LNG動力船舶大氣污染物排放特征實船測試

向蜀霞，姚婷婷，彭勇平，張曉剛，李鏗國

(1. 深圳市計量質量檢測研究院， 廣東 深圳 518107； 2. 深圳海事局， 廣東 深圳 518000)

隨著經濟的快速發展，船舶運輸因具有成本低、運輸量大等優點，成為海上交通運輸的主要工具。與此同時，船舶數量日益增加，船舶尾氣排放已成為大氣污染的重要來源之一，大氣污染物的排放量日益增多，尤其是在港口、海峽和航線密集的海域，船舶排放大氣污染物造成區域空氣質量惡化，給港口附近居民的生活和工作環境帶來嚴重影響。由于船舶動力裝置主要以柴油機為推進裝置，船舶尾氣排放與發動機性能息息相關，其排放的大氣污染物主要包括CO、NOx、SOx、TVOC和顆粒物(PM)等。[1]據計算，2016年全國船舶SO2排放量約占全國SO2排放總量的8.4%。[2]國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)2014年發布的第3次溫室氣體研究報告顯示：2012年全球航運排放的CO2有7.96億t，占全球排放總量的2.2%。[3]為應對港口大氣污染的嚴峻形勢，有效控制船舶尾氣污染、減少船舶尾氣排放，2015年12月，交通運輸部發布《珠三角、長三角、環渤海(京津冀)水域船舶排放控制區實施方案》，確定排放控制區(Emission Control Areas, ECA)內的核心港口，并提出對船舶SOx、NOx和PM的排放限值要求。[4]2018年12月，交通運輸部發布新的《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》，進一步擴大ECA的地理范圍，提高排放控制要求。2016年8月，環境保護部發布《船舶發動機排氣污染物排放限值和測量方法(中國第一、二階段)》(GB 15097—2016)，并于2018年7月1日正式實施第一階段限值，2021年7月1日起實施第二階段限值。針對我國政策、標準的陸續發布和實施，開展船舶大氣污染控制對策研究勢在必行。

當前，隨著在2020年1月1日全球限硫[硫含量(質量分數，下同)≤0.5%]法規的生效，液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料作為清潔低碳能源越來越受世界各國和地區的青睞，對LNG動力船舶的發展給予了很大支持。[5]我國LNG燃料動力起步較晚，截至2018年3月已建造LNG動力船舶279艘，其中，內河船舶276艘、海船3艘。[6]為有效推進船舶清潔能源的實施，我國出臺了LNG燃料動力船舶相關規范與政策，如《天然氣燃料動力船舶規范》《液化天然氣燃料加注躉船規范》等，促進LNG燃料動力船舶環保效益發揮重要作用。然而，國內LNG動力船舶較少，對實船大氣污染物的排放特征和基礎排放數據等信息十分缺乏，難以有針對性地提出對LNG燃料作為清潔燃料的對策。

綜上所述，本研究搭建船舶在線監測系統，選取1艘LNG動力船舶開展基于不同轉速條件的實船尾氣排放測試，探索LNG動力船舶大氣污染物瞬時排放規律，分析各污染物的來源及其對空氣環境造成的影響，為后續LNG動力船舶尾氣排放研究提供重要的基礎數據。

1 材料與方法

1.1 測試船舶與工況

1.1.1測試船舶

選擇中海油能源發展有限公司的1艘LNG動力船舶(拖船)，專用于協助船舶靠泊或離港等。船舶于2015年建造完成，是一艘主要航行于我國沿海區域的海船，其基本參數見表1。

表1 測試船舶基本參數

1.1.2測試工況和氣體組分

拖船測試工況選擇系泊時，在改變主機轉速的情況下，在線監測船舶尾氣瞬時排放濃度(質量濃度，下同)，即船舶靠泊碼頭，航速為0 kn，通過頂推碼頭模擬拖船工作。監測船舶尾氣組分包括CO、NOx、SO2、TVOC和PM。

1.1.3在線監測設備

船舶尾氣排放濃度在線監測設備選擇Mini-SEMS在線監測系統，船舶尾氣在線監測系統包括氣體采樣模塊和監測模塊2部分。氣體采樣模塊包括前端采樣探頭、采樣管、氣泵和進氣過濾網；監測模塊包括氣體傳感器、顆粒物傳感器、自動調零和其他附屬設備(環境溫度、濕度、壓力等)。監測前需對在線監測設備進行計量和校準。

1.2 分析方法

1.2.1船舶煙囪口流速檢測方法

采用皮托管測量排氣壓差，應用伯努利定理計算氣流的速度。流速的計算式為

(1)

式(1)中：v為氣體流速，m/s；P0為排氣口總壓，Pa；P∞為排氣口靜壓，Pa；ρ為排氣體密度(默認煙氣密度近似空氣密度，為1.2 kg/m3)。

1.2.2船舶大氣污染物檢測方法

NO、NO2、SO2和CO在線分析方法選擇電化學法；TVOC在線分析方法選擇光離子法；CO在線分析方法選擇非分散紅外法(Non-Dispersive Infrared, NDIR)；PM在線分析方法選擇光散射法。

1.2.3船舶大氣污染物排放因數計算方法

利用“碳平衡法”計算船舶排放各污染物排放因數(由于燃料燃燒之后的所有的碳組分基本上都以CO、CO2和TVOC的形式排放，而CO2的排放濃度遠大于CO和TVOC，因此CO和TVOC可忽略不計)。各污染物排放因數計算式為

(2)

