船舶黑煙管控與監(jiān)管研究

劉海英,張翰林,唐海田,彭士濤,胡健波,鄧孟濤

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心 水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456;2.國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,煙臺 264006)

船舶大氣污染防治是綠色航運發(fā)展的重要組成部分,是航運業(yè)貫徹落實黨中央、國務(wù)院關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)和打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要舉措,涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括SOx排放相關(guān)的GB17411《船用燃料油》和其他污染物排放相關(guān)的GB15097《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》[1]。前者按船舶類型設(shè)定了船用燃料油的硫含量限值[2],后者按發(fā)動機等級設(shè)定了一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C、氮氧化物NOx等污染物的排放限值[3]。為持續(xù)改善沿海和內(nèi)河港口城市空氣質(zhì)量,交通運輸部在珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀) 水域船舶排放控制區(qū)(簡稱“排放控制區(qū)”)實施取得了明顯的成效后,于2018年印發(fā)了《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》[4],嚴(yán)控SOx、NOx、PM和VOCs等污染物排放,并規(guī)定了使用低硫燃油、靠港使用岸電等措施[5-6]。

然而,由于船舶運營期間的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)缺失,船舶大氣污染防治仍面臨巨大的壓力,尤其是老舊船舶的冒黑煙現(xiàn)象。當(dāng)下航運企業(yè)對于船舶大氣污染防治的主動責(zé)任意識不強,只把船舶冒黑煙現(xiàn)象視為發(fā)動機性能下降導(dǎo)致的經(jīng)濟、安全問題的一個表征[7],“帶病航行”附帶產(chǎn)生的船舶大氣污染問題長期被忽視。英美等發(fā)達國家已將船舶冒黑煙控制納入當(dāng)?shù)貓?zhí)法體系,我國香港特別行政區(qū)的《船舶及港口管制條例》、臺灣地區(qū)的《交通工具空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和上海市的《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為,并制定了相應(yīng)的罰則[8]。

HC和PM排放污染嚴(yán)重的船舶黑煙現(xiàn)象應(yīng)是我國船舶大氣污染防治的重要工作內(nèi)容,但目前船舶運營期的船舶黑煙管控要求尚未在全國推開,配套的監(jiān)管技術(shù)研究與應(yīng)用也較少[8-11],導(dǎo)致已經(jīng)在機動車黑煙治理中成熟應(yīng)用的柴油機氧化催化器(DOC)和顆粒物捕集器(DPF)等尾氣后處理裝置未能在船舶上應(yīng)用。而機動車黑煙治理取得成效的關(guān)鍵在于存在運營期的排放管控政策與監(jiān)管措施,包括機動車尾氣排放年檢制度、尾氣遙測技術(shù)和黑煙車抓拍技術(shù)等。有必要借鑒陸地上的固定污染源與移動污染源的黑煙治理經(jīng)驗,推動船舶黑煙管控政策與監(jiān)管技術(shù)的發(fā)展。

本文通過介紹船舶黑煙的成因與危害、國內(nèi)外船舶黑煙管控要求、國內(nèi)陸上黑煙監(jiān)管的經(jīng)驗,提出了我國船舶黑煙管控與監(jiān)管的展望與建議。

1 船舶黑煙的成因與危害

1.1 船舶黑煙的成因

黑煙是燃油不完全燃燒的產(chǎn)物,沒有形成確切的定義,但有通俗的視覺判定標(biāo)準(zhǔn)。美國環(huán)境保護署(EPA)對黑煙的定義是“沒有主色調(diào)、視覺上較暗的煙霧”,而我國一些城市對機動車黑煙的定義是“有明顯可見煙度或煙度值超過林格曼1級”。鑒于林格曼黑度也是一種基于視覺的黑度判定標(biāo)準(zhǔn),因此黑煙的定性或定量的判定標(biāo)準(zhǔn)是基于視覺,可以視黑煙為HC和PM污染嚴(yán)重至肉眼可見的尾氣排放現(xiàn)象。

