船舶尾气黑碳测量方法实践研究

娄春景

(上海外高桥造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

随着环境保护越来越受重视，国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)要求减少北极区域船舶航行引起的黑碳排放。船上排放黑碳的设备主要有主机、发电机和锅炉。黑碳是在上述设备内部不完全燃烧、夹杂在尾气中的一种燃烧产物,其在自然环境下很难分解，对极地环境的影响较大。黑碳排放之后会覆盖在冰雪上面，在太阳光的照射下吸收能量，加快冰雪融化。黑碳的产生量与燃料和燃烧效果有关，而燃烧效果又与设备和燃烧的负荷有关。要减少黑碳排放,就需对上述设备排放的黑碳进行测量，积累数据，从而掌握其排放规律。

1 IMO推荐的测量方法

IMO推荐的测量方法有激光诱导炽热仪法(Laser Induced Incandescence, LII)、滤纸式烟度计法(Filter Type Smoke meter, FSN)和光声分光仪法(Photoacoustic Spectrometry, PAS)等3种[1],其基本原理如下。

1) LII：使用持续时间通常不超过20 ns的高能(约100 mJ)脉冲激光源快速加热被测量的烟气。烟气中的碳粒子(烟灰)与激光束相互作用，碳粒子吸收激光光能并将其转化为热量,使粒子的温度升高。粒子的温度从烟气温度加热到略低于烟尘的升华温度( 4 000～4 400 K)。使用光学元件和光子仪对烟灰颗粒发出的热辐射或白炽度进行测量。通过对信号进行适当的校准和分析，可获得烟尘体积分数、原烟灰颗粒大小和特定表面积的信息[2]。

2) FSN广泛应用于柴油机尾气的测量中。一般是在一定的时间内用抽气泵通过特定的滤纸从被测量的废气中抽取一定量的废气，废气中的颗粒物会在滤纸上沉积并使滤纸变黑。用光电仪器测量滤纸的吸光率。吸光率与废气的烟度成正比，即烟度越大,吸光率越大。烟度的数值一般为0～10，空白滤纸为0，全黑滤纸为10，中间程度为0～10范围内的其他数值[3]。

3) PAS用一定波长的激光照射被测量废气，废气中的物质吸收光能，电子吸收能量变得兴奋,并以热量的方式释放，这种释放形成声波。每次光脉冲之后都会发出声波，通过传感器可测量声波。调整每个光脉冲的波长，可测量和绘制相应的声波，形成材料的光谱，这就是光声光谱技术[4]。

2 项目及设备参数

本文以上海外高桥造船有限公司在建的一型18万吨级散货船为例进行分析，船长292 m,宽45 m,设计吃水16.1 m,航速14.5 kn,日油耗量约50 t。该船由1台型号为MAN 6G70MEC9.5的低速二冲程柴油发动机驱动一个固定翼螺旋桨，同时船上安装有2台1 000 kW和1台900 kW的四冲程中速柴油发电机,以及1台蒸发量为2.5 t的主机废气/燃油组合锅炉。

该船试航时安装了黑碳探针采样器、AVL 415SE碳烟测试仪和AE-31黑碳仪,对主机、发电机和锅炉的尾气中的黑碳情况进行测量。试航过程中使用轻柴油、180 cSt和380 cSt的重燃油。主机和发电机的参数见表1～表2。燃油性质见表3。

表1 主机参数

表2 发电机参数

表3 燃油性质

3 测量仪器及其在18万吨级散货船上的应用

3.1 测量仪器的原理

该项目采用黑碳探针采样器、AVL 415SE碳烟测试仪和AE-31黑碳仪等3种黑碳采样器，原理分别如下。

1) 黑碳探针采样器是一种将微栅碳膜装于一杆状物上的简易采样器。测量时直接将采样器伸入排气管中，微栅碳膜面向排气方向，一定时间之后取出探针，卸下微栅碳膜冷冻保存，再进行样品分析。该取样器的特点是结构简单、造价低廉、操作方便、无需电源和特别维护;缺点是微栅碳膜面积较小，采样结果可能偏小，不能反映烟气的实际情况,且插拔探针易造成烟气外漏。

2) AVL 415SE碳烟测试仪是由奥地利AVL李斯特公司生产的一种滤纸式烟度计,主要由滤纸装置、隔膜抽吸泵和光学测量头组成。烟气由隔膜泵抽吸,经过滤纸形成沉积，通过光学测量头测量滤纸的染黑程度，从而得到被测烟气的烟度值。

3) AE-31黑碳仪是美国MAGEE科技公司研制和生产的一种黑碳仪，是实时观测黑碳气溶胶的仪器，可同时在紫外、可见和近红外的7个波长上对被测量的气体黑碳气溶胶进行连续观测,在全球范围内广泛使用(包括在南极和北极)。黑碳气溶胶是大气气溶胶中主要的吸光物质，对气溶胶总的光吸收贡献在90%～95%。黑碳仪利用黑碳气溶胶的这种特性进行黑碳气溶胶测量。仪器采用透光均匀的石英纤维膜采集大气气溶胶样品，石英纤维滤膜基本上可消除气溶胶非吸收成分对透过率测量的影响。AE-31黑碳仪根据采样膜上黑碳气溶胶对透射光造成的衰减量计算黑碳气溶胶浓度。该测量仪本质上也是一种滤纸式烟度计。

