内河船舶柴油机尾气排放监测方法研究

薛 召

(浙江交通职业技术学院 ,杭州 311112)



内河船舶柴油机尾气排放监测方法研究

薛 召

(浙江交通职业技术学院 ,杭州 311112)

针对内河船舶柴油机尾气排放问题，通过分析内河船舶柴油机尾气产生污染物的主要原因，结合国内外船舶柴油机尾气排放监测经验，对过滤法、光透法和林格曼烟气黑度图法进行对比研究，推荐适合内河船舶柴油机尾气排放的监测方法。

船舶柴油机；尾气排放；污染物；监测方法

0 引 言

港口和航运业的持续发展推动了区域经济发展，但也给空气带来了新的污染源，特别是船舶柴油机的颗粒排放对港口、沿海地区的大气环境和公共健康带来不良的影响。虽然从国家层面的《中华人民共和国大气污染防治法》和各省市的大气污染防治条例都明确规定控制和监管船舶碳烟或颗粒物的排放，但是由于颗粒物排放特性非常复杂，且缺乏对柴油机现场检测技术手段，造成船舶柴油机尾气排放长期处于监管缺失的状态。

1 内河船舶运输能量消耗量和污染排放现状

我国于2015年8月颁布《船舶与港口污染防治专项行动实施方案》，确定自2016年1月开始设立船舶排放控制区，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物排放，改善我国沿海和沿河区域的空气质量。上海、浙江也于2016年4月1日开始实施船舶限排，主要是监控燃油的含硫量。尽管内河船舶尾气排放总量占城市废气排放总量比例较小，内河船舶污染的控制和清洁能源的使用已经逐步提上议事日程，但缺乏相关的标准。

目前，我国并没有采取有效的措施检测运营中内河船舶柴油机尾气排放情况。仅在船舶投入运营时，按照柴油机生产企业出厂时对柴油机做的台架试验数据作为参考，尚未利用有效手段和技术条件对营运内河船舶柴油机的尾气排放进行检测和控制。

2 内河船舶柴油机尾气产生污染物的主要原因

船舶发动机其排气污染物的组成主要包括气态污染物和颗粒物。气态污染物指一氧化碳、碳氢化合物、硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)。颗粒物指在温度不超过325K(52℃)的稀释排气中，由规定的过滤介质收集到的排气中所有物质。排烟系由燃烧或热解而成的、悬浮在排气中的可见固体和液体颗粒。

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，而且对于船舶动力装置而言，比较容易引起颗粒物排放，增大排气中PM2.5的含量。船用燃料一般分两种，一种是馏分型船用燃料，包括多用于高速柴油机的轻柴油(MGO)和多用于中速柴油机的重柴油(MDO)，具体型号有相当于-10#轻柴油的DMX、相当于0#轻柴油的DMA、相当于5#轻柴油的DMB、相当于10#重柴油或20#重柴油的DMC等几种，GB/T17411-2012规定除DMX硫含量不大于1%外，其余几种硫含量不大于1.5%；另一种是多用于低速柴油机残渣型船用燃料，包括RME180、RMG380等，GB/T17411-2012规定硫含量不大于3.5%。

不管何种船用燃料，其硫含量都远大于车用柴油标准(GB252-2015)规定的不大于0.035%的标准(2017年6月30日以前)，这也是船舶排放污染较为严重的原因之一。

2.2 柴油机工况不良

相对海船船员而言，内河船员专业技术水平相对低下，对柴油机的日常维护很难保持较高水准，且因日常维护的资金投入限制，不能像海船一样定期到船厂由专业人员维修。一方面由于保养不到位导致柴油机带病工作，使柴油机的工作状况不能维持在较好的水平；另一方面由于资金投入不足导致柴油机零件老化和部分零部件超龄服役。这些原因均会造成柴油机工况恶化，导致尾气排放超标。

2.3 柴油机运行负荷过重

航行于内河的船舶因航区受风浪因素影响较微，船舶干舷较小。船舶运输过程中常出现超载现象，进而导致船舶柴油机负荷过载现象。黑烟常在柴油机高负荷下形成，由于喷入缸内的燃油较多，混合气形成不均匀，局部出现空气不足的过浓混合区，燃油在高温缺氧的条件下，易于裂解、聚合生成碳粒，呈黑色烟雾排出缸外。

3 船舶柴油机尾气常用监测方法

船舶排烟和颗粒物排放一般是通过发动机出厂前的法规限值进行限制，对于运行几年以后的船舶柴油机没有常规检测。由于对超过一定年限的柴油机没有定期检测的限制，也导致了船舶柴油机超标排放的存在。随着发动机的使用时间加长和维护保养不当会引起运行状况的恶化，从而可能导致柴油机尾气排放超标。就目前而言，柴油机尾气监测常用的方法有滤纸烟度法、不透光烟度法和林格曼比色法。

3.1 滤纸烟度法

以一定量的排气样气通过滤纸，以滤纸留下的碳粒重量或以滤纸表面的光反射率来比较测量。测量仪器叫滤纸式烟度计，其结构简单，使用方便。一般用抽气泵在一定时间内从排气管中抽取一定量的废气，使它通过一张一定面积的纯白滤纸，废气中的碳烟微粒便过滤在滤纸上，使滤纸染黑。然后用光电检测装置测出滤纸的染黑度，该染黑度即代表柴油车的排气烟度。图1所示为测量原理图，图中的滤纸圆形区域内即为过滤的碳粒。