黑煙產(chǎn)生的具體原因十分復(fù)雜,可以分為燃油質(zhì)量問題和發(fā)動機系統(tǒng)問題兩大類。燃油質(zhì)量問題相對簡單,主要是因為使用的燃油粘度過大(特別是重質(zhì)燃油)或者質(zhì)量太差,導(dǎo)致不易著火,使得排氣冒黑煙[12]。發(fā)動機系統(tǒng)問題相對復(fù)雜,又可分為產(chǎn)品問題和運維問題。產(chǎn)品問題源自標(biāo)準(zhǔn)缺陷,GB15097《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》只規(guī)定了發(fā)動機產(chǎn)品在穩(wěn)工況下的排放限值,未考慮變工況的排放情況,使得船舶在靠離泊、提速時幾乎必然冒黑煙。運維問題源自發(fā)動機多年運行甚至是超負(fù)荷運行后引起產(chǎn)品劣化,供油、燃燒、進氣和排氣這4個子系統(tǒng)和環(huán)節(jié)運維不當(dāng)均會引起冒黑煙現(xiàn)象[7]。供油系統(tǒng)的問題包括供油提前角不正確、噴油泵堵塞或出油閥嚴(yán)重磨損、噴油器(嘴)霧化不良或卡死、噴油泵調(diào)速器彈簧力不足、噴油泵供油量太大等問題。燃燒系統(tǒng)的問題包括活塞頂間隙偏大、氣閥密封線嚴(yán)重變形或磨損、氣閥座圈凹入太深、氣閥間隙不正確、活塞與缸套磨損過大等問題。進氣系統(tǒng)的問題包括空氣濾清器臟污或使用了劣質(zhì)空氣濾芯、堵塞或管道太長等導(dǎo)致的進氣阻力增加等問題。排氣系統(tǒng)的問題包括排氣管過細(xì)、過長或消音器不合適等導(dǎo)致的排氣阻力增加等問題。

黑煙現(xiàn)象始終存在的外部原因是缺少相關(guān)的管控政策與監(jiān)管措施。船舶黑煙的成因與柴油車黑煙十分相似,區(qū)別僅在于發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)速等。因此,船方重視發(fā)動機的運維和使用燃油的品質(zhì),有利于減少船舶黑煙現(xiàn)象。另外,加裝氧化催化器(DOC)和顆粒物捕集器(DPF)等尾氣后處理裝置可大幅度減少船舶黑煙排放。根據(jù)筆者向上海海事局的調(diào)研獲悉,《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為后,黃浦江上船舶冒黑煙現(xiàn)象明顯減少。另根據(jù)筆者向多家機動車和船舶尾氣后處理企業(yè)調(diào)研獲悉,均擁有較為成熟的船舶黑煙處理裝置,但因缺少管控政策,因此沒有大規(guī)模的市場需求。

1.2 船舶黑煙的危害

船舶黑煙的危害根據(jù)危害成分和影響區(qū)域大致分為兩大類,一類是船舶黑煙中的碳黑在北極航道加速冰川融化,另一類是船舶黑煙中的大量顆粒物排放在穿城河道給沿線居民帶來的視覺惡感和空氣污染。

北極航道船舶黑煙加速全球氣候變化[13]。船用重質(zhì)燃料油或劣質(zhì)柴油中雜質(zhì)較多,釋放出的黑煙通過降雪的方式覆蓋在冰川的表面,加速太陽輻射的吸收,以致冰川加速融化,加劇了全球氣候變暖對北極的負(fù)面影響。南北兩極水域均受國際海事組織(IMO)極地組織的管轄,2011年通過了在南極禁止使用重質(zhì)燃油的禁令,目前正在推動2024年后全面禁止在北極使用和運輸重質(zhì)燃料油。

穿城河道船舶黑煙加重城市空氣污染[14]。船舶黑煙是一種極為嚴(yán)重的HC和PM排放現(xiàn)象,也是穿城河道沿線居民對船舶大氣污染反映問題最多的現(xiàn)象之一。理論上,船舶大氣污染物減排的第一步應(yīng)是管控船舶黑煙,因其是肉眼可見的嚴(yán)重污染現(xiàn)象。該問題屬于國內(nèi)環(huán)境問題,對我國長江、西江、京杭運河等內(nèi)河航運發(fā)達的省市空氣質(zhì)量影響較大,尤其是在穿城河道段。我國香港特別行政區(qū)、臺灣地區(qū)和上海市對船舶黑煙管控走在全國的前列,已取得了“為民辦實事”的良好反響。

