基于嗅探技术的船舶尾气固定监测平台研究

张亚朋 倪训鹏 张 剑 徐舜吉

一、背景

目前，无论是国际公约还是相关地区及国家的法律法规，对于船舶大气污染物特别是硫氧化物的排放要求都越来越严格，关于船用燃油硫含量的法规相继出台并不断修订实施。如根据MARPOL公约附则Ⅵ第14.4条规定，在排放控制区内的船舶所使用的燃油硫含量不得大于0.10%（m/m）。根据MEPC.305（73）决议，自2020年3月1日开始船上使用或者携带使用的燃油硫含量不允许超过0.50%（m/m）。同时一些国家或地区也相继开始设立排放控制区，对船舶硫氧化物排放控制提出了更高的要求，例如欧盟法规要求在其港口停泊（包括锚泊、系浮筒、码头靠泊）超过2小时的船舶不得使用硫含量超过0.10%（m/m）的船用燃油；根据《船舶大气污染物排放控制区实施方案》（交海发〔2018〕68号）在我国沿海排放控制区范围内的船舶使用燃油的硫含量不得超过0.50%（m/m）。

船舶排放控制区政策的落实，需要强有力的监管手段作为保障。自交通运输部在2015年底发文设立船舶排放控制区以来，针对排放控制区内的船舶监管，各级海事管理机构进行了不同程度的探索。目前海事部门主要通过现场执法过程中对燃油质量、供受油单证、记录文书等控制区相关要求内容的检查，并视情况进行燃油取样检测的方式实现对排放控制区船舶燃油硫含量的监管。但目前这些监管手段存在检查目标比较随机、针对性不强、效率相对较低等缺点。如何充分利用最新的科技成果，自动识别尾气中污染物排放量较高的船舶，指导海事现场执法，是现阶段急需进行的研究。

二、嗅探技术在船舶大气监测方面的应用情况分析

目前，按监测技术不同，对空气环境监测手段分为嗅探技术、光学传感和激光雷达遥测三类。激光雷达遥测主要应用于测量空气中颗粒物的浓度，嗅探技术和光学遥测主要测量空气环境中污染气体的浓度。

嗅探技术是通过传感器采集空气质量信息，实现一定区域、点内主要污染物信息的采集。从嗅探器大小上区分，嗅探技术分为传统嗅探器技术和微型嗅探器技术两种；从能否移动区分，嗅探技术可分为嗅探技术固定监测（搭载平台为桥梁、岸基）和嗅探技术移动监测（搭载平台为无人机、直升机、固定翼飞机等飞行设备）。例如，根据各国水域港口的具体情况，欧洲ECA内的港口国采取了不同的监测技术对ECA内在航船舶进行监管。其中使用的嗅探技术有比利时嗅探技术移动监测（定翼机机载嗅探器）、荷兰嗅探技术固定监测（岸基嗅探器和定翼机机载嗅探器）、丹麦嗅探技术固定监测（Great Belt Bridge岸基嗅探器）和嗅探技术移动监测（直升机机载微型嗅探器）、欧洲海事局嗅探技术移动监测（长程无人机机载微型嗅探器）、德国嗅探技术固定监测（岸基嗅探器）。

欧盟对不同监测技术的效果研究后发现：在排放控制区内使用嗅探技术对在航船舶监管能提高登船检查的效率，提高监督工作的阻吓性。例如，根据比利时2017年PSC抽样统计检查发现，使用嗅探技术监测后，发现违规燃油硫含量超标船舶查实率由不使用嗅探技术监测时的2.7%提升至7.3%，使用嗅探技术监管对燃油硫含量超标船舶的查实率提升了近166%。在2017年，比利时PSC对使用嗅探技术监管发现的所有警报中的40%进行了确认，从而验证嗅探技术能大大提升PSC检查效率。经过成本效益分析后发现，对排放控制区内在航船舶监管，使用嗅探技术比不使用嗅探技术可节约33%的成本。

由于我国自2016年才开始设立船舶排放控制区，排放控制区的监管起步较晚，目前在上海、天津、宁波、深圳等地试行使用的基于嗅探技术的固定监测设备均处于试验阶段，还未取得比较成熟的、可以复制推广的经验。

三、固定监测平台的构建

在码头、航道岸边或桥梁处等区域科学布设基于嗅探技术的固定监测仪，并形成固定点监测网络，以实现对周边船舶污染物排放的全方位连续性监测。监测结果将及时发送给海事相关部门，并为海事有效监测港区码头、航道水域的船舶大气污染物排放提供便利决策服务。

（一）基本原理

嗅探技术是基于传统的空气环境监测技术，通过利用提取设备（嗅探器）测量尾气烟羽内SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此获得燃油中的硫含量（%）。根据MEPC.259（68）废气清洗系统导则和相关的研究文献，船用燃油或柴油中碳含量约为87%。在发动机理想的工况下，假定燃油中的碳和硫全部燃烧分别转化为CO2和SO2，则燃油中的硫含量可用式（1）计算：

