通过尾气估算船用燃油硫含量的岸基嗅探法实验

胡健波,朱建华,彭士涛,赵宏鑫,洪宁宁

(交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

2016年起，我国珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区正式启用，要求在十三五期间逐步实现排放控制区内的船用油硫含量不得高于0.5%的控制目标[1-2]。由于不同硫份含量的柴油之间存在较大的价格差异[3]，如果没有有效的监管方法，期望船主自觉使用更高成本的低硫柴油并不现实，海事部门如何检查船舶是否在排放控制区使用了低硫油是关键。

传统的方法包括检查航海日志中的换油记录、抽取油样检测等，存在登船难度大、检查效率低的问题。各国海事部门都对不登船、远程、快速的船用油硫含量遥测技术存在迫切需求，以实现高效、精准执法，使得船舶排放控制区的实施具备更强的可操作性[4]。西方发达国家已有十余年的船舶排放控制区管理经验，积累了不少相关技术的研究成果；通过查阅并梳理文献可知，嗅探法是国外研究并应用较多的船用燃料油硫含量遥测方法[5]。

在我国船舶排放控制区管理实践的起步阶段，引入并推广嗅探法十分必要。本文在天津港码头上开展岸基嗅探法实验，证实了嗅探法的有效性以及一些需要注意的事项，为建立基于嗅探法的全国排放控制区高硫油船舶监测网络打下扎实的基础。

1 方法

1.1 嗅探法原理

嗅探法是翻译自外国文献中的“Sniffing method”一词，字面直译为“闻法”，是通过闻味道的方式实现非接触探知远处释放味道物体本身的特征，故而翻译成“嗅探法”更加贴切。在本文中，嗅探法是通过船舶航行过程中排放的尾气实现不登船遥测船用燃油硫含量的目的，帮助海事部门识别排放控制区内违规使用高硫油的嫌疑船舶。

嗅探法基于3个假设：一是不同硫含量的船舶燃油中的碳含量差异不大，都是87%左右[6-8]；二是油中的C和S元素经过燃烧后绝大多数生成CO2[9]和SO2[10-11]，其它碳氧化物和硫酸盐的比例可以忽略；三是CO2和SO2随风扩散稀释但比例不变，分子量差异产生的沉降速率差异在随风扩散过程中可以忽略不计。基于以上假设，可以通过船舶下风向某处同步测量尾气的CO2和SO2浓度，反推油中的硫含量，公式如下

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

(1)

1.2 仪器设备

油品中的硫含量检测仪器是姜堰市高科分析仪器有限公司生产的ZXS-2000型 X荧光测硫仪，CO2监测仪器是美国LICOR公司生产的LI-6400XT型便携式光合仪(只用其环境CO2浓度数据)，SO2监测仪器是武汉市天虹仪表有限责任公司生产的TH-2002H型紫外荧光法二氧化硫分析仪。

1.3 岸基嗅探法实验

图1 实验场地——天津港南疆港区神华煤码头装卸机驾驶舱外Fig.1 The measurement location outside the cockpit of a loading crane on Shenhua coal terminal in Nanjiang part of Tianjin Port

选择天津港南疆港区神华煤码头的装卸机驾驶舱外作为实验场地，该处位置距离天津港主航道中心线300 m左右，通行船舶离监测点位的实际水平距离约100～500 m。该处距离码头地面高度27 m，离水面则不到30 m，高度比较理想，基本上能够与大吨位船舶的烟囱高度齐平。除了船舶尾气之外，该处周边数公里内无其他大型燃油、燃煤烟囱，港内机械和卡车等分散且排放量较小的尾气扩散至该处时已经完全融入到背景中，因此不存在会误判为船舶尾气的干扰源。

本次实验耗时2 d，分别是2017年4月25日(天气预报北风3～4级)和2017年4月27日(天气预报西北风3～4级转4～5级)，风向保证了该监测点位能够接收到通过北面天津港主航道进出港船舶的尾气。实验结束后，查询中国天气网滨海新区的整点风力风向实况数据，实验期间的风力风向数据与预报结果基本一致。在实验的同时，对有条件使用高硫油的大吨位船舶拍照并利用激光测距仪测距。实验期间，神华煤码头处有大型散货船正在装船作业，但是该船的烟囱位于监测点位的东面，在北风和西北风的条件下该船辅机尾气不会扩散至监测点位。

