嚴 青，張云嵩，汪 璇，欒 揚

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

海運是全球化貿(mào)易和制造業(yè)供應(yīng)鏈的支柱，世界商品貿(mào)易量的五分之四以上通過海上運輸[1]。大量船舶投入海上運輸，不僅帶來巨大的能源消耗，而且造成空氣污染和溫室氣體排放量不斷增長，導(dǎo)致全球氣候變暖和各類空氣污染問題[2]。例如二氧化硫、氮氧化物、顆粒物(PM)、黑碳、一氧化碳、揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)、二氧化碳、氨和在體積分數(shù)較高的煙氣中經(jīng)快速反應(yīng)過程形成的二次細顆粒物(PM2.5)，均屬于船舶排放的物質(zhì)。船舶黑碳排放是航運業(yè)對氣候影響的第二重要來源[3]。從全球來看，船舶黑碳造成氣候變暖的潛能約占航運業(yè)整體排放的20%[4]。北極理事會黑碳和甲烷專家組指出，國際航運業(yè)黑碳排放量目前約占北極黑碳排放量的5%。船舶黑碳減排已成為一種急迫的全球戰(zhàn)略，不僅可減緩氣候變化，而且可提高地區(qū)的空氣質(zhì)量[5]。目前，船舶黑碳排放監(jiān)測和區(qū)域船舶黑碳排放量計算仍存在較多不足。深入展開進一步研究，對于認識治理船舶黑碳排放的緊迫性、有針對性地提出船舶黑碳減排的具體舉措、響應(yīng)國際海事組織(IMO)船舶黑碳減排的號召、為IMO溫室氣體減排計劃采取實際行動具有重要意義。

1 黑碳概述

1.1 黑碳的定義

1978年，黑碳在城市污染中被分離出來。黑碳是由化石燃料、生物燃料和生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的碳基氣溶膠，是PM2.5的一種組分。IMO對黑碳的定義[6]如下：黑碳是一種強吸光碳質(zhì)材料，通過碳基燃料的不完全燃燒產(chǎn)生固體顆粒物質(zhì)。黑碳含有80%以上的質(zhì)量碳，其中較大部分為sp2鍵合碳，在排放時形成空氣動力學(xué)20～50 nm直徑的小碳球體的聚合體。黑碳吸收所有可見波長的太陽輻射，新排放的黑碳在550 nm中可見波長下具有5 m2/g的質(zhì)量吸收率。這種光吸收的強度隨顆粒的組成、形狀、尺寸分布和混合狀態(tài)而變化。

1.2 黑碳的影響

黑碳為深色，吸收大部分入射太陽輻射并直接使大氣變暖。由于黑碳是一種留存時間較短的污染物，在大氣中僅停留數(shù)天或數(shù)周，因此減少黑碳排放具有直接的氣候和健康益處。

(1)對氣候的影響

由于黑碳在吸收光線和加熱周圍環(huán)境方面較為高效，因此黑碳是導(dǎo)致氣候變暖的重要因素。對于每單位質(zhì)量，黑碳對氣候變暖的影響為二氧化碳的460～1 500倍。在懸浮于大氣中時，黑碳通過將入射的太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱量促進變暖，并影響云的形成、區(qū)域環(huán)流和降雨模式。在沉積于冰雪上時，黑碳和共同排放的顆粒會降低表面反照率(反射陽光的能力)并加熱表面。這是北極和喜馬拉雅山脈等冰川地區(qū)容易融化的原因。

(2)對健康的影響

黑碳及其共同污染物是PM2.5空氣污染的關(guān)鍵組分，是導(dǎo)致健康狀況不佳和過早死亡的主要環(huán)境原因。這些顆粒的直徑為2.5 μm或更小，可滲透至肺部的最深處，并促進有毒化合物進入血液。PM2.5對健康造成許多影響，不僅導(dǎo)致患有中風(fēng)、心臟病、慢性呼吸道疾病(如支氣管炎)和哮喘等癥狀的成年人病情加重或過早死亡，而且導(dǎo)致患有肺炎等急性下呼吸道感染的兒童過早死亡。據(jù)估算，家庭和環(huán)境(室外)的PM2.5空氣污染每年導(dǎo)致700萬人過早死亡。