2 國內(nèi)外船舶黑煙管控要求

國內(nèi)外關(guān)于船舶黑煙管控的共同點都是采用林格曼黑度法這一視覺黑度指標(biāo)作為判定依據(jù)。雖然林格曼煙氣黑度與煙氣中的HC和PM沒有準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系,但是這一方法具有成本低、可操作性強的優(yōu)點,被國內(nèi)外普遍采用。國內(nèi)外船舶黑煙管控的嚴(yán)格程度與處罰力度則有所不同,本文分國外和國內(nèi)分別展開詳細(xì)的介紹。

2.1 國外船舶黑煙管控要求

美國多個州對船舶黑煙排放出臺了管控標(biāo)準(zhǔn)。美國阿拉斯加州《船舶可見污染物標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：船舶在本州海岸線3 min之內(nèi)排放的煙氣不透光度不能高于20%(林格曼黑度1 級)。德克薩斯州規(guī)定：船舶煙氣的不透光度不能連續(xù)5 min超過30%(林格曼黑度1.5級)。美國《加利福尼亞健康與安全法典》第41701條規(guī)定：所有排放源(包括船舶)的煙氣林格曼黑度不能連續(xù)3 min及以上超過2級,否則視為違法。

英國在《清潔空氣法案1993》第1部分第3條中對黑煙做了明確定義,即煙氣的林格曼黑度2級及以上。船舶如果在英國領(lǐng)海水域違反此項規(guī)定,可能面臨高達5 000英鎊的罰款處罰。

迪拜政府于2014年7月2日發(fā)表聲明,呼吁所有船舶確保在港口期間嚴(yán)格遵守其關(guān)于空氣排放的規(guī)定。所有停靠迪拜港口的船舶都必須遵守當(dāng)?shù)氐腜CFC-EHS 港口和海事法規(guī),以遏制該地區(qū)的空氣污染,包括船舶黑煙。

新加坡海事和港口管理局(MPA)于2019年3月發(fā)布通函,要求船東采取所有必要的措施,以防止船舶在其整個港口停留期間排放過量的黑煙。如果未能遵守這項規(guī)定,可能會被起訴,一旦被定罪,可能面臨高達5 000新元的罰款處罰。

2.2 國內(nèi)船舶黑煙管控要求

香港特別行政區(qū)的《船舶及港口管制條例》(第313章)及《商船(本地船只)條例》(第548 章)規(guī)定：船舶(包括非本地船舶和本地船舶)在香港水域內(nèi)排放黑煙屬于一種犯罪行為。但是,該規(guī)定對黑煙排放限值未做明確定義,且沒有根據(jù)船舶類型及其違規(guī)歷史制定不同的罰款標(biāo)準(zhǔn)。香港政府于2014年出臺的《船舶黑煙管制條例》修訂版規(guī)定：若船舶3 min及以上時長連續(xù)排放的煙氣黑度為林格曼黑度2級及以上,則視為違法行為,本地船舶和遠洋船舶可分別處以10 000～25 000港幣和25 000～50 000 港幣的罰款。

臺灣地區(qū)于2006年出臺的《交通工具空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第8條規(guī)定：允許主機功率3 000 kW以上的船舶啟動時20 s內(nèi)和3 000 kW以下的船舶啟動時10 s內(nèi),排煙目測透過率不超過60%(相當(dāng)于林格曼黑度3級);其他時段的排煙目測透過率不超過40%(相當(dāng)于林格曼黑度2級)。

上海市制定實施的《上海市大氣污染防治條例》第38條第5款規(guī)定：在本市行駛的機動車、船不得排放明顯可見的黑煙。第85條第2款規(guī)定：違反本條例第38條第1款、第5款規(guī)定,在本市行駛的機動船向大氣排放污染物超過規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)或者排放明顯可見黑煙的,由海事部門責(zé)令改正,可以處1 000～10 000元罰款;情節(jié)嚴(yán)重的,處10 000～50 000元罰款。