式(2)中：EFP為各污染物排放因數，g/kg；Δ[P]為扣除環境背景值后的質量濃度，g/m3；Δ[CO2]為扣除環境背景值之后的質量濃度，g/m3；MWi為質量分數；Wc為燃料中的碳質量分數，g/kg。由于船舶排放因數的計算缺少相關文獻對Wc值的明確數值記載，因此式(2)中引用汽車柴油的Wc=0.87 g/kg代入計算。

2 結果與分析

2.1 CO瞬時排放特征

CO是船舶燃料在燃燒過程中生成的重要中間產物，當燃油燃燒不充分或缺氧時都會導致CO生成。[7]CO瞬時排放特征圖見圖1，CO隨發動機轉速的升高先出現波動，開始會有1個低谷值。當主機轉速降低時，CO濃度瞬時增加；當主機轉速再次升高時，CO濃度又開始出現波動，由降低再次迅速升高。由圖1可知：船舶在轉速不斷變化的情況下，導致CO排放濃度發生相應變化。除主機啟動時，其余時間CO瞬時排放濃度均在954～1 513 mg/m3波動。這是由于船舶功率發生變化，在船舶怠速情況下，主機高負荷做功導致主機燃燒室局部缺氧生成CO。

2.2 NOx瞬時排放特征

船舶發動機排放的NOx主要來源于燃料中的氮和空氣中的氮氣燃燒，其中NO所占比例最大，可達95%以上。[8-9]在船舶啟動時，NOx排放濃度瞬間快速上升(見圖2)；在船舶發動機轉速穩定后，NOx迅速下降到低谷值，并隨著主機轉速穩定，其瞬時排放濃度波動趨于平緩；當船舶主機轉速由低再次升高時，NOx瞬時排放量隨之再次上升。在整個主機做功的情況下，NOx排放率都比較大，這是由于船舶主機燃料燃燒溫度、含氧量和滯燃期時間都滿足高溫燃燒的條件。

2.3 SO2瞬時排放特征

船舶尾氣排放硫氧化物主要與燃料硫含量直接相關，與發動機類型和功率等無關。[10]根據深圳市沿海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%之內。在整個LNG船主機做功的情況下，SO2濃度遠低于0.5%的限值要求，符合ECA要求，SO2瞬時排放特征見圖3。當船舶主機轉速升高時，SO2排放量迅速上升，且隨著主機轉速的穩定，硫排放量與主機轉速呈負相關；當船舶主機轉速穩定在約700 r/min時，SO2的瞬時排放濃度波動較大，這可能是因為天然氣在燃燒時本身排放硫氧化物量較低，導致排放濃度太低，使在線設備監測能力受限。因此，天然氣燃料可作為替代傳統燃料類的一種。[11]

2.4 TVOC瞬時排放特征

揮發性有機物的排放量與燃燒溫度、壓力和燃空當量比等相關。[7]LNG燃料動力船舶燃料燃燒時，TVOC總體排放量相比柴油機船舶大幅降低。[12]在船舶發動機運行的整個過程中，TVOC呈上升趨勢，但排放瞬時濃度相對較低，在0.123～1.184 mg/m3范圍內。當船舶主機啟動運行約9 min時，TVOC略下降；在第13 min時，TVOC瞬時排放濃度又開始上升，這與主機轉速的變化趨勢相似，呈正相關，見圖4。船舶主機剛啟動時，短時間內汽缸內的反應壓力或溫度較低，導致TVOC排放濃度上升。

2.5 PM瞬時排放特征

PM是柴油機尾氣排放的主要污染物之一。[13]以LNG燃料的動力船舶內燃機燃燒時PM排放可下降90%[14-15]，LNG是一種較好的清潔能源。當船舶主機啟動時，PM瞬時排放濃度迅速上升；隨著主機運行至700 min時，PM瞬時排放濃度迅速下降至0.11 mg/m3；此后PM瞬時排放濃度穩定，當主機運行至第14 min時，PM瞬時排放濃度迅速上升后下降，這可能與改變主機轉速有關。LNG動力船舶(拖船)主機在整個運行過程中，PM瞬時排放濃度范圍在0.102～0.226 mg/m3，見圖5。與船舶柴油機排放的PM相比，LNG動力船舶排放量對港口大氣PM的貢獻率占比小于1%。[16]

圖5 PM瞬時排放特征圖

2.6 LNG動力船舶排放因數

排放因數采用“自上而下”的方式，計算出在線監測數據的中位值，其代表船舶主機整個運行期間的排放水平。LNG動力船舶主機為中速發動機，其排放因數見表2。船舶主機在整個啟動運行過程中，各污染物排放因數均較低，其中PM的排放幾乎為零。

表2 排放因數 g/kg

目前，國內LNG動力船舶污染物排放因數數據仍是空白，此次船舶測試數據可為后續研究提供參考。

3 結束語

本文通過對LNG動力船舶大氣污染物排放進行在線監測，并結合主機轉速等關鍵參數，采用“碳平衡法”計算了船舶各污染物排放因數，得到以下結論：

1)基于LNG動力船舶尾氣在線監測，獲得LNG動力船舶大氣污染物排放規律特征。當船舶主機啟動時，船舶尾氣污染物排放濃度波動較大。隨著船舶主機轉速穩定，各種大氣污染物瞬時排放濃度趨于平緩，說明在穩定的船舶工況條件下，主機燃燒燃料比較充分且穩定。

2) 以液化天然氣為燃料的船舶，尾氣排放值均較低，其中NO、NO2、TVOC和PM的排放量幾乎沒有，計算所得其排放因數分別為1.503 g/kg、0.413 g/kg、0.072 g/kg和0.001 g/kg。由此可知：LNG動力船舶各污染物排放因數均較低，表明該燃料是一種發展潛力巨大的清潔燃料。