通過尾氣估算船用燃油硫含量的跟船嗅探法實驗

胡健波，朱建華，彭士濤，趙宏鑫，洪寧寧,葉 寅

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津 300456)

2016年起，我國珠三角、長三角、環渤海(京津冀)水域船舶排放控制區正式啟用，要求在“十三五”期間逐步實現排放控制區內的船用油硫含量不得高于0.5%的控制目標[1-2]。由于不同硫份含量的柴油存在較大的價格差異[3]，如果沒有有效的監管方法，期望船主自覺使用更高成本的低硫柴油并不現實，海事部門如何檢查船舶是否在排放控制區使用了低硫油是關鍵。

傳統的方法包括檢查航海日志中的換油記錄、抽取油樣檢測等，存在登船難度大、檢查效率低的問題。各國海事部門都對不登船、遠程、快速的船用油硫含量遙測技術存在迫切需求，以實現高效、精準執法，使得船舶排放控制區的實施具備更強的可操作性[4]。西方發達國家已有十余年的船舶排放控制區管理經驗，積累了不少相關技術的研究成果，通過查閱并梳理文獻可知嗅探法是目前主流的船用燃油硫含量遙測方法[5]。

在我國船舶排放控制區管理實踐的起步階段，引入并推廣嗅探法十分必要。本文通過三天跟船嗅探法實驗，證實了嗅探法的有效性以及一些需要注意的事項，并提出了進一步開展嗅探法遠距離監測實驗的建議。

1 方法

1.1 嗅探法原理

嗅探法是翻譯自外國文獻中的“Sniffing method”一詞，字面直譯為“聞法”，是通過聞味道的方式實現非接觸探知遠處釋放味道物體本身的特征，故而翻譯成“嗅探法”更加貼切。在本文中，嗅探法是通過船舶航行過程中排放的尾氣實現不登船遙測船用燃油硫含量的目的，幫助海事部門識別排放控制區內違規使用高硫油的嫌疑船舶。

嗅探法基于3個假設：一是不同硫含量的船舶燃油中的碳含量差異不大，都是87%左右[6-9]；二是油中的C和S元素經過燃燒后絕大多數生成CO2[10]和SO2[11-12]，其它碳氧化物和硫酸鹽的比例可以忽略；三是CO2和SO2隨風擴散稀釋但比例不變，分子量差異產生的沉降速率差異在隨風擴散過程中可以忽略不計。基于以上假設，可以通過船舶下風向某處同步測量尾氣的CO2和SO2濃度，反推油中的硫含量，公式如下：

硫含量=硫[kg]/油[kg]×100%= 87%×((SO2尾氣[ppm]-SO2背景[ppm])×32) / ((CO2尾氣[ppm]-CO2背景[ppm])×12) =(ΔSO2[ppb] /ΔCO2[ppm]×0.232)%

(1)

1.2 儀器設備

油品中的硫含量檢測儀器是姜堰市高科分析儀器有限公司生產的ZXS-2000型 X熒光測硫儀，CO2監測儀器是美國LICOR公司生產的LI-6400XT型便攜式光合儀(只用其環境CO2濃度數據)，SO2監測儀器是武漢市天虹儀表有限責任公司生產的TH-2002H型紫外熒光法二氧化硫分析儀。

1.3 跟船嗅探法實驗

2017年3月29日～2017年3月31日，在某造船廠的18萬t新建大型散貨船(圖 1)出海試航期間，分別在主機煙囪閥門處和甲板上監測CO2和SO2的濃度波動，利用嗅探法估算燃油硫含量，并與采集的油樣硫含量檢測結果對比，分析嗅探法估算結果的精度與誤差。

圖1 實驗貨船及主機煙囪閥門和甲板上(駕駛艙與煙囪倉之間、船舷邊)的監測位置Fig.1 The measurement locations on the cargo ship including chimney valve and deck (space between the cockpit and the chimney, the ship′s side)

