0.28g/(kW·h)和13.97′1014個(gè)/(kW·h).根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果針對(duì)所有工況下試驗(yàn)的排放結(jié)果分析表明,僅NO氮氧化物及THC碳?xì)浠锏目偭吭诘雇献鳂I(yè)相比船機(jī)排氣污染物第一階段排放限值高出3.9%,其他工況下均低于船機(jī)排氣污染物第一階段排放限值標(biāo)準(zhǔn).

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Emission characteristics of port tugboat based on working conditions.

TANG Yuan-zhi, LOU Di-ming, ZHANG Yun-hua*, SUN Xian-chao, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)., 2021,41(5)：1995～2003

The Portable Emission Measurement System (PEMS) was used to conduct the emission test on a port tugboat under variable sailing operating conditions. Emission characteristics under different operating conditions were studied, including the transient characteristics of CO, THC and NO, distribution characteristics of particle size, and the emission factors of main engine. The results showed that the particle size of the tugboat main-engine presented a single-peak or double-peak distribution under daily sailing conditions and different engine loads. The first peak of particle size was between 30 and 40nm, while the second peak was 191.1nm. Based on fuel consumption, the emission factors of CO and THC were significantly higher under the entry-and-return condition than other operating conditions; the emission factors of NO, PM and PN were higher under departure-and-return condition than other operating conditions. Based on distance, the emission factors of pollutants under topping operation were higher than other operating conditions. Based on power, the emission factors of CO and THC were the highest under topping operation condition (4.10 and 1.20g/(kW·h) respectively); the emission factors of NO, PM, and PN were the highest under the reverse-towing operating condition, with 10.28g/(kW·h), 0.28g/(kW·h) and 13.97×1014units/(kW·h) respectively.

ship diesel engine；variable sailing operating conditions；PEMS；particle；emission factor

X51

A

1000-6923(2021)05-1995-09

唐遠(yuǎn)贄(1993-),男,安徽合肥人,同濟(jì)大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)榇拔廴疚餀z測(cè)與防治.發(fā)表論文2篇.

2020-09-16

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(18DZ1203100)

* 責(zé)任作者, 助理教授, zhangyunhua313@163.com