LNG动力船舶大气污染物排放特征实船测试

向蜀霞，姚婷婷，彭勇平，张晓刚，李铿国

(1. 深圳市计量质量检测研究院， 广东 深圳 518107； 2. 深圳海事局， 广东 深圳 518000)

随着经济的快速发展，船舶运输因具有成本低、运输量大等优点，成为海上交通运输的主要工具。与此同时，船舶数量日益增加，船舶尾气排放已成为大气污染的重要来源之一，大气污染物的排放量日益增多，尤其是在港口、海峡和航线密集的海域，船舶排放大气污染物造成区域空气质量恶化，给港口附近居民的生活和工作环境带来严重影响。由于船舶动力装置主要以柴油机为推进装置，船舶尾气排放与发动机性能息息相关，其排放的大气污染物主要包括CO、NOx、SOx、TVOC和颗粒物(PM)等。[1]据计算，2016年全国船舶SO2排放量约占全国SO2排放总量的8.4%。[2]国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)2014年发布的第3次温室气体研究报告显示：2012年全球航运排放的CO2有7.96亿t，占全球排放总量的2.2%。[3]为应对港口大气污染的严峻形势，有效控制船舶尾气污染、减少船舶尾气排放，2015年12月，交通运输部发布《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》，确定排放控制区(Emission Control Areas, ECA)内的核心港口，并提出对船舶SOx、NOx和PM的排放限值要求。[4]2018年12月，交通运输部发布新的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，进一步扩大ECA的地理范围，提高排放控制要求。2016年8月，环境保护部发布《船舶发动机排气污染物排放限值和测量方法(中国第一、二阶段)》(GB 15097—2016)，并于2018年7月1日正式实施第一阶段限值，2021年7月1日起实施第二阶段限值。针对我国政策、标准的陆续发布和实施，开展船舶大气污染控制对策研究势在必行。

当前，随着在2020年1月1日全球限硫[硫含量(质量分数，下同)≤0.5%]法规的生效，液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料作为清洁低碳能源越来越受世界各国和地区的青睐，对LNG动力船舶的发展给予了很大支持。[5]我国LNG燃料动力起步较晚，截至2018年3月已建造LNG动力船舶279艘，其中，内河船舶276艘、海船3艘。[6]为有效推进船舶清洁能源的实施，我国出台了LNG燃料动力船舶相关规范与政策，如《天然气燃料动力船舶规范》《液化天然气燃料加注趸船规范》等，促进LNG燃料动力船舶环保效益发挥重要作用。然而，国内LNG动力船舶较少，对实船大气污染物的排放特征和基础排放数据等信息十分缺乏，难以有针对性地提出对LNG燃料作为清洁燃料的对策。

综上所述，本研究搭建船舶在线监测系统，选取1艘LNG动力船舶开展基于不同转速条件的实船尾气排放测试，探索LNG动力船舶大气污染物瞬时排放规律，分析各污染物的来源及其对空气环境造成的影响，为后续LNG动力船舶尾气排放研究提供重要的基础数据。

1 材料与方法

1.1 测试船舶与工况

1.1.1测试船舶

选择中海油能源发展有限公司的1艘LNG动力船舶(拖船)，专用于协助船舶靠泊或离港等。船舶于2015年建造完成，是一艘主要航行于我国沿海区域的海船，其基本参数见表1。

表1 测试船舶基本参数

1.1.2测试工况和气体组分

拖船测试工况选择系泊时，在改变主机转速的情况下，在线监测船舶尾气瞬时排放浓度(质量浓度，下同)，即船舶靠泊码头，航速为0 kn，通过顶推码头模拟拖船工作。监测船舶尾气组分包括CO、NOx、SO2、TVOC和PM。

1.1.3在线监测设备

船舶尾气排放浓度在线监测设备选择Mini-SEMS在线监测系统，船舶尾气在线监测系统包括气体采样模块和监测模块2部分。气体采样模块包括前端采样探头、采样管、气泵和进气过滤网；监测模块包括气体传感器、颗粒物传感器、自动调零和其他附属设备(环境温度、湿度、压力等)。监测前需对在线监测设备进行计量和校准。

1.2 分析方法

1.2.1船舶烟囱口流速检测方法

采用皮托管测量排气压差，应用伯努利定理计算气流的速度。流速的计算式为

(1)

式(1)中：v为气体流速，m/s；P0为排气口总压，Pa；P∞为排气口静压，Pa；ρ为排气体密度(默认烟气密度近似空气密度，为1.2 kg/m3)。

1.2.2船舶大气污染物检测方法

NO、NO2、SO2和CO在线分析方法选择电化学法；TVOC在线分析方法选择光离子法；CO在线分析方法选择非分散红外法(Non-Dispersive Infrared, NDIR)；PM在线分析方法选择光散射法。

1.2.3船舶大气污染物排放因数计算方法

利用“碳平衡法”计算船舶排放各污染物排放因数(由于燃料燃烧之后的所有的碳组分基本上都以CO、CO2和TVOC的形式排放，而CO2的排放浓度远大于CO和TVOC，因此CO和TVOC可忽略不计)。各污染物排放因数计算式为

(2)

式(2)中：EFP为各污染物排放因数，g/kg；Δ[P]为扣除环境背景值后的质量浓度，g/m3；Δ[CO2]为扣除环境背景值之后的质量浓度，g/m3；MWi为质量分数；Wc为燃料中的碳质量分数，g/kg。由于船舶排放因数的计算缺少相关文献对Wc值的明确数值记载，因此式(2)中引用汽车柴油的Wc=0.87 g/kg代入计算。