(3)對植被和生態(tài)系統(tǒng)的影響

黑碳可通過多種方式影響生態(tài)系統(tǒng)：沉積于植物葉子上并提高其溫度；使到達地球的陽光變暗；改變降雨模式。不斷變化的降雨模式會對生態(tài)系統(tǒng)和人類生計產(chǎn)生深遠的影響，例如擾亂對亞洲和非洲大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)至關(guān)重要的季風(fēng)。

1.3 船舶黑碳排放

航運業(yè)是較重要的人為排放來源。全球海運貿(mào)易的持續(xù)增長導(dǎo)致航運總溫室氣體排放量已由2012年的9.77億t增至2018年的10.76億t[7]。船舶的單位貨物排放量雖相對較低，但總體而言在排放量中占比較大。包括國際、國內(nèi)和漁業(yè)活動在內(nèi)的船舶黑碳總排放量由2012年的8.9萬t增至2018年的10.0萬t，增長12.4%，而同期二氧化碳排放量增長9.4%。與世界其他地區(qū)相比，北極船舶黑碳的排放量增長10倍，2015—2019年增長85%，而全球僅增長8%。極地冰的縮小使北極航運量預(yù)計繼續(xù)增長，北極黑碳排放量將持續(xù)增長。據(jù)研究[8]，在北極(60°～90° N)排放的黑碳使北極表面溫度升高的幅度幾乎是中緯度(28°～60° N)的5倍。

2 IMO與船舶黑碳

IMO從關(guān)注船舶黑碳到現(xiàn)今采取多種船舶黑碳減排行動，整個進程已近14 a。IMO較早關(guān)注黑碳問題是在2008年10月海上環(huán)境保護委員會(MEPC)第58次會議上，會議討論相關(guān)文件，對來自航運業(yè)對氣候變化產(chǎn)生重大影響排放物的各種減排方法進行總結(jié)和分析，其中包含黑碳排放產(chǎn)生影響的信息[9]。2011年，IMO開始考慮如何減少航運對北極的影響。IMO的船舶黑碳工作計劃包括3個初步步驟：確定黑碳的定義；確定測量船舶黑碳的適當方法；確定適當?shù)姆椒刂拼昂谔寂欧拧?/p>

2015年，IMO明確黑碳的定義；2018年，IMO就測量黑碳的適當方法達成一致；2019年，IMO同意多達41種適當方法控制船舶黑碳，包括使用更清潔的燃燒燃料和在柴油顆粒過濾器中捕獲黑碳；在2019年后，IMO致力于鼓勵成員國探尋和確定潛在的控制措施，以鼓勵成員國解決黑碳排放對北極的威脅。自2010年第一份關(guān)于船舶黑碳的提案至今，IMO已采納127篇有關(guān)船舶黑碳的提案，其中25篇專門關(guān)注北極黑碳情況。2008—2021年IMO關(guān)于黑碳內(nèi)容的相關(guān)會議如表1所示，其中：BLG為散裝液體和氣體分委會，后調(diào)整至PPR(污染及應(yīng)對分委會)；DE為船舶設(shè)計與設(shè)備分委會。2010—2021年IMO關(guān)于北極黑碳主題的提案如表2所示，其中：INF(information)為信息提案，僅提供信息。

表1 2008—2021年IMO關(guān)于黑碳內(nèi)容的相關(guān)會議

表2 2010—2021年IMO關(guān)于北極黑碳主題的提案

3 船舶黑碳排放量計算方法

計算船舶黑碳排放量應(yīng)確認黑碳排放系數(shù)，分為主機黑碳排放系數(shù)、輔機黑碳排放系數(shù)和鍋爐黑碳排放系數(shù)，其中：主機黑碳排放系數(shù)較為重要，占比較大。由于在運輸方式中航運業(yè)是對排放物監(jiān)管較少的行業(yè)之一，因此目前使用的所有發(fā)動機和燃料類型的黑碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)普遍缺乏。船舶黑碳排放系數(shù)可根據(jù)不同因素變化，包括發(fā)動機負載、使用年限、額定功率、燃料類型和維修間隔時間等。

3.1 船舶黑碳排放測量方法

不同來源的黑碳具有其特定的測量方法，但沒有哪種方法可較好適用于測量所有來源的黑碳[10-13]。IMO推薦使用如下3種方法：

(1)光聲光譜法(Photoacoustic Spectroscopy，PAS)。該方法的測量結(jié)果較為精確。采用一定波長的激光照射被測船舶排氣，船舶排氣中的物質(zhì)吸收光能，電子吸收能量變得興奮，并以熱量的方式釋放，形成聲波，通過傳感器可測量聲波，形成材料光譜[14]。