图1 滤纸烟度计测量原理

这种测量方法要求应在柴油机工况稳定后进行，柴油中不应为测量烟度而特意添加消烟剂。对每一测量点应连续测量烟度3次，相邻两次测量的时间间隔不应超过1min。以3次测最值的算术平均值作为烟度测量结果。若3次测量值相差超过0.93FSN(排气滤纸烟度)时，则应进行重测。滤纸烟度FSN和碳烟浓度C(mg/m3)之间的关系：

3.2 不透光烟度法

利用排气流粒子吸光特性来测量，即在排气尾管出口一定距离的直径方向的光的透过度来测量。不仅可测黑烟，而且也可测蓝烟和白烟，对低浓度的可见污染物有较高的分辨率，可以进行连续测量，也可以用来研究柴油机的瞬态碳烟和其它可见污染物的排放特性。其主要测量原理如下：将一束光穿过密度和温度一致的气体时，由于光被吸收和散射，使其强度衰减。吸收就是光转换成另一种形式的能量，散射就是由于反射、折射而引发的光发散，吸收系数就是反映光吸收和散射的情况。图2所示为不透光烟度计测量原理图。

图2 不透光烟度计测量原理

排气滤纸烟度(FSN)和不透光烟度N之间的关系如下：

N=0.12FSN3+0.62FSN2+3.96FSN

3.3 林格曼比色法

评价固定燃烧源排气黑度的一种数值，用肉眼观测的排气黑度与林格曼烟气黑度图对比得到。标准的林格曼烟气黑度图由14cm×21cm的不同黑度的图片组成，除全白与全黑分别代表林格曼黑度0级和5级外，其余4个级别是根据黑色条格占整块面积的百分数来确定的(如图3所示)，全白为0级，全黑为5级。黑色条格的面积占20%为1级，占40%为2级，占60%为3级，占80%为4级，其对应于不透光烟度值分别为20%、40%、60%和80%。把林格曼烟气黑度图放在适当的位置上，将烟气的黑度与图上的黑度相比较，由具有资质的观察者用目视观察来测定固定污染源排放烟气的黑度。

图3 林格曼黑度图(比例缩小图，非标准尺寸)

按林格曼黑度级别将观测值分级，分别统计每一黑度级别出现的累计次数和时间。由于烟气林格曼黑度监测不是一个简单的结果，船舶排烟检测用林格曼黑度图方法应是监测时段内的平均等效黑度级，表达式如下：

式中: L 表示一定时段内的平均等效林格曼黑度(级)；Ai为时段 Ti内的烟气林格曼黑度(级)；Ti为某一监测时段(min)。

4 内河船舶柴油机尾气排放的监测方法推荐

不同国家和地区在监控船舶排烟污染物方面，各有相关的技术标准。如美国加利福尼亚认为连续3min以上(含3min)排放的气体与林格曼黑度二级的颜色一样深或更深，确定为尾气排放超标；阿拉斯加则认为穿过船舶排烟的大气能见度不能大于20%为合格；得克萨斯州则认为船舶排气的不透光度不能连续5min超过30%为合格。我国香港对进港船舶柴油机尾气排放的监控则按船舶连续3min及以上排放的气体与林格曼黑度二级的颜色一样深或更深，认为船舶尾气排放不合格。

4.1 固定位置的排放监测方法

对于安装的航道上方桥梁或固定物上的监测装置，或安装于航道两岸陆地或固定物上的监测装置，可采用不透光烟度法来对通过监控区域的内河船舶柴油机尾气的排放进行监测。

不透光烟度法的优点主要是不仅能测柴油机尾气排放中的黑烟排放，还能测量柴油机尾气排放中的蓝烟和白烟等其它烟色，而且由于属瞬态测量，测量结果取测量工况中的最大排烟对光的吸收值，可以消除最大排烟与采样不同步的影响，测量结果能较科学和较客观地反映柴油机尾气的实际排放状况。缺点为设备成本较高，价格通常是滤纸烟度计的几倍。

4.2 非固定位置的排放监测方法

对于内河船舶柴油机排放的临时监测，如登船的临检或不便于安装固定监测装置的航道，可采取林格曼比色法或实时滤纸烟度法来进行监测。

林格曼比色法则可以直观的用肉眼观察，并且已经在固定燃烧源上普遍应用，可操作性强。国内外已有的船舶排烟污染的防治标准基本都采用比色法，所以采用此方法是可行的。虽然测量得到的结果具有量值范围，但仍属于定性测量。通过林格曼烟气黑度图的使用和观测所获得的数据，实质上是以经验为基础的，因而具有一定的局限性。烟气黑度的表观，取决于排气中颗粒物的浓度、颗粒物的粒径、颗粒物的颜色、被观察烟羽的厚度、以及自然光相对于观察者的方向等许多因素。滤纸烟度法可用来测量柴油机尾气中的黑烟浓度，不能用来监测其他颜色的排烟。且其监测限值也不能直接采用国家标准的滤纸烟度限值，因为监测过程中涉及的柴油机工况并非国标规定的测试工况，存在较大的差异性。

5 结 语

内河船舶柴油机排放监测技术的发展对于降低船舶尾气排放有着重要意义，目前国内燃油标准已经相应提高，但更需要通过使用低硫油，加装催化还原装置、颗粒物过滤器等后处理装置等排放控制装置、采用液化天然气等清洁能源等措施从源头上进行管理，以减少船舶尾气超标排放带来的污染。

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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,安徽阜阳人,讲师,硕士,E-mail:xuezhaot@zjvtit.edu.cn。

U664.121

A

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

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

浙江交通职业技术学院学报，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016