江蘇省第十三屆人民代表大會常務(wù)委員會第三十三次會議通過《江蘇省長江船舶污染防治條例》,于2023年3月1日起施行。條例明確規(guī)定：船舶應(yīng)當(dāng)加強主機、輔機設(shè)備維修保養(yǎng),使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)或者要求的燃油。尾氣排放應(yīng)當(dāng)符合國家大氣污染物排放控制要求,且不得排放明顯可見的黑煙。

3 我國陸上黑煙監(jiān)管的經(jīng)驗

隨著我國對改善空氣質(zhì)量的不斷重視和污染治理攻堅戰(zhàn)的持續(xù)開展,陸上固定污染源和移動源的冒黑煙現(xiàn)象已經(jīng)得到了有效的根治,這離不開強有力的監(jiān)管措施保障。船舶黑煙監(jiān)管與固定污染源和移動源黑煙監(jiān)管的共同點是都采用同樣的視覺判定標(biāo)準(zhǔn),特點在于船舶是移動源且在水上航行。船舶黑煙的觀測背景與固定污染源相同,都以天空為背景,但船舶是移動目標(biāo),增加了觀測難度。船舶與機動車都是移動污染源,黑煙監(jiān)管技術(shù)都需要適應(yīng)目標(biāo)移動狀態(tài)下的觀測,但是移動車黑煙的觀測背景是路面,無法直接照搬用于船舶。因此,船舶黑煙監(jiān)管技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的進展也相對滯后,可借鑒陸上黑煙監(jiān)管經(jīng)驗,并研發(fā)獨有的黑煙監(jiān)管技術(shù)。

3.1 固定污染源黑煙監(jiān)管

針對固定污染源冒黑煙現(xiàn)象,我國曾經(jīng)在工業(yè)鍋爐、電廠鍋爐、工業(yè)爐窖、垃圾焚燒爐等排放標(biāo)準(zhǔn)中,對煙氣黑度都規(guī)定了具體限值,但當(dāng)時尚未制定標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法[15]。2003年,環(huán)境保護總局組織編寫的《空氣與廢棄監(jiān)測分析方法》(第四版)對煙氣黑度的檢測方法做了規(guī)定,把林格曼煙氣黑度圖法作為統(tǒng)一推薦的方法,但還存在技術(shù)細(xì)節(jié)不嚴(yán)謹(jǐn)、操作隨意性大、結(jié)果可靠性不足等問題,對后續(xù)的監(jiān)管與執(zhí)法帶來了困難。

為了健全環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范體系,促進環(huán)境監(jiān)測的規(guī)范化和科學(xué)化,我國于2007年制定了HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》[16],對觀測位置和條件、觀測方法、計算方法、質(zhì)量保證措施等予以規(guī)定,統(tǒng)一了固定污染源煙氣黑度檢測要求。

3.2 移動污染源黑煙監(jiān)管

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,我國機動車保有量與日俱增,機動車尾氣在大氣污染中的占比不斷攀升;其中,柴油車的NOx和PM在機動車中的占比高達80%。為深入貫徹《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的要求,2019年1月,我國多部委聯(lián)合印發(fā)了《柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》[17],制定了柴油貨車NOx和PM排放總量明顯下降的目標(biāo),就黑煙而言,具體目標(biāo)是“基本消除柴油車排氣口冒黑煙現(xiàn)象”。該計劃除了加大抽檢力度,同時推進監(jiān)控體系建設(shè)和應(yīng)用,采用道路遙感監(jiān)測、年檢機構(gòu)聯(lián)網(wǎng)、車上遠程排放監(jiān)控以及隨機路檢等手段,建設(shè)“天地車人”一體化的機動車排放監(jiān)控體系。

