船舶柴油机黑炭排放因子测量

曾向明 魏存锋

摘要：为计算船舶柴油机黑炭排放的具体数量，评估船舶柴油机黑炭排放的现状，必须准确地测量出各种船舶发动机在不同燃油条件下的黑炭排放因子。利用船用二冲程柴油机台架，对柴油机尾气排放物进行监测，研究黑炭排放因子的测量与计算方法。对硫的质量分数分别为1.0%、0.5%、0.1%的3种燃油条件下的发动机黑炭及其他污染物排放进行实验研究，分析不同燃油对各污染物排放的影响。计算得出3种燃油条件下船舶黑炭基于做功的排放因子分别为9.12、7.51、1.34 mg/（kW·h），基于燃油消耗的排放因子分别为47.56、38.34、7.53 g/t，为船舶柴油机黑炭排放的相关研究提供依据。

关键词：

黑炭; 船舶柴油机; 排放因子; 碳平衡法; 排放清单

中图分类号：  U664.121

文献标志码：  A

Measurement of black carbon emission factor of marine diesel engines

ZENG Xiangming， WEI Cunfeng

（Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to calculate the specific amount of black carbon emission from marine diesel engines and evaluate the current status of black carbon emission from marine diesel engines， it is necessary to accurately measure the black carbon emission factors of various marine engines under different fuel conditions. Marine two-stroke diesel engine benches are used to monitor exhaust emission of diesel engines and study the measurement and calculation methods of black carbon emission factors. The engine black carbon and other pollutant emission under fuels of 1.0%， 0.5%， and 0.1% mass fraction of sulfur is experimentally studied， and the influence of different fuels on the emission of various pollutants is analyzed. The ship black carbon emission factors based on power of engines under the three fuel conditions are 9.12， 7.51 and 1.34 mg/（kW·h）， respectively， and the emission factors based on fuel consumption are 47.56， 38.34， and 7.53 g/t， respectively， which provide a basis for the relevant research on black carbon emission from marine diesel engines.

Key words：

black carbon; marine diesel engine; emission factor; carbon balance method; emission inventory

收稿日期： 2020-08-28

修回日期： 2020-12-22

基金項目： 上海市科技计划（20DZ2252300）

作者简介：

曾向明（1979—），男，湖北石首人，副教授，博士，研究方向为船舶发动机节能减排、现代轮机工程，（E-mail）xmzeng@shmtu.edu.cn

0 引 言

20世纪50年代，伦敦烟雾事件引起了各国相关专家对黑炭气溶胶气候和环境效应的关注[1]。黑炭是含碳物质不完全燃烧的产物，可在大气中留存数日至几周，是大气气溶胶的重要组成部分。黑炭对太阳辐射中的可见光和部分红外光有很强的吸收能力，是大气中温室效应仅次于二氧化碳的一种重要成分[2-3]。由黑炭引起的海冰缩退和雪面反照率所带来的气候效应是二氧化碳的3倍，黑炭气溶胶的存在加速了北极和我国青藏高原冰川的融化[4]。黑炭属于颗粒物的成分之一，可以进入人的呼吸系统，减弱肺的清理功能，危害人体健康，引发哮喘、心血管疾病和某些癌症[5]。

国际航运承担了80%以上的全球贸易量，航运在源源不断地为我们输送大量价廉物美商品和原材料的同时，也会产生气态污染物（NOx、SOx等）和以黑炭为主的颗粒物，因此，黑炭是航运业应对气候变化需要致力于减少的主要对象[6]。