图2 天津港主航道过往船舶CO2和SO2监测曲线(2017年4月25日)Fig.2 CO2 and SO2 monitoring curves of the passing ships along the main channel of Tianjin Port (April 25, 2017)

2 结果

2017年4月25日，天气预报北风3～4级。本次实验共监测到6个较明显的SO2波峰，都有对应的CO2波峰，对应的是6艘较大吨位的散货船、油轮、集装箱船。由于风速较小，每艘船经过监测点上风向与航行方向交点处之后，需要等待2～4 min监测曲线才开始出现波峰。监测期间也间歇性出现过微风甚至无风的时期，船舶经过时无法形成信号波峰。另外，CO2监测曲线的波峰数量明显多于SO2，主要是因为港区内有大量的小型船舶过往，例如本次监测期间经过的这类船舶有中海油的船、供油船、海警船、拖轮等。这类船舶只用轻柴油，市面上正规的轻柴油的硫含量不超过0.035%，远低于高硫油的硫含量，因此只能形成CO2波峰，几乎无法形成明显的SO2波峰。

值得注意的是，本次实验实际上一直持续到当天15时，但是由于13时至15时之间的时间段内风速过小(便携式风速仪测得平均风速小于1 m/s)，尾气扩散至监测点时浓度过低无法检出，未能形成CO2和SO2波峰。本次实验充分证明了岸基嗅探法的一个必要前提条件，即要有风能够将尾气“吹”到监测点。

图3 天津港主航道过往船舶CO2和SO2监测曲线(2017年4月27日)Fig.3 CO2 and SO2 monitoring curves of the passing ships along the main channel of Tianjin Port (April 27, 2017)

2017年4月27日，天气预报西北风3～4级转4～5级。本次实验共监测到7个较明显的SO2波峰，都有对应的CO2波峰，对应的是7艘较大吨位的散货船、油轮、集装箱船。由于风速较大，每艘船经过监测点位上风向后约1～2 min内监测曲线开始出现波峰。其中，第一艘船的波峰比较宽，历时约3 min，主要是因为该船航速较慢；最后一艘船的波峰最宽，历时约5 min，主要是因为该船来自于天津港东疆航道(图 1中卫星影像中上部)，从西北方向进入主航道时航行方向与风向一致，导致这段航程中该船的尾气能够持续扩散至监测点。CO2监测曲线的波峰数量明显多于SO2，原因与4月23日的一致，这些额外的CO2波峰来自过往的只能使用轻柴油的小型船舶。有少数这类船舶的尾气较浓(可能距离监测点位近)，能够形成较弱的SO2波峰，如图 3中SO2监测曲线的3处鼓包。

值得注意的是，本次实验实际上一直持续到当天15时，但是由于13时至15时之间的时间段内风速过大(大于5级，现场实验人员有站不稳的感觉)，尾气出了烟囱后瞬间被稀释成极低的浓度，浓度低于仪器的检出限无法形成波峰，或者不明显的波峰淹没于随机波动的背景中；另外，风速快导致尾气在监测点位停留时间很短，可能会小于仪器的反应时间(尤其是SO2检测设备)，无法形成有效的CO2和SO2波峰。本次实验充分证明了岸基嗅探法的一个必要前提条件，即风速不宜过高。

3 结语

本次实验是在天津港码头上开展的监测距离和高度均比较理想的岸基嗅探法实验，虽然有较多的过往小型船舶的干扰，但是依然是一次比较成功的证明能够远距离通过尾气遥测船用油硫含量的实验。而且本次实验定性地反映了岸基嗅探法的必要风力条件，即风力不宜过大和过小，根据经验建议在2～5级风的适宜风速环境下开展监测。进一步的研究有必要通过尾气扩散数学模拟的方法，以0.5%硫含量的假想船舶，定量模拟风力条件与最大监测距离之间的关系，为我国岸基嗅探法监测站的选址提供更加科学的依据。

另外，本次实验并没有评估嗅探法测得结果的准确度及其影响因素，下一步的研究应当与海事部门合作，在利用嗅探法监测进港船舶之后，海事部门登船获取油样并检测得到准确的硫含量真实值。只有如此，才能够进一步摸清风力、距离、高度、仪器性能等对嗅探法效果的影响规律，充分掌握建站需要考虑的各种因素及其重要程度，为最终建立基于嗅探法的全国排放控制区高硫油船舶监测网络打下扎实的基础。而且只有掌握了嗅探法的不确定性，才能明确在0.5%硫含量结果的基础上上浮多少才有把握识别违规使用高硫油的船舶。