其中：SFC为燃油中的硫含量，A（S）为硫的相对原子质量，A（C）为碳的相对原子质量。

（二）船舶尾气中SO2、CO2和NO2的监测

基于嗅探技术的船舶尾气固定监测平台的嗅探器为意大利Unitec生产的ETL3000型空气质量监测仪（符合欧洲标准2008/50EC）。ETL3000是一款多参数监测站，采用Unitec SENS-IT传感器可持续户外污染物监测；同时为保证测量结果的高灵敏选择性，每一个SENS-IT传感器专门用来测量某一个成分的气体，并通过插口连接到数据记录装置。数据处理装置可以控制所有操作过程，包括持续数据获取（1秒获取一次数据）。

1.SO2气体浓度的测定

对于SO2气体的监测采用SENS-IT（EC，电化学技术）传感器，测量范围为5～10 000 ppb，测量精度为20 ppb。传感器由常温超导稀土金属（铋）元件高精度集成，当硫氧化物在被测区域内出现时，整个恒定的超高频常温超导谐振探测场就会被微弱扰动，中央处理器就会瞬间将这种微弱绕扰动信号进行数字化分析并迅速转换成模拟信号输出。由于常温超导稀土金属（铋）元件固有的超高频常温超导谐振特性（即超导高频常温超导谐振系数）只对硫氧、氮氧（SOx、NOx）黑烟量敏感，所以超高频常温超导谐振探测场只对污染气体的微弱扰动产生信号反应，而不会被其他气体成分造成交叉干扰，从而能在很短的时间内获取所探测尾气中硫氧化物含量的信息。

2.NO2气体浓度的测定

对于NO2气体的监测采用SENS-IT（TF-MOS，厚膜金属氧化半导体技术）传感器，测量范围为10～250 ppb，测量精度为10 ppb。传感器的活性表面是纳米结构的半导体金属氧化物，传感器表面发生的第一个反应是大气中氧的吸附，由此从氧分子到半导体产生电荷转移。第二个反应是NO2气体与吸附的氧发生反应（氧化还原反应），使得电子在半导体的传导带中进行释放。通过提取这些反应中所产生的电流信号，即可计算出NO2的浓度。

3.CO2气体浓度的测定

对于CO2气体的监测采用SENS-IT（IR，红外线技术）传感器，测量范围为10～5 000 ppm，测量精度为50 ppm。SENS-IT（IR，红外线技术）传感器是通过监测CO2分子吸收的红外线辐射数量来测量CO2的浓度。

（三）确定船舶尾气烟羽经过固定监测点的方法

当船舶尾气烟羽飘过固定监测点时，嗅探器监测到的SO2、CO2的浓度会有一个上升及下降的过程，最大浓度点即为极值点。固定监测点测得的极值点峰值则是当时船舶尾气扩散至固定监测点时的各污染气体的浓度。因此，当固定监测点监测到SO2、CO2浓度出现极值点时，即表明有船舶尾气烟羽飘过固定点监测装置。船舶尾气烟羽经过固定点监测装置时，SO2、CO2浓度变化曲线如图1、图2所示。

图1 SO2浓度变化曲线

图2 CO2浓度变化曲线

图3 固定点组合监测设备系统结构图

（四）系统组成

在实际安装船舶尾气污染物排放固定监测点时，采用供电电源、污染物监测系统、信号传输系统一体化组合的办法将其安装到合适位置，组合监测设备结构示意图如图3所示。

单个固定监测点布设完成并正常运行后，固定监测点的“污染气体传感器系统”对该监测点附近所停靠的船舶的SO2、CO2、NO2等污染气体排放情 况进行监测，各监测点数据通过4G方式传输至大数据信息平台，大数据信息平台将从监测点得到的数据进行筛选处理，根据设定的阈值，提取大于阈值的监测数据，并综合监测点周围环境的风速风向等气象信息和AIS数据进行分析计算，定位出燃油硫含量疑似超标的船舶。然后大数据信息平台自动把筛选出的燃油硫含量疑似超标的船舶信息发送至海事主管机关信息发布平台。根据该船动态，对于欲靠本辖区的在航船舶，海事主管机关信息发布平台将通知执法人员登轮检查，执法人员在船抽取油样并送检监测。对于不在本辖区靠泊的过境在航船舶，海事主管机关信息发布平台将报警信息发送至该船的下一个目的港的海事主管机关，由其安排执法人员登轮检查。大数据信息平台数据处理原理如图4所示。