目前许多学者对汽车的黑炭排放因子进行了详细研究，但由于船舶柴油机的结构和燃油燃烧质量标准与汽车的有很大不同，并不能完全参照汽车黑炭排放来评估船舶的黑炭排放。国际上已有一些学者对船舶柴油机黑炭排放展开研究，芬兰VTT技术研究中心[7]使用一台瓦锡兰四冲程柴油机对硫质量分数分别为0.1%、0.5%、2.5%的燃油和B30掺混生物柴油在25%、75%两种负荷下进行黑炭排放研究，发现25%负荷下的黑炭排放显著高于75%负荷下的黑炭排放，黑炭的排放与发动机负荷和燃料性质有关而与燃料硫含量无关。TIMONEN等[8]对两艘装有选择性催化还原系统和脱硫塔的巡航船排放进行测试，发现船舶脱硫塔在有效减少SOx排放的同时还可以减少颗粒物和芳香烃的排放，但对黑炭排放的影响并不明显。以上关于船舶黑炭排放的研究都是在船舶四冲程柴油机上进行的。目前国际航运中用于船舶推进的发动机主要是二冲程柴油机，其结构和燃烧过程与四冲程柴油机的有很大差别，柴油机排放因子也会有较大不同，因此开展关于船舶二冲程柴油机黑炭排放的研究十分必要。

本试验采用硫质量分数分别为1.0%、0.5%、0.1%的3种燃油（前两种主要是残渣油，第三种为馏分油）在船舶二冲程柴油机台架上进行试验，得出燃油硫含量不同时船舶柴油机黑炭及常规气体的排放量。参考船舶发动机排气污染物排放限值和测量方法，对于按推进特性运行的船用主机，将其各工况下排气的各种成分进行加权处理，得到燃油硫含量不同时柴油机排气的各种成分的排放因子。

1 试验设备和测量仪器

1.1 台架试验设备的选择

试验在上海海事大学船用二冲程发动机台架上进行。该试验台架配备有水力测功仪和可以精确计算燃油消耗率的燃油质量流量计。试验室配备有荧光硫含量检测仪，用于检测燃油硫含量。另外，实验室还安装了自制的数据采集系统，能对试验过程中发动机主要参数、功率、油耗情况进行实时记录，相关设备参数见表1。

1.2 黑炭测试仪器

2017年IMO污染防治与响应分委会（PPR）深入讨论了由芬兰和荷兰联合提交的船舶黑炭排放的几种测量方法，确定了滤纸式烟度值（filter smoke number，FSN）法、光声光谱（photoacoustic spectroscopy，PAS）法和激光诱导炽光（laser induced incan-desence，LII）法是适用于国际航运的测量船舶黑炭的方法[9]。FSN法具有很高的可靠性和鲁棒性，易于使用，已经被黑炭研究人员广泛使用。

本文试验采用FSN法测量船舶黑炭排放，选用的测量设备为testo-338烟度检测仪。该烟度检测仪质量浓度检测范围为为0～70 mg/m3，分辨率为0.01 mg/m3，具有结构紧凑、操作简单、测试方便的优点。

BSU是烟度的单位，清洁滤纸的染黑程度由0～10 BSU表示。用FSN法测量获得的滤纸染黑程度，也就是烟度，与实际排气中的黑炭质量浓度存在一定的关系，这是因为烟度表征的是排气颗粒中的“炭”颗粒含量。testo-338烟度检测仪也采用国际通用的烟度与黑炭质量浓度的转化关系式[10]：

ρ=10.405×5.95×Rb×e0.38Rb

（1）

式中：ρ為黑炭质量浓度，mg/m3;Rb为黑炭烟度，BSU。

1.3 常规气体分析仪

为计算发动机在不同工况下的排气量，并据此计算出黑炭排放因子，在测量黑炭的同时还对柴油机排放物中的其他成分进行了测量。本文试验选择的堀场（HORIBA）便携式气体分析仪 PG-350具有较高的稳定性和精度，可以对NOx、SO2、CO等气体进行实时检测。为防止出现排烟管位置空间狭小，难以持续取样的情况，在试验时采用软管将排烟管排气导入气体分析仪中。为确保气体测试精度不会因废气中的水蒸气在气体分析仪中液化而受到影响，在软管周围安装了加热装置。

2 计算方法和数据处理

2.1 排放测试工况的选取

根据IMO氮氧化物技术规则[11]和相关国家标准要求[12]，在柴油机台架测试中，主机按E3工况运行，在标定转速下分别对25%、50%、75%、100%负荷时的柴油机排气进行测量。记录4种负荷状态下燃油消耗率和排气中各种成分的测量值。

