大型航道船舶黑烟排放监管研究

沈 寅,刘登国,谭 华

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092; 2.上海市环境监测中心，上海 2000235)

1 前 言

随着中国经济的发展，中国港口迅速在世界港口崛起。2016年全球十大港口[1]，中国占据7位，长三角区域更是坐拥上海港、宁波-舟山港两大超大港口。大量医学研究表明，船舶的大气排放对人体健康会造成负面影响[2-3]，黑烟是其大气污染排放严重程度的标识之一，同时柴油发动机排放在世卫组织2017年A类致癌物质排名第39位[4],而室外空气污染以及含有颗粒物的室外空气污染只是位列第76和第77。航运给经济带来动力的同时，船舶冒黑烟的现象也在航道上频频发生，影响了港区和港口城市和航道周边区域的空气质量。英美等发达国家已将船舶冒黑烟控制纳入当地执法体系。在我国，香港地区对船舶黑烟排放做出了规定。近年来《上海市大气污染防治条例》和《上海市环境保护条例》也将船舶冒黑烟列为违法行为。本文在上海海事局黄浦海事局和上海海事大学对于船舶冒黑烟监测方法研究[5]的基础上，通过采用林格曼黑度目测法对大型航道船舶黑烟的排放情况进行了监测，为相关部门出台具有操作性的控制要求提供技术支持。

2 国内外船舶黑烟排放相关法规要求

美国阿拉斯加州和德克萨斯州对船舶黑烟排放出台了不同限值的标准。美国阿拉斯加州《船舶可见污染物标准》规定船舶在阿拉斯加海岸线三英里之内，其所排放的烟气能见度不能低于20%(林格曼黑度1级)[6]。德克萨斯州则规定船舶排气的不透光度不能连续5分钟超过30%[7]。

英国在《清洁空气法案1993》第一部分第三条中明确对黑烟进行了定义[8]，即与林格曼黑度2级相当或更深的颜色。船舶应在包括海船无法航行的水域，以及海船可以航行的英国领海水域遵守此项规定。

香港特别行政区早期出台了船舶排放管理规定：《船舶及港口管制条例》(第313章)及《商船(本地船只)条例》(第548章)分别订明[9]，非本地船只或本地船只如在香港水域内排放分量足以造成滋扰的烟雾，即属犯罪。但是该法规对黑烟排放限值未进行明确的定义，且该法条没有根据船舶大小和违规次数制定裁量表。因此，香港政府于2014年出台了船舶黑烟管制条例修订版，规定若船舶连续3分钟以上(含3分钟)排放的气体与林格曼黑度二级的颜色一样深或更深，则视为违法，需进行罚款。本地船舶的最高罚款为 10 000 至25 000 港币，远洋船为 25 000～50 000 港币[10]。

近年来陆续实施的上海市地方法规，如《上海市大气污染防治条例》已将船舶排放明显可见黑烟列为违法行为。《上海市大气污染防治条例》第三十八条第五款规定：在本市行驶的机动车、船不得排放明显可见的黑烟。第八十五条第二款规定：违反本条例第三十八条第一款、第五款规定，在本市行驶的机动船向大气排放污染物超过规定的排放标准或者排放明显可见黑烟的，由海事部门责令改正，可以处一千元以上一万元以下罚款；情节严重的，处一万元以上五万元以下罚款。

虽然船舶冒黑烟的违法行为已被写入法条，但 “明显可见黑烟”没有准确的定量定义，同时对于在用船舶黑烟监测尚没有地方法规或者规范性文件加以规定。

3 船舶黑烟排放林格曼黑度监测

基于上海海事大学和上海海事局黄浦海事局的研究成果，本研究使用林格曼黑度网格来评价船舶排放的黑烟。鉴于船舶发动机与一般的陆地非道路机械、机动车的技术和工况均有所不同，同时大型船舶所用燃油的含硫量显著高于陆地用非道路机械所用普通柴油和车用柴油的含硫量，因此船舶发动机在个别工况下排放黑烟情况相对更明显和突出，监测时需考虑船舶所处工况。目前林格曼黑度已列入机动车和非道路移动机械排放标准或操作规程，船舶监测中的一般事项，参照北京市地方标准《在用非道路柴油机械烟度排放限值及测量方法》(DB11/184-2013)中有关规定执行。

3.1 监测仪器及方法

本文中船舶尾气黑烟排放监测参照烟气分析法[11]林格曼黑度图法和测烟望远镜法进行。未经过培训的人员或刚接触林格曼黑度监测的人员需要使用林格曼黑度网格，或林格曼黑度望远镜对船舶排放尾气进行监测。若需对船舶排放进行取证，可以使用在镜头内部有林格曼黑度网格的成像系统，利用摄录设备对船舶排放的黑烟进行拍照和视频取证。经过培训的监测人员，在监测一定时间之后可直接通过目测判定黑烟林格曼黑度级数。