圖2 2017年3月29日使用低硫油的船舶尾氣及 背景CO2和SO2監測曲線Fig.2 CO2 and SO2 monitoring curves of background and exhaust of the cargo ship when burning low-sulfur oil on March 29, 2017

2017年3月29日，船舶從碼頭駛出天津港到錨地，該過程中船舶使用0號輕柴油作為燃油。由于0號輕柴油的硫含量遠低于重柴油的硫含量，為了能夠測得一定SO2濃度的尾氣，研究團隊在主機煙囪上的一處開口安裝閥門，人為控制放氣近距離監測。開閥監測尾氣濃度，關閥監測背景濃度。由于經閥門外溢的尾氣團流量較小，為了保證CO2和SO2測得數據的同步性，SO2設備的進氣口接延長管并與CO2設備的傳感器捆綁，確保兩個設備吸入同一位置的尾氣。

2017年3月30日～31日，船舶離開錨地駛向大連，該過程中船舶使用高硫的重柴油。由于尾氣中SO2濃度過高，遠遠超出了本次實驗二氧化硫分析儀的量程，因此選擇在船舶順風航向期間的甲板上監測船舶尾氣。研究團隊選擇在駕駛艙與煙囪倉之間的甲板上監測尾氣濃度，在附近尾氣未能擴散到的船舷邊監測背景濃度。實驗期間，定時(2～4 min)將儀器在尾氣監測點和背景監測點之間來回搬動。為了確保CO2和SO2數據的同步以及避免實驗人員呼吸對CO2監測結果的干擾，搬動儀器由1人左右手同時完成，且搬動過程中憋氣。本次實驗分2天進行了2次。

2 結果

2.1 2017年3月29日實驗

2017年3月29日，船舶從碼頭駛出天津港到錨地。16時之前，船舶從碼頭到天津港錨地的航行期間，航速較低，極少量尾氣能夠從閥門主動溢出；16時之后，船舶在錨地繞圈測試，輪機轉速加快產生大量尾氣，部分尾氣能夠從閥門噴薄而出。從CO2和SO2監測曲線(圖 2)可以看出，16時之前的尾氣濃度較低，原因是溢出尾氣量少，擴散到儀器處時已經稀釋到了很低的濃度，儀器檢測到了3個波峰；16時之后的尾氣濃度較高，原因是噴出尾氣量大，擴散到儀器處時濃度尚較高，儀器檢測到SO2波峰2個，而CO2波峰大于2個(來自檢測人員呼吸的干擾)。

表1 嗅探法測得的2017年3月29日低硫油的硫含量Tab.1 Sulfur content of the low-sulfur oil estimated by sniffing method measured on March 29, 2017

5個波峰推算得到的硫含量平均值為0.026%，標準差為0.007%(表 1)，而油樣的硫含量真實值是0.03%。本次實驗的5個波峰中，前2個波峰的SO2濃度稍高于背景值，容易產生較大的誤差，結果也確實明顯低于真實值；后2個波峰的SO2濃度明顯高于背景值，結果與真實值之間的偏差都是0.001%。第3個波峰的濃度雖然也較小，但是足以得到接近真實值的結果。本次實驗不僅通過嗅探法測得了船舶使用的輕柴油的硫含量，而且在一定程度上說明了嗅探法的前提要求，即能夠測到較高濃度的尾氣，形成明顯的CO2和SO2濃度波峰。

圖3 2017年3月30日使用高硫油的船舶尾氣及 背景CO2和SO2監測曲線Fig.3 CO2 and SO2 monitoring curves of background and exhaust of the cargo ship when burning high-sulfur oil on March 30, 2017