2.2 排气质量流量的计算

排气质量流量的计算是将仪器测量的排气中各种成分的浓度转换成排放总量的关键。排气质量流量的测量，对流量计的安装及测量条件要求极为严格。为避免大的测量误差影响测量结果，利用碳平衡法计算排气质量流量。碳平衡法是根据燃料消耗量、燃料成分和排气中各种成分的浓度来计算排气质量流量的，具体公式[13]如下：

qw=qf×1.4w2H1.4×wCfC+0.089 36wH-1×11.293+fd f2C+

0.089 36wH-1×1+Ha1 000+1

（2）

式中：qw为排气质量流量，kg/h;qf为燃油质量流量，kg/h;wH和wC分别为燃油中的氢和碳的质量分数;fC为碳系数;fd为干废气的燃料特定常量;Ha为吸入空气的绝对湿度。如果Ha≥Hc（Hc为增压空气湿度），则式（2）中的Ha用Hc代替。

fd可通过加入燃料成分燃烧的附加容积进行计算：

fd=-0.055 593wH+0.008 002wN+

0.007 004 6wO

（3）

式中：wN和wO分别为燃油中氮和氧的质量分数。

fC的计算公式如下：

fC=0.544 1（DCO2-ACO2）+

DCO18 522+DHC17 355

（4）

式中：DCO2为排气中CO2的体积分数;ACO2为环境中干CO2的体积分数，取0.03%;DCO为排气中干CO的体积分数;DHC为排气中湿HC的体积分数。

馏分燃油和残渣油的wC、wH、wN、wO参考值见表2。

黑炭测试仪的测量单位为mg/m3，参考文献[12]中排气管排气密度，将排气质量流量转化为体积流量，即可得出黑炭的质量流量。在计算其他气体的质量流量时，采用文献[14]给出的计算气体质量流量的公式：

Gm=ZCGe

（5）

式中：Gm为单独一种气体的质量流量;Ge为所有气体的质量流量;C为单独一种气体的体积分数;Z为单独一种气体的质量流量转换系数，NOx、CO、SO2、O2和CO2的Z值分别为0.002 053、0.001 25、0.002 653、14.29和19.64。

2.3 排放因子计算方法

船舶在营运过程中负荷并非为一固定值，因此在计算时用某一时刻的排放去估算柴油机排放因子是不准确的。本研究参照文献[12]中确定NOx排放水平的方法计算CO、O2和黑炭等的排放因子，利用试验循环的加权系数将各测试工况点的测试结果进行加权处理，用得出的加权平均结果估算此柴油机的排放因子。在25%和50%负荷下废气排放量乘系数0.15;在75%负荷下废气排放量乘系数0.5;在100%负荷下废气排放量乘系数0.2。

根据实时油耗监测系统测得的不同负荷下的燃油消耗率，计算船舶排放因子：

Ee=Ef1 000Q

（6）

式中：Ee为基于做功的船舶排放因子，g/（kW·h）;Ef为基于燃油消耗的船舶排放因子，kg/t;Q为船舶柴油机单位功率油耗，g/（kW·h）。

3 数据的整理与分析

根据柴油机排放因子测试要求，选用硫质量分数分别为1.0%、0.5%、0.1%的燃油，依次开展25%、50%、75%、100%负荷下的测试。当柴油机在各工况下稳定运转（指定转速应维持在与额定转速的偏差在±l%内或±3 r/min内，整个过程中的平均扭矩维持在发动机额定转速下额定扭矩的1±2%内）时，对船舶柴油机排气中的各种成分数据进行记录。

采用碳平衡法确定船舶废气排放量。按照上述排放因子计算方法，得到船舶柴油机在每种测试工况下排气中各种成分基于做功的排放因子。对柴油机在各测试工况下排气中各种成分的排放量进行加权处理，得到柴油机在使用3种不同硫质量分数燃油的情况下NOx、CO和黑炭等基于燃油消耗和基于做功的排放因子，见表3和4。

