通过尾气估算船用燃油硫含量的跟船嗅探法实验

胡健波，朱建华，彭士涛，赵宏鑫，洪宁宁,叶 寅

(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目前主流的船用燃油硫含量遥测方法[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。本文通过三天跟船嗅探法实验，证实了嗅探法的有效性以及一些需要注意的事项，并提出了进一步开展嗅探法远距离监测实验的建议。

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[6-9]；二是油中的C和S元素经过燃烧后绝大多数生成CO2[10]和SO2[11-12]，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 跟船嗅探法实验

2017年3月29日～2017年3月31日，在某造船厂的18万t新建大型散货船(图 1)出海试航期间，分别在主机烟囱阀门处和甲板上监测CO2和SO2的浓度波动，利用嗅探法估算燃油硫含量，并与采集的油样硫含量检测结果对比，分析嗅探法估算结果的精度与误差。

图1 实验货船及主机烟囱阀门和甲板上(驾驶舱与烟囱仓之间、船舷边)的监测位置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)

图2 2017年3月29日使用低硫油的船舶尾气及 背景CO2和SO2监测曲线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，船舶从码头驶出天津港到锚地，该过程中船舶使用0号轻柴油作为燃油。由于0号轻柴油的硫含量远低于重柴油的硫含量，为了能够测得一定SO2浓度的尾气，研究团队在主机烟囱上的一处开口安装阀门，人为控制放气近距离监测。开阀监测尾气浓度，关阀监测背景浓度。由于经阀门外溢的尾气团流量较小，为了保证CO2和SO2测得数据的同步性，SO2设备的进气口接延长管并与CO2设备的传感器捆绑，确保两个设备吸入同一位置的尾气。

2017年3月30日～31日，船舶离开锚地驶向大连，该过程中船舶使用高硫的重柴油。由于尾气中SO2浓度过高，远远超出了本次实验二氧化硫分析仪的量程，因此选择在船舶顺风航向期间的甲板上监测船舶尾气。研究团队选择在驾驶舱与烟囱仓之间的甲板上监测尾气浓度，在附近尾气未能扩散到的船舷边监测背景浓度。实验期间，定时(2～4 min)将仪器在尾气监测点和背景监测点之间来回搬动。为了确保CO2和SO2数据的同步以及避免实验人员呼吸对CO2监测结果的干扰，搬动仪器由1人左右手同时完成，且搬动过程中憋气。本次实验分2天进行了2次。

2 结果

2.1 2017年3月29日实验

2017年3月29日，船舶从码头驶出天津港到锚地。16时之前，船舶从码头到天津港锚地的航行期间，航速较低，极少量尾气能够从阀门主动溢出；16时之后，船舶在锚地绕圈测试，轮机转速加快产生大量尾气，部分尾气能够从阀门喷薄而出。从CO2和SO2监测曲线(图 2)可以看出，16时之前的尾气浓度较低，原因是溢出尾气量少，扩散到仪器处时已经稀释到了很低的浓度，仪器检测到了3个波峰；16时之后的尾气浓度较高，原因是喷出尾气量大，扩散到仪器处时浓度尚较高，仪器检测到SO2波峰2个，而CO2波峰大于2个(来自检测人员呼吸的干扰)。

表1 嗅探法测得的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个波峰推算得到的硫含量平均值为0.026%，标准差为0.007%(表 1)，而油样的硫含量真实值是0.03%。本次实验的5个波峰中，前2个波峰的SO2浓度稍高于背景值，容易产生较大的误差，结果也确实明显低于真实值；后2个波峰的SO2浓度明显高于背景值，结果与真实值之间的偏差都是0.001%。第3个波峰的浓度虽然也较小，但是足以得到接近真实值的结果。本次实验不仅通过嗅探法测得了船舶使用的轻柴油的硫含量，而且在一定程度上说明了嗅探法的前提要求，即能够测到较高浓度的尾气，形成明显的CO2和SO2浓度波峰。

图3 2017年3月30日使用高硫油的船舶尾气及 背景CO2和SO2监测曲线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日实验

2017年3月30日，船舶离开锚地驶向大连，该过程中船舶使用高硫的重柴油。从CO2和SO2监测曲线(图 3)可以看出，本次实验共计人为制造了13个波峰，其中第1个波峰忽略(两个仪器搬动不同步)，有效波峰数为12个。信号最弱的波峰是17:04:00～17:06:59这个时间段内的波峰，平均SO2浓度约20ppb。最窄的波峰是17:18:50～17:21:10之间的这2个波峰，监测时间较短且未能长时间连续监测背景值。这3个波峰产生在尾气监测点位和背景监测点位之间，为了与其它波峰比较证明较低浓度SO2尾气的有效性。

表2 嗅探法测得的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个波峰推算得到的硫含量平均值为2.10%，标准差为0.26%(表 2)，油样的硫含量真实值是2.23%。总体上，实验结果比较可靠，与真实值较接近。信号最弱的波峰的结果偏低，只有1.80%，而最窄的2个波峰结果十分接近真实值，分别是2.14%和2.46%。其他9个波峰明显的结果中，最低2个值是1.65%和1.79%，最高的值是2.81%。这3个波峰和其他9个波峰之间不存在明显的差别。本次实验不仅通过嗅探法测得了船舶使用的重柴油的硫含量，也说明嗅探法只要求尾气与背景之间存在比随机噪音更加明显的差别即可。

2.3 2017年3月31日实验

2017年3月31日，船舶继续使用高硫的重柴油。从CO2和SO2监测曲线(图 4)可以看出，本次实验历时5个多小时，共计人为制造了20多个波峰，去除数个SO2浓度超出了量程的情况以及数个CO2波峰和SO2波峰形状差别较大的情况，有效波峰数为19个。

表3 嗅探法测得的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个波峰推算得到的硫含量平均值为2.25%，标准差为0.29%(表 3)，油样的硫含量真实值是2.23%。总体上，实验结果比较可靠，与真实值较接近。本次实验不仅通过嗅探法测得了船舶使用的重柴油的硫含量，而且也证实了嗅探法的有效性。

3 结语

为了对嗅探法有初步的认识，本次实验在被测大型散货船的主机烟囱阀门处和甲板上开展，能够在十分近的距离监测尾气，确保能够成功估算燃油硫含量；而且实验期间船舶出海试船，周边不存在其它污染源的干扰，条件十分理想。本次实验通过嗅探法测得了船舶使用的轻柴油和重柴油的硫含量，证实了嗅探法的有效性，而且在一定程度上反映了嗅探法的前提要求，即能够测到较高浓度的尾气，形成比随机噪音更加明显的CO2和SO2浓度波峰。只要满足这个前提要求，估算结果的准确度与尾气浓度无关。

本次跟船嗅探法实验仅仅证明了可以通过监测船舶尾气中的CO2和SO2浓度估测燃油硫含量，但是并不建议直接用于船舶排放控制区内的高硫油船舶监管，主要原因在于登船的成本较高。欧美发达国家的经验是在狭窄航道的岸边、上跨桥梁等位置近距离监测过往船舶的尾气，或者驾驶飞机或操控无人机(搭载了尾气监测设备)主动追踪被测船舶的尾气。

建议学习欧美船舶排放控制区的嗅探法应用经验，依托我国沿海的典型港口在码头、灯塔等有条件建立嗅探法监测站的位置开展远距离嗅探法实验，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。

致谢：本实验的现场监测工作得到天津新港船舶重工有限责任公司的大力支持，在此表示感谢。