2.2 2017年3月30日實驗

2017年3月30日，船舶離開錨地駛向大連，該過程中船舶使用高硫的重柴油。從CO2和SO2監測曲線(圖 3)可以看出，本次實驗共計人為制造了13個波峰，其中第1個波峰忽略(兩個儀器搬動不同步)，有效波峰數為12個。信號最弱的波峰是17:04:00～17:06:59這個時間段內的波峰，平均SO2濃度約20ppb。最窄的波峰是17:18:50～17:21:10之間的這2個波峰，監測時間較短且未能長時間連續監測背景值。這3個波峰產生在尾氣監測點位和背景監測點位之間，為了與其它波峰比較證明較低濃度SO2尾氣的有效性。

表2 嗅探法測得的2017年3月30日高硫油的硫含量Tab.2 Sulfur content of the high-sulfur oil estimated by sniffing method measured on March 30, 2017

12個波峰推算得到的硫含量平均值為2.10%，標準差為0.26%(表 2)，油樣的硫含量真實值是2.23%。總體上，實驗結果比較可靠，與真實值較接近。信號最弱的波峰的結果偏低，只有1.80%，而最窄的2個波峰結果十分接近真實值，分別是2.14%和2.46%。其他9個波峰明顯的結果中，最低2個值是1.65%和1.79%，最高的值是2.81%。這3個波峰和其他9個波峰之間不存在明顯的差別。本次實驗不僅通過嗅探法測得了船舶使用的重柴油的硫含量，也說明嗅探法只要求尾氣與背景之間存在比隨機噪音更加明顯的差別即可。

2.3 2017年3月31日實驗

2017年3月31日，船舶繼續使用高硫的重柴油。從CO2和SO2監測曲線(圖 4)可以看出，本次實驗歷時5個多小時，共計人為制造了20多個波峰，去除數個SO2濃度超出了量程的情況以及數個CO2波峰和SO2波峰形狀差別較大的情況，有效波峰數為19個。

表3 嗅探法測得的2017年3月31日高硫油的硫含量Tab.3 Sulfur content of the high-sulfur oil estimated by sniffing method measured on March 31, 2017

19個波峰推算得到的硫含量平均值為2.25%，標準差為0.29%(表 3)，油樣的硫含量真實值是2.23%。總體上，實驗結果比較可靠，與真實值較接近。本次實驗不僅通過嗅探法測得了船舶使用的重柴油的硫含量，而且也證實了嗅探法的有效性。

3 結語

為了對嗅探法有初步的認識，本次實驗在被測大型散貨船的主機煙囪閥門處和甲板上開展，能夠在十分近的距離監測尾氣，確保能夠成功估算燃油硫含量；而且實驗期間船舶出海試船，周邊不存在其它污染源的干擾，條件十分理想。本次實驗通過嗅探法測得了船舶使用的輕柴油和重柴油的硫含量，證實了嗅探法的有效性，而且在一定程度上反映了嗅探法的前提要求，即能夠測到較高濃度的尾氣，形成比隨機噪音更加明顯的CO2和SO2濃度波峰。只要滿足這個前提要求，估算結果的準確度與尾氣濃度無關。

本次跟船嗅探法實驗僅僅證明了可以通過監測船舶尾氣中的CO2和SO2濃度估測燃油硫含量，但是并不建議直接用于船舶排放控制區內的高硫油船舶監管，主要原因在于登船的成本較高。歐美發達國家的經驗是在狹窄航道的岸邊、上跨橋梁等位置近距離監測過往船舶的尾氣，或者駕駛飛機或操控無人機(搭載了尾氣監測設備)主動追蹤被測船舶的尾氣。

建議學習歐美船舶排放控制區的嗅探法應用經驗，依托我國沿海的典型港口在碼頭、燈塔等有條件建立嗅探法監測站的位置開展遠距離嗅探法實驗，摸清風力、距離、高度、儀器性能等對嗅探法效果的影響規律，充分掌握建站需要考慮的各種因素及其重要程度，為最終建立基于嗅探法的全國排放控制區高硫油船舶監測網絡打下扎實的基礎。

致謝：本實驗的現場監測工作得到天津新港船舶重工有限責任公司的大力支持，在此表示感謝。