船舶黑碳排放测算方法

严 青，张云嵩，汪 璇，栾 扬

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306)

0 引 言

海运是全球化贸易和制造业供应链的支柱，世界商品贸易量的五分之四以上通过海上运输[1]。大量船舶投入海上运输，不仅带来巨大的能源消耗，而且造成空气污染和温室气体排放量不断增长，导致全球气候变暖和各类空气污染问题[2]。例如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物(PM)、黑碳、一氧化碳、挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)、二氧化碳、氨和在体积分数较高的烟气中经快速反应过程形成的二次细颗粒物(PM2.5)，均属于船舶排放的物质。船舶黑碳排放是航运业对气候影响的第二重要来源[3]。从全球来看，船舶黑碳造成气候变暖的潜能约占航运业整体排放的20%[4]。北极理事会黑碳和甲烷专家组指出，国际航运业黑碳排放量目前约占北极黑碳排放量的5%。船舶黑碳减排已成为一种急迫的全球战略，不仅可减缓气候变化，而且可提高地区的空气质量[5]。目前，船舶黑碳排放监测和区域船舶黑碳排放量计算仍存在较多不足。深入展开进一步研究，对于认识治理船舶黑碳排放的紧迫性、有针对性地提出船舶黑碳减排的具体举措、响应国际海事组织(IMO)船舶黑碳减排的号召、为IMO温室气体减排计划采取实际行动具有重要意义。

1 黑碳概述

1.1 黑碳的定义

1978年，黑碳在城市污染中被分离出来。黑碳是由化石燃料、生物燃料和生物质不完全燃烧产生的碳基气溶胶，是PM2.5的一种组分。IMO对黑碳的定义[6]如下：黑碳是一种强吸光碳质材料，通过碳基燃料的不完全燃烧产生固体颗粒物质。黑碳含有80%以上的质量碳，其中较大部分为sp2键合碳，在排放时形成空气动力学20～50 nm直径的小碳球体的聚合体。黑碳吸收所有可见波长的太阳辐射，新排放的黑碳在550 nm中可见波长下具有5 m2/g的质量吸收率。这种光吸收的强度随颗粒的组成、形状、尺寸分布和混合状态而变化。

1.2 黑碳的影响

黑碳为深色，吸收大部分入射太阳辐射并直接使大气变暖。由于黑碳是一种留存时间较短的污染物，在大气中仅停留数天或数周，因此减少黑碳排放具有直接的气候和健康益处。

(1)对气候的影响

由于黑碳在吸收光线和加热周围环境方面较为高效，因此黑碳是导致气候变暖的重要因素。对于每单位质量，黑碳对气候变暖的影响为二氧化碳的460～1 500倍。在悬浮于大气中时，黑碳通过将入射的太阳辐射转化为热量促进变暖，并影响云的形成、区域环流和降雨模式。在沉积于冰雪上时，黑碳和共同排放的颗粒会降低表面反照率(反射阳光的能力)并加热表面。这是北极和喜马拉雅山脉等冰川地区容易融化的原因。

(2)对健康的影响

黑碳及其共同污染物是PM2.5空气污染的关键组分，是导致健康状况不佳和过早死亡的主要环境原因。这些颗粒的直径为2.5 μm或更小，可渗透至肺部的最深处，并促进有毒化合物进入血液。PM2.5对健康造成许多影响，不仅导致患有中风、心脏病、慢性呼吸道疾病(如支气管炎)和哮喘等症状的成年人病情加重或过早死亡，而且导致患有肺炎等急性下呼吸道感染的儿童过早死亡。据估算，家庭和环境(室外)的PM2.5空气污染每年导致700万人过早死亡。

(3)对植被和生态系统的影响

黑碳可通过多种方式影响生态系统：沉积于植物叶子上并提高其温度；使到达地球的阳光变暗；改变降雨模式。不断变化的降雨模式会对生态系统和人类生计产生深远的影响，例如扰乱对亚洲和非洲大部分地区的农业至关重要的季风。

1.3 船舶黑碳排放

航运业是较重要的人为排放来源。全球海运贸易的持续增长导致航运总温室气体排放量已由2012年的9.77亿t增至2018年的10.76亿t[7]。船舶的单位货物排放量虽相对较低，但总体而言在排放量中占比较大。包括国际、国内和渔业活动在内的船舶黑碳总排放量由2012年的8.9万t增至2018年的10.0万t，增长12.4%，而同期二氧化碳排放量增长9.4%。与世界其他地区相比，北极船舶黑碳的排放量增长10倍，2015—2019年增长85%，而全球仅增长8%。极地冰的缩小使北极航运量预计继续增长，北极黑碳排放量将持续增长。据研究[8]，在北极(60°～90° N)排放的黑碳使北极表面温度升高的幅度几乎是中纬度(28°～60° N)的5倍。

2 IMO与船舶黑碳

IMO从关注船舶黑碳到现今采取多种船舶黑碳减排行动，整个进程已近14 a。IMO较早关注黑碳问题是在2008年10月海上环境保护委员会(MEPC)第58次会议上，会议讨论相关文件，对来自航运业对气候变化产生重大影响排放物的各种减排方法进行总结和分析，其中包含黑碳排放产生影响的信息[9]。2011年，IMO开始考虑如何减少航运对北极的影响。IMO的船舶黑碳工作计划包括3个初步步骤：确定黑碳的定义；确定测量船舶黑碳的适当方法；确定适当的方法控制船舶黑碳排放。