3.2 监测点位

对于一般监测点位的选择，建议选择船舶通航较为繁忙的航道边进行，观测点距离航道的位置视林格曼黑度望远镜的焦距而定，焦距越长，观测点可离开航道的位置越远。本研究选择上海市长江口岸线某点作为监测点位。

3.3 监测工况

船舶航行工况与机动车和非道路机械有较大差异，根据船舶的航行特征，可将船舶运行的工况分为启动、机动航行、巡航和停泊四个工况。

3.3.1 启动工况

指船舶发动机启动到备车的过程。包括主机、辅机和锅炉。

3.3.2 进出港工况

指在船舶进港、离港、进出航道货锚地期间，航速小于等于5节，船舶的主机处于机动航行状态，会出现急加车或者倒车的情况，并很可能排放明显可见的黑烟。

3.3.3 巡航工况

船舶处于正常航行的状态，主机、辅机开启，航速大于5节。

3.3.4 停泊工况

船舶主机处于关机状态，辅机和锅炉可能开启。

由于本研究监测点位位于长江口，船舶工况主要以巡航和进出港工况为主。本研究在长江口监测的均为巡航和机动航行工况船舶，且由于这两种工况用目测无法区分，故在后续的监测结果中不予区分。如果在巡航和进出港工况测定到船舶排放黑烟，则其在进出港工况更易出现黑烟现象。

4 结果及分析

4.1 监测结果

本研究在长江口航道监测船舶633艘次，以空气背景值为林格曼黑度0.5级，共发现林格曼黑度1级船舶67艘次，占总数的11%；林格曼黑度1.5级船舶26艘次，占总数的2.64%；林格曼黑度2级船舶12艘次，占总数的1.9%；林格曼黑度2.5级船舶7艘次，占总数的1.1%；林格曼黑度3级船舶2艘次，占总数的0.3%。参照上海市对于在用车冒黑烟的判断标准，林格曼黑度超过1级为冒黑烟， 林格曼黑度超过2级为明显冒黑烟，本次船舶测试的冒黑烟率为7.4%，明显冒黑烟率为1.4%(见图1)。

图1 监测船舶排烟林格曼黑度比例Fig.1 The number and ratio of monitored samples in the Ringelman Emittance Level

图2 各类船舶排烟林格曼黑度比例Fig.2 The number and ratio of monitored samples verified by vessel type in the Ringelman Emittance leve

在记录船舶林格曼黑度的同时，可以通过林格曼黑度望远镜观测并记录船舶名称，在海事局系统中查询该船的船舶类型、船舶总吨、船舶建造时间、主机功率等基本信息。结合船舶数据库，分析船舶排放状况，可以发现海船的冒黑烟率是10.5%，高于内河船的3.5%；海船的明显冒黑烟率是2.4%，高于内河船的明显冒黑烟率0%(见图2)。另外，有123艘船舶无法在数据库中检索到信息，80艘船舶因拍摄角度、距离和对焦原因无法识别船名，共计203艘船舶被列为无法识别船舶，其冒黑烟率为3.0%，未发现明显冒黑烟船舶。其结果介于海船和内河船之间，说明无法识别的船舶既包括海船又包括内河船(见下表)。

表 各类船舶排烟林格曼黑度比例Tab. The number and ratio of monitored samples verified by vessel type in the Ringelman Emittance level

4.2 船龄与冒黑烟率的关系

图3 监测样本船龄分布Fig.3 The vessel age distribution of monitored samples

在监测样本中，按已明确识别的392条船舶的船龄信息统计(见图3)，船龄1～5年的船舶有35艘次，占8.9%；船龄6～10年的船舶158艘次，占40.3%；船龄11～15年的船舶130艘次，占33.2%；船龄16～20年的船舶28艘次，占7.1%；船龄20年以上的船舶41艘次，占10.5%。不同船龄船舶的排放黑烟情况如图4所示。

图4 船舶冒黑烟率与船龄的关系Fig.4 The relation between the black smoke emission rate and the vessel age of monitored samples

由图4可见，使用船龄超过十年的船舶冒黑烟率和明显高于船龄在10年以内的船舶。但现有数据中船龄在16～20年间的船舶冒黑烟率和明显冒黑烟率较低，这部分船舶共计28艘次，样本数较少可能是造成结果异常的主要原因。

图5 监测样本总吨分布Fig.5 The gross tonnage distribution of monitored samples

图6 船舶冒黑烟率与船舶总吨的关系Fig.6 The relation between the black smoke emission rate and the gross tonnage of monitored samples