图4 大数据信息平台数据处理原理简图

（五）影响因素分析

1.污染气体间的交叉干扰因素

由嗅探器对气体的监测原理可知，嗅探器在对污染气体监测的过程中会出现污染气体之间的交叉干扰问题。例如，嗅探器在对SO2气体的监测过程中会受到NO2气体的干扰。一些研究表明，即使在嗅探器内设置了一些算法对监测的SO2气体浓度值进行修正，但污染气体中SO2气体的实际浓度也约为所测SO2气体浓度减去所测NO2气体浓度的1.2%后的值。

2.在航船舶与固定监测点距离及天气影响

船舶排放的尾气从船舶烟囱位置飘散至固定点监测位置的过程中，各污染物的浓度都在下降。因此，固定监测点嗅探器监测的船舶尾气的浓度与在航船舶之间的距离有关，距离越近测得的尾气浓度越高；反之，浓度越低。虽然理论上假定各污染物的浓度下降的速率相同，但实际各污染气体的浓度下降速率与当时的风速、空气温度、湿度有很大关系。如SO2会与空气中的水反应，若空气湿度太大，则船舶尾气烟羽中SO2气体浓度在扩散过程中下降速率变大。

3.大气背景值的影响

在计算所测尾气硫碳比时，式（1）中SO2（ppb）和CO2（ppm）值为嗅探器监测浓度值减去大气背景值。大气背景值偏高的话，将影响嗅探装置对污染气体的浓度的监测，以致监测的范围变小和精度变差。

由此可见，还需进一步研究并对固定监测点监测的数据进行修正处理。运用统计学原理，分析各方面因素影响的权重，确定最终的固定监测点自动报警时硫碳比的阈值。

四、固定监测平台应用中存在的问题

（一）从尾气中的数据推算出的船舶燃油硫含量的精确度有待提高

当前阶段，基于嗅探技术的船舶尾气固定监测平台研究处于初始阶段，通过监测在航船舶尾气中SO2（ppb）与CO2（ppm）的比值推算的燃油硫含量与实际上船进行燃油取样检测出的结果有一定出入，监测结果的质量或可信度有待提高。

（二）受季节性风向的影响，部分时间不能发挥作用

现阶段船舶尾气固定监测点位于外二期，码头沿线为东北—西南方向，当天气为西北风、西风和西南风时，在航船舶的尾气烟羽将不能经过固定点装置，此时，固定点装置将不起作用。上海地处江海交汇的长三角东部，位于东亚季风盛行的北亚热带地区，属于北亚热带季风气候。上海受冬夏季风进退影响，11月至翌年2月盛行冬季西北风，气候干燥寒冷；4月至8月盛行夏季东南风，气候暖热湿润，但7、8月间在西北太平洋副热带高压直接控制下，有时出现西南风高温干燥天气；3月和9月至10月的前期是季风转换的过渡季节，一般以东北风和东风为主，低温阴雨天气较多。因此在11月至翌年2月西北风和7、8月西南风期间，此固定点监测可能会不起作用。

（三）船舶流量大，导致目标船舶定位较难

辖区水域船舶流量大，交通密度高，在航船舶间距小。船舶排放的尾气容易相互混合，交叉干扰现象多，严重影响固定监测点对在航船舶尾气含量的测定以及对燃油硫含量超标船舶的定位。

五、对策措施

（一）综合考虑多重因素，合理确定报警阈值

在不影响船舶航行计划的情况下，尽可能多地对尾气烟羽经过固定点监测装置的船舶上船取样并检测。通过监测的数据计算出在航船舶燃油硫含量与实际船舶使用的燃油硫含量的对比，结合当时大气环境污染物背景值和风向、湿度等天气因素，不断试验，总结出不同情况下的修正系数，进一步确定硫碳比报警阈值，提升固定点监测装置监测结果的质量或可信度。

（二）合理选择固定监测布点数量和位置

国际上的一些研究表明，固定监测点对在200～500米范围内经过的船舶监测效果最好。因此，固定监测点布设选址需进行科学的论证试验，根据航道特点和进出船舶的特点，在排放控制区航道两岸之间的合适位置布设一定数量的嗅探式固定监测点，以解决受季节性风向影响而不能发挥作用的问题。

（三）统筹运用多种技术，提升监管的有效性

基于嗅探技术的船舶尾气固定监测平台对正在靠离监测点附近泊位或在监测点附近航行的船舶监管比较有效，但对远离固定监测点船舶的监管有一定的局限性。建议引进新型的固定点光学遥测仪器与固定点嗅探技术互补，并和无人机平台移动嗅探技术统筹并用，建立排放控制区内在航船舶的一体化的监测网络，搭建网格化监测系统，形成分布广泛的监测点位，提供更翔实的监测数据。例如，若船舶流量密度大，固定监测点只能定位燃油硫含量超标船舶范围，则根据实际情况，选择固定点光学遥测或无人机平台移动监测去进一步筛选定位燃油硫含量超标船舶。