2015年，IMO明确黑碳的定义；2018年，IMO就测量黑碳的适当方法达成一致；2019年，IMO同意多达41种适当方法控制船舶黑碳，包括使用更清洁的燃烧燃料和在柴油颗粒过滤器中捕获黑碳；在2019年后，IMO致力于鼓励成员国探寻和确定潜在的控制措施，以鼓励成员国解决黑碳排放对北极的威胁。自2010年第一份关于船舶黑碳的提案至今，IMO已采纳127篇有关船舶黑碳的提案，其中25篇专门关注北极黑碳情况。2008—2021年IMO关于黑碳内容的相关会议如表1所示，其中：BLG为散装液体和气体分委会，后调整至PPR(污染及应对分委会)；DE为船舶设计与设备分委会。2010—2021年IMO关于北极黑碳主题的提案如表2所示，其中：INF(information)为信息提案，仅提供信息。

表1 2008—2021年IMO关于黑碳内容的相关会议

表2 2010—2021年IMO关于北极黑碳主题的提案

3 船舶黑碳排放量计算方法

计算船舶黑碳排放量应确认黑碳排放系数，分为主机黑碳排放系数、辅机黑碳排放系数和锅炉黑碳排放系数，其中：主机黑碳排放系数较为重要，占比较大。由于在运输方式中航运业是对排放物监管较少的行业之一，因此目前使用的所有发动机和燃料类型的黑碳排放系数数据普遍缺乏。船舶黑碳排放系数可根据不同因素变化，包括发动机负载、使用年限、额定功率、燃料类型和维修间隔时间等。

3.1 船舶黑碳排放测量方法

不同来源的黑碳具有其特定的测量方法，但没有哪种方法可较好适用于测量所有来源的黑碳[10-13]。IMO推荐使用如下3种方法：

(1)光声光谱法(Photoacoustic Spectroscopy，PAS)。该方法的测量结果较为精确。采用一定波长的激光照射被测船舶排气，船舶排气中的物质吸收光能，电子吸收能量变得兴奋，并以热量的方式释放，形成声波，通过传感器可测量声波，形成材料光谱[14]。

(2)滤纸式烟度值法(Filter Smoke Number，FSN)。该方法通过测试滤纸的吸光率推算吸附的黑碳体积分数[15]，被广泛用于柴油机排气测量。一般是在一定的时间内采用抽气泵通过特定的滤纸从被测排气中抽取一定量的气体，排气中的颗粒物会在滤纸上沉积并使滤纸变黑，再用仪器测量滤纸的吸光率[14]。但该方法的测量精度取决于经验数据的拟合程度[16]。滤纸式烟度值法易于操作，目前已被广泛使用[17]。

(3)激光诱导炽光法(Laser Induced Incandescence，LII)。该方法使用持续时间通常不超过20 ns的高能(约100 MJ)脉冲激光源快速加热被测船舶排气[14]，其产生黑体辐射的强度与船舶排气粒子体积分数成正比。

此外，可利用光学原理，使用含颗粒吸光滤片的光度计，如颗粒烟灰吸收光度计(Particle Soot Absorption Photometer，PSAP)和多角度吸收光度计(Multiangle Absorption Photometer，MAAP)，对船舶排气进行光衰减程度测试[15]，并通过光吸收系数和波长质量吸收系数比值量化黑碳。由于其他含碳物质对结果产生影响，因此该方法并不精确[18]。同样，热分解测定法由于具有其他含碳物质的影响，因此结果并不准确[18]。热光学分析法(Thermal Optical Analysis，TOA)将上述2种方法结合起来，可较准确测量黑碳粒子体积分数，但测量设备价格较高[18]。

3.2 船舶黑碳排放量的计算方法

船舶黑碳排放量作为主机类型、燃料类型和主机负载的函数估计，其公式[4]如下：

(1)

式中：i为船舶类型；t为工作时间，h；k为主机类型；m为燃料类型；n为主机负载系数；p为船舶状态(航行、操纵、锚泊、停泊)；BCi为船舶i的黑碳排放量，g；FCMEi,t为船舶i在工作时间t的主机燃料消耗量，kg；EFMEk,m,n,t为主机黑碳排放系数，g/kg，为工作时间t、主机类型k、燃料类型m和主机负载系数n的函数；DAEp,i,t为船舶i在工作时间t、船舶状态p的辅机功率，kW；EFAEk,m为主机类型k与燃料类型m的辅机黑碳排放系数，g/(kW·h)；DBOp,i,t为船舶i在工作时间t、船舶状态p的锅炉功率，kW；EFBOm为燃料类型m的锅炉黑碳排放系数，g/(kW·h)。

根据相应数据可得出单位时间船舶黑碳排放量，根据船舶状态和时间得出船舶黑碳排放量，并以船舶为单位归总至该类型船舶。

目前国际上对于船舶黑碳排放量的估算方法一般分为2类[19]：自上而下法，即通过船舶燃料消耗量乘以对应的排放系数；自下而上法，即根据船舶不同的主机负载情况在单位时间内对船舶黑碳排放量进行计算。式(1)采用后者。后续以船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)数据为基础，对不同类型船舶和不同航行状态进行辨识，利用回归模拟计算方法建立区域船舶黑碳测算方法[20]。

4 结 语

综述船舶黑碳排放测算方法，列举IMO自2008年以来关于黑碳内容的相关会议和关于北极黑碳主题的提案。从环境保护(尤其是北极)的角度来看，黑碳排放非常值得关注。但目前各研究成果的黑碳排放系数可能与实际相差10倍以上，导致在估算船舶黑碳排放在全球黑碳排放的占比时存在不确定性。如何改进船舶黑碳排放系数和较为精准计算船舶黑碳排放量仍是值得深入研究并具有实际意义的问题。