2 结果与分析

2.1 CO瞬时排放特征

CO是船舶燃料在燃烧过程中生成的重要中间产物，当燃油燃烧不充分或缺氧时都会导致CO生成。[7]CO瞬时排放特征图见图1，CO随发动机转速的升高先出现波动，开始会有1个低谷值。当主机转速降低时，CO浓度瞬时增加；当主机转速再次升高时，CO浓度又开始出现波动，由降低再次迅速升高。由图1可知：船舶在转速不断变化的情况下，导致CO排放浓度发生相应变化。除主机启动时，其余时间CO瞬时排放浓度均在954～1 513 mg/m3波动。这是由于船舶功率发生变化，在船舶怠速情况下，主机高负荷做功导致主机燃烧室局部缺氧生成CO。

2.2 NOx瞬时排放特征

船舶发动机排放的NOx主要来源于燃料中的氮和空气中的氮气燃烧，其中NO所占比例最大，可达95%以上。[8-9]在船舶启动时，NOx排放浓度瞬间快速上升(见图2)；在船舶发动机转速稳定后，NOx迅速下降到低谷值，并随着主机转速稳定，其瞬时排放浓度波动趋于平缓；当船舶主机转速由低再次升高时，NOx瞬时排放量随之再次上升。在整个主机做功的情况下，NOx排放率都比较大，这是由于船舶主机燃料燃烧温度、含氧量和滞燃期时间都满足高温燃烧的条件。

2.3 SO2瞬时排放特征

船舶尾气排放硫氧化物主要与燃料硫含量直接相关，与发动机类型和功率等无关。[10]根据深圳市沿海ECA硫含量限值的要求，燃油硫含量自2019年1月1日起控制在0.5%之内。在整个LNG船主机做功的情况下，SO2浓度远低于0.5%的限值要求，符合ECA要求，SO2瞬时排放特征见图3。当船舶主机转速升高时，SO2排放量迅速上升，且随着主机转速的稳定，硫排放量与主机转速呈负相关；当船舶主机转速稳定在约700 r/min时，SO2的瞬时排放浓度波动较大，这可能是因为天然气在燃烧时本身排放硫氧化物量较低，导致排放浓度太低，使在线设备监测能力受限。因此，天然气燃料可作为替代传统燃料类的一种。[11]

2.4 TVOC瞬时排放特征

挥发性有机物的排放量与燃烧温度、压力和燃空当量比等相关。[7]LNG燃料动力船舶燃料燃烧时，TVOC总体排放量相比柴油机船舶大幅降低。[12]在船舶发动机运行的整个过程中，TVOC呈上升趋势，但排放瞬时浓度相对较低，在0.123～1.184 mg/m3范围内。当船舶主机启动运行约9 min时，TVOC略下降；在第13 min时，TVOC瞬时排放浓度又开始上升，这与主机转速的变化趋势相似，呈正相关，见图4。船舶主机刚启动时，短时间内汽缸内的反应压力或温度较低，导致TVOC排放浓度上升。

2.5 PM瞬时排放特征

PM是柴油机尾气排放的主要污染物之一。[13]以LNG燃料的动力船舶内燃机燃烧时PM排放可下降90%[14-15]，LNG是一种较好的清洁能源。当船舶主机启动时，PM瞬时排放浓度迅速上升；随着主机运行至700 min时，PM瞬时排放浓度迅速下降至0.11 mg/m3；此后PM瞬时排放浓度稳定，当主机运行至第14 min时，PM瞬时排放浓度迅速上升后下降，这可能与改变主机转速有关。LNG动力船舶(拖船)主机在整个运行过程中，PM瞬时排放浓度范围在0.102～0.226 mg/m3，见图5。与船舶柴油机排放的PM相比，LNG动力船舶排放量对港口大气PM的贡献率占比小于1%。[16]

图5 PM瞬时排放特征图

2.6 LNG动力船舶排放因数

排放因数采用“自上而下”的方式，计算出在线监测数据的中位值，其代表船舶主机整个运行期间的排放水平。LNG动力船舶主机为中速发动机，其排放因数见表2。船舶主机在整个启动运行过程中，各污染物排放因数均较低，其中PM的排放几乎为零。

表2 排放因数 g/kg

目前，国内LNG动力船舶污染物排放因数数据仍是空白，此次船舶测试数据可为后续研究提供参考。

3 结束语

本文通过对LNG动力船舶大气污染物排放进行在线监测，并结合主机转速等关键参数，采用“碳平衡法”计算了船舶各污染物排放因数，得到以下结论：

1)基于LNG动力船舶尾气在线监测，获得LNG动力船舶大气污染物排放规律特征。当船舶主机启动时，船舶尾气污染物排放浓度波动较大。随着船舶主机转速稳定，各种大气污染物瞬时排放浓度趋于平缓，说明在稳定的船舶工况条件下，主机燃烧燃料比较充分且稳定。

2) 以液化天然气为燃料的船舶，尾气排放值均较低，其中NO、NO2、TVOC和PM的排放量几乎没有，计算所得其排放因数分别为1.503 g/kg、0.413 g/kg、0.072 g/kg和0.001 g/kg。由此可知：LNG动力船舶各污染物排放因数均较低，表明该燃料是一种发展潜力巨大的清洁燃料。