在试验过程中对船舶排气中各种成分进行测量，并对柴油机使用3种不同硫质量分数燃油的其余常见排气成分进行分析比较。图1为船舶柴油机分别燃烧硫质量分数为1.0%、0.5%、0.1%的燃油时，排放的NOx、CO等的相对含量。由图1可知，在柴油机使用3种不同硫质量分数的燃油时，除SO2和黑炭外，其他排放物如CO、CO2等基于做功的排放因子并未发生明显变化，NOx基于做功的排放因子随着燃油硫质量分数的增大而略有增大，黑炭和SO2的排放因子则随着燃油硫质量分数的减小而快速减小。

为研究船舶柴油机排气中的黑炭含量与柴油机负荷之间的关系，将4种负荷下黑炭基于做功的排放因子进行比较，见图2。需要说明的是，在试验中使用的硫质量分数为0.5%和1.0%的燃油都是以重质燃料油为主的，而硫质量分数为0.1%的燃油為轻柴油。船舶柴油机在使用硫含量较低的轻柴油时柴油机排气中的黑炭含量会较低，主要原因是航运业使用的燃油多为硫含量较高的劣质燃油或残渣油与优质柴油混合的燃油，硫含量较高的燃油通常掺杂了更多的劣质燃油。而在劣质燃油中存在更多的沥青质和不易燃烧的环烷烃和芳香烃，这些物质在燃烧时很难完全燃烧从而产生了黑炭。对于重质燃料油，硫含量的变化对排气中的黑炭含量影响不大。随着发动机负荷的增加，燃油燃烧状况改善，燃烧重质燃料油的单位功率排放因子会显著下降，与低硫轻油的水平相当。这也说明排气中的黑炭含量与燃油燃烧是否充分和燃油的成分关系密切，而重

质燃料油硫含量对排气中黑炭含量的影响在低负荷时并不明显，在高负荷时燃用硫含量低一些的燃油，排气中的黑炭含量会少一些。

4 不确定性分析

本试验采用FSN法计算船舶柴油机排气中的黑炭含量，通过对吸附在滤纸上的黑炭颗粒进行光学分析来确定黑炭含量。此方法操作简便，对黑炭颗粒的分辨率高，可以实现实时观测，但滤纸和采集样品中的其他粒子对光吸收和散射的干扰，给黑炭检测结果带来一定的不确定性。

目前只在实验室进行台架试验，尚未对实际航行中船舶的排气进行测量计算。虽然台架试验可以很好地控制试验过程中的负荷，模拟船舶真实航行时的功率变化情况，但台架只是一种特定机型的代表，对其他品牌和型号主机的排放因子还需要更多的测试来综合考量。这也给船舶排放因子的计算带来一定的不确定性。

目前船舶燃油市场上燃油种类繁多，即使是硫含量相同的燃油其成分也有可能差别很大，船舶柴油机在燃烧不同类型燃油时的黑炭排放因子也有很大不同。为更准确地计算船舶黑炭排放因子，需要对市场上其他油品的船舶黑炭排放因子开展研究。

5 结 论

通过台架试验对二冲程柴油机排气进行监测，采用碳平衡法计算排气流量，并参考船用柴油机排气排放污染物测量方法对数据进行处理分析，得到了船舶排气中各种成分基于燃油消耗和基于做功的排放因子，为船舶排放的相关研究提供了数据支持。

对硫含量不同的船舶常用燃油开展废气排放测试，得出在使用硫质量分数为1.0%、0.5%、0.1%的3种燃油时基于做功的黑炭排放因子分别为9.12、7.51、1.34 mg/（kW·h），基于燃油消耗的黑炭排放因子分别为47.56、38.34、7.53 g/t。本研究填补了目前国内关于船舶黑炭排放因子研究的空白。

通过对二冲程柴油机分别使用3种硫含量不同的燃油，对柴油机排气中各种成分的排放因子进行比较可以发现：在燃烧硫含量不同的燃油时CO、CO2等排放因子变化不明显;在燃油硫含量降低时NOx基于做功的排放因子会略有升高;黑炭的排放主要与燃油的种类和成分有关，在发动机负荷较高时燃用硫含量低的燃油，排气中的黑炭含量会少一些。

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（编辑 贾裙平）