2017年7月,環(huán)境保護部發(fā)布了HJ 845《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術(shù)要求(遙感檢測法)》,規(guī)定了林格曼黑度1級和不透光度30%的限值。目前,林格曼黑度的檢測方法主要有3種,分別是林格曼標(biāo)準(zhǔn)圖譜法、光電測煙儀法和基于視頻拍攝的遙感檢測法(黑煙車電子抓拍技術(shù))[18]。林格曼標(biāo)準(zhǔn)圖譜法最原始,直接沿用了HJ/T398《固定污染源排放煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》中規(guī)定的方法,對于快速移動的柴油貨車,存在觀測難度大(目標(biāo)不固定)、觀測角度難尋(以天空為背景)、人員需求量大、結(jié)果客觀性差的問題。光電測煙儀法利用光的透射率變化反推尾氣的林格曼黑度,具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性好、反應(yīng)時間快等優(yōu)點,基本可以滿足柴油貨車高速行駛狀態(tài)下的檢測需要,但是需要時常維護以減少顆粒物附著的影響。基于視頻拍攝的遙感檢測法[19]基于采集的一定時長的視頻,運用光流矢量、色彩紋理及動態(tài)建模等算法識別柴油貨車排放的煙氣,并將其與林格曼標(biāo)準(zhǔn)圖譜對比,從而量化煙氣的林格曼黑度值,是先進的動態(tài)圖像識別技術(shù)在該領(lǐng)域中的應(yīng)用,具有自動化和智能化的特點,目前應(yīng)用較為廣泛。

4 船舶黑煙管控與監(jiān)管的展望與建議

4.1 加快制定船舶黑煙管控政策

2021年11月2日,黨中央、國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》,治理污染的決心堅定不動搖。船舶大氣污染防治也在近年來取得了一定的成效,船用燃料油和發(fā)動機排氣標(biāo)準(zhǔn)以及排放控制區(qū)政策實施后,沿海沿江城市的空氣質(zhì)量有了一定的改善。但是,相比陸上固定和移動大氣污染源治理進展,船舶大氣污染防治進度與效果相對滯后。尤其是船舶黑煙治理,更是長期處于被忽視的狀態(tài)。建議在香港特別行政區(qū)、臺灣地區(qū)和上海市的船舶黑煙管控經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,參照《柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》,加快制定國家層面的船舶黑煙管控政策,盡快消除船舶冒黑煙現(xiàn)象。

4.2 加快建立船舶黑煙檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)有少量的船舶黑煙檢測研究文獻報道,均采用林格曼黑度法,但尚未有專門的船舶黑煙檢測標(biāo)準(zhǔn)。我國固定污染源和以柴油貨車為代表的移動污染源的黑煙檢測已有成熟的標(biāo)準(zhǔn),冒黑煙現(xiàn)象的監(jiān)管有法可依。船舶黑煙的特點介于這兩者之間,與固定污染源的相同之處是宜以天空為觀測背景,與柴油貨車的相同之處是目標(biāo)處于移動狀態(tài)。因此,可以在借鑒HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》和HJ 845《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術(shù)要求(遙感檢測法)》的基礎(chǔ)上,根據(jù)船舶水上航行的特點和船舶發(fā)動機的排放特征,建立船舶黑煙檢測標(biāo)準(zhǔn),讓針對船舶黑煙監(jiān)管的具體執(zhí)法操作有標(biāo)準(zhǔn)可依。

4.3 多部委合作治理船舶黑煙

不同工況下船舶黑煙的產(chǎn)生原因不同,治理的思路和角度也有明顯的差異。在港口的現(xiàn)場觀測可以發(fā)現(xiàn),大部分船舶在變工況的過程中冒黑煙而在巡航過程中不冒黑煙。對于變工況冒黑煙現(xiàn)象,建議修訂船舶發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn),增加考慮變工況這一情形;對于巡航冒黑煙現(xiàn)象,建議在制定船舶黑煙管控政策和檢測標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,加強海事監(jiān)管,督促船方重視發(fā)動機保養(yǎng)與運維。

4.4 推動船舶黑煙治理與監(jiān)管技術(shù)研發(fā)應(yīng)用

建議借鑒柴油貨車黑煙治理經(jīng)驗,研發(fā)并推廣應(yīng)用船用尾氣顆粒物捕集等尾氣后處理技術(shù),為船舶發(fā)動機加裝“口罩”,同時根治變工況和巡航狀態(tài)下的船舶冒黑煙現(xiàn)象。建議借鑒林格曼黑度計、黑煙車抓拍系統(tǒng)等陸上成熟產(chǎn)品,研發(fā)適用于船舶特點的黑煙檢測工具或抓拍系統(tǒng),為海事監(jiān)管提供先進技術(shù)支撐。