4.3 船舶总吨与冒黑烟率的关系

按已明确识别的430条船舶的总吨信息统计如图5所示，总吨≤99的船舶有1艘次，占0.2%；总吨100～499的船舶90艘次，占20.9%；；总吨500～999的船舶18艘次，占4.2%；总吨1 000～2 999的船舶93艘次，占21.6%；总吨3 000～9 999的船舶121艘次，占28.1%；总吨10 000～49 999的船舶97艘次，占22.6%；总吨≥50 000的船舶10艘次，占2.3%。

由图6可见，船舶总吨分布来分析，500总吨以上船舶冒黑烟率较高，冒黑烟率随船舶总吨变大而明显升高，但50 000总吨及以上的10艘船舶未发现明显冒黑烟船舶，且这些船舶的船龄分布各不相同(船龄1～5年的1艘，6～10年的1艘，11～15年3艘，16～20年1艘，20年以上4艘)。

4.4 船舶主机功率与冒黑烟率的关系

图7 监测样本主机功率分布Fig.7 The main engines’ MCR distribution of monitored samples

在监测样本中，按船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)对于船舶功率的分类，按已明确识别的430条船舶的主机功率信息统计如图7所示，功率P<2 000的船舶有234艘次，占37.0%；功率2 000≤P<3 300的船舶77艘次，占12.2%；功率3 300≤P<3 700的船舶10艘次，占1.6%；功率P≥3 700的船舶109艘次，占17.2%。

由图8可见，冒黑烟率和明显冒黑烟率最高的是主机额定功率2000≤P<3000千瓦的船舶，冒黑烟率第二的是3300≤P<3700千瓦的船舶，明显冒黑烟率第二的是P≥3700千瓦的船舶。

4.5 船舶冒黑烟监管建议

如前所述《上海市大气污染防治条例》已将船舶排放明显可见黑烟列为违法行为。本文研究结果表明海船的明显冒黑烟率为2.4%，内河船为0，据海事部门统计(上海海事局、上海交通委统计数据)上海港2017年进出港船舶189.9万艘次，其中海船24.2万艘次，内河船165.7万艘次，估算得船舶明显冒黑烟数为5808条。平均每天约16条船舶正常巡航时明显冒黑烟，考虑到进出港工况更易出现黑烟现象，因此有必要进行冒黑烟船舶的监测监管。

图8 船舶冒黑烟率与船舶主机功率的关系Fig.8 The relation between the black smoke emission rate and the main engines’ MCR of monitored samples

从船舶航行安全的角度出发，建议目前只对船舶正常巡航时的排放进行监管。

参考英国、美国和中国香港的现行法规，结合上海港的船舶实际情况，建议 ：

(1)在上海主要航道设立至少3个监测点，同一艘船舶若在3个监测点中被发现有2次明显冒黑烟，即判定为违规，并采用摄像取证的方法

(2)由于船舶大小和功率不同，其排放的黑烟量也有不同。建议建立船舶排放违规处罚分级机制，按船舶大小或发动机功率大小设定罚金数额。

(3)根据监测结果，有6.0%的船舶介于冒黑烟和明显冒黑烟之间，建议设立分阶段监管，在需要时间和区域实施更严格的排放限值，例如在某些特定时段或日期，黄浦江外环隧道至徐浦大桥区域船舶排放黑烟林格曼黑度不得超过1级。

(4)建立船舶排放数据库，海事部门可将船舶大气污染排放监测信息纳入其中，建立黑名单机制，对于屡次违规的船舶可加大处罚。

5 总 结

使用林格曼黑度法对船舶排烟进行监测，效率高，设备简单、取证方便、不会受制于测试地理环境等优点，但是受天气条件影响。在晴天、阴天和多云的天气条件下，在航道周边设置观测点，即可开展监测。在发现冒黑烟船舶并需要取证时，可通过林格曼黑度成像系统进行拍照或视频录像取证。

船舶尾气的林格曼黑度明显冒黑烟率与船舶的船龄成正比，即船龄越高，船舶明显冒黑烟率越高。船舶总吨大于500的船舶都出现了不小于10%的冒黑烟率，船舶越大，明显冒黑烟率越高。船舶的明显冒黑烟率与主机功率无明显关系。因此，在冒黑烟监测及执法过程中可重点对船龄较老且总吨较大的船舶进行监测。

通过监测结果和上海港情况的分析，建议：将船舶明显冒黑烟限值设为不超过林格曼黑度2级；采用多点监测结合摄像取证的方法判定船舶违规；只针对船舶巡航工况进行监测；建立船舶排放违规处罚分级机制；设立分阶段标准，在需要时间和区域实施更严格的排放限值；建立黑名单机制，对于屡次违规的船舶可加大处罚。

致谢：感谢上海海事局危防处、船舶动态监控中心、上海市地方海事局对本项目监测工作的大力支持。