(2)濾紙式煙度值法(Filter Smoke Number，F(xiàn)SN)。該方法通過測試濾紙的吸光率推算吸附的黑碳體積分數(shù)[15]，被廣泛用于柴油機排氣測量。一般是在一定的時間內(nèi)采用抽氣泵通過特定的濾紙從被測排氣中抽取一定量的氣體，排氣中的顆粒物會在濾紙上沉積并使濾紙變黑，再用儀器測量濾紙的吸光率[14]。但該方法的測量精度取決于經(jīng)驗數(shù)據(jù)的擬合程度[16]。濾紙式煙度值法易于操作，目前已被廣泛使用[17]。

(3)激光誘導(dǎo)熾光法(Laser Induced Incandescence，LII)。該方法使用持續(xù)時間通常不超過20 ns的高能(約100 MJ)脈沖激光源快速加熱被測船舶排氣[14]，其產(chǎn)生黑體輻射的強度與船舶排氣粒子體積分數(shù)成正比。

此外，可利用光學(xué)原理，使用含顆粒吸光濾片的光度計，如顆粒煙灰吸收光度計(Particle Soot Absorption Photometer，PSAP)和多角度吸收光度計(Multiangle Absorption Photometer，MAAP)，對船舶排氣進行光衰減程度測試[15]，并通過光吸收系數(shù)和波長質(zhì)量吸收系數(shù)比值量化黑碳。由于其他含碳物質(zhì)對結(jié)果產(chǎn)生影響，因此該方法并不精確[18]。同樣，熱分解測定法由于具有其他含碳物質(zhì)的影響，因此結(jié)果并不準確[18]。熱光學(xué)分析法(Thermal Optical Analysis，TOA)將上述2種方法結(jié)合起來，可較準確測量黑碳粒子體積分數(shù)，但測量設(shè)備價格較高[18]。

3.2 船舶黑碳排放量的計算方法

船舶黑碳排放量作為主機類型、燃料類型和主機負載的函數(shù)估計，其公式[4]如下：

(1)

式中：i為船舶類型；t為工作時間，h；k為主機類型；m為燃料類型；n為主機負載系數(shù)；p為船舶狀態(tài)(航行、操縱、錨泊、停泊)；BCi為船舶i的黑碳排放量，g；FCMEi,t為船舶i在工作時間t的主機燃料消耗量，kg；EFMEk,m,n,t為主機黑碳排放系數(shù)，g/kg，為工作時間t、主機類型k、燃料類型m和主機負載系數(shù)n的函數(shù)；DAEp,i,t為船舶i在工作時間t、船舶狀態(tài)p的輔機功率，kW；EFAEk,m為主機類型k與燃料類型m的輔機黑碳排放系數(shù)，g/(kW·h)；DBOp,i,t為船舶i在工作時間t、船舶狀態(tài)p的鍋爐功率，kW；EFBOm為燃料類型m的鍋爐黑碳排放系數(shù)，g/(kW·h)。

根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)可得出單位時間船舶黑碳排放量，根據(jù)船舶狀態(tài)和時間得出船舶黑碳排放量，并以船舶為單位歸總至該類型船舶。

目前國際上對于船舶黑碳排放量的估算方法一般分為2類[19]：自上而下法，即通過船舶燃料消耗量乘以對應(yīng)的排放系數(shù)；自下而上法，即根據(jù)船舶不同的主機負載情況在單位時間內(nèi)對船舶黑碳排放量進行計算。式(1)采用后者。后續(xù)以船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不同類型船舶和不同航行狀態(tài)進行辨識，利用回歸模擬計算方法建立區(qū)域船舶黑碳測算方法[20]。

4 結(jié) 語

綜述船舶黑碳排放測算方法，列舉IMO自2008年以來關(guān)于黑碳內(nèi)容的相關(guān)會議和關(guān)于北極黑碳主題的提案。從環(huán)境保護(尤其是北極)的角度來看，黑碳排放非常值得關(guān)注。但目前各研究成果的黑碳排放系數(shù)可能與實際相差10倍以上，導(dǎo)致在估算船舶黑碳排放在全球黑碳排放的占比時存在不確定性。如何改進船舶黑碳排放系數(shù)和較為精準計算船舶黑碳排放量仍是值得深入研究并具有實際意義的問題。