3.2 测量仪器的安装

在该18万吨级散货船上，主机排气取样位置设置在机舱内主机排气管下方的雨水泄放口处。拆除泄放阀后一段原泄放管，在该位置安装制作好的临时测量管。临时测量管上除了与泄放阀的连接口以外,还有2个接口，其中:下方接口用于探针测量器的放入和取出，在该处需设置合理的密封装置,防止烟气外泄；侧边接口用于连结软管,抽取烟气到AVL 415SE碳烟测试仪中，详见图1。

图1 主机排气管上黑碳测量位置示意

发电机排气管上的测量位置与主机的类似，也布置在排气管下方的雨水泄放口处，详见图2。

图2 发电机排气管上黑碳测量位置示意

由于锅炉排气管上没有多余的接口，因此没有在机舱内部锅炉排气管上安装任何黑碳测量仪器。

利用原有排气管上的雨水泄放口作为测量口的优点有：

1) 测量口距燃烧设备不远，中间没有其他设备，测量结果能较真实地反映燃烧设备的黑碳排放情况；

2) 原有船舶管路结构不需要修改，既能减少投入成本，也不会遭到船东的抗拒及不配合；

3) 附件很少，安装方便，对周围的影响很小。

缺点：取样点位于排气管转弯边缘处，该处排气流动很不平稳，取样的气体可能与实际情况有差异。

排放的黑碳最后是通过机舱棚的排气管排向大气的，从而对环境造成直接影响。因此,在烟囱顶部排气管的末端设置测量点，通过固定装置将金属软管取样头固定到排气管出口中央，将该处的废气引到AE-31黑碳仪进行测量，详见图3。在该处测量的好处是对船舶的影响最小,且该处排气平缓,能真实地反映排气的实际情况;缺点是金属软管较难固定到排气管中心,测量点位于室外，受天气的影响较大。

图3 烟囱顶部测量点布置示意

3.3 黑碳检测

探针测量：采样时打开阀门，逐步将探针插至主排气管中心位置，微栅碳膜面向排气方向，采集黑碳样本(30 s);随后逐步将探针取出，关闭阀门，取出探针内的微栅碳膜，用酒精清洁探针，安装新的微栅碳膜，如此反复。每个工况点和油品测量采集5个样品。将采集的样品冷冻保存，试航结束之后在实验室内对这些样品进行定性、定量分析。

当主机使用轻柴油和180 cSt重燃油时,利用AVL 415SE碳烟测试仪对主机排气进行测量。从雨水泄放管引出的排气通过短管上的支路引到碳烟测试仪中。当主机使用不同燃料时,有25%、50%、75%和100%等4个负荷测量点。主机的功率与船舶航速有关，在实际操作时,通过主机遥控系统给出不同负荷的指令，主机的功率主要消耗在螺旋桨上，船舶会得到不同的航速。每个测量点在测量之前必须平稳运行至少10 min，采样时间约为每次3 min，采样流量为20 L/min，每种试验工况下采集3个样品。同时记录每种测量工况下的排气温度。在每个负荷状态下采集多次颗粒物的烟度值,并取其平均值作为最终结果。黑碳的比功率排放量根据ISO 8178-3:2019和柴油机工作原理,由烟度值换算得到。

发电机的功率主要消耗在电机发电上，其负荷与船上电网上的负荷有关，要改变发电机的负荷,只能通过加载或卸载电网上的负荷实现，且发电机一般不会运行到100%负荷。因此,发电机的测量点只能选在25%、50%和75%负荷测量点的近似位置。由于锅炉排气管上没有多余的接口，因此没有在机舱内部锅炉排气管上安装任何黑碳测量仪器。在机舱棚外部通过AE-31对各设备的排气进行测量。安装在排气管末端的波纹管将排气抽吸到测量仪器中，按1：10的比例稀释之后,经仪器在线分析得到黑碳数据。主机和发电机测量点也按使用燃料的不同选择25%、50%、75%和100%(发电机不测)负荷测量点。每个测量点正式测量之前至少平稳运行10 min，每个点测3个数据取平均值。锅炉燃油侧运行时一般只有1种状态，燃烧器持续按设计状态燃烧。测量时只需在锅炉的燃油侧排气管内测量,每组3个数据,取平均值即可。

通过实船测量的应用实践发现：

1) 探针测量仪使用方便，但测量时黑碳吸附情况并不好，且放入和取出时易与管壁接触，影响测量结果。该方法是3种方法中最不准确的一种，后续测量不建议采用该种测量方法。

2) 在机舱内部通过AVL 415SE碳烟测试仪测试，适用于机舱内部排气管本身已有接口，需对机器设备燃烧机理进行研究的情形。但是,原有接口的位置往往较高，需架设额外的脚手架。

3) 在机舱棚外通过AE-31黑碳仪测试，更适用于船舶尾气对大气的影响研究,但测量是在室外进行的，受天气状况的影响较大。

由测量结果可知,黑碳的排放量与以下因素有关：

1) 燃料类别，燃用重燃油尾气中的黑碳比轻柴油中的黑碳多。在原油加工过程中，一般按比重和沸点的不同，依次分离各种油品。最轻的组分总是最先分离出来，品质最高；最重的组分最后分离出来，品质最差[5]。图4为主机和发电机排气中黑碳颗粒测量对比。由图4可知，主机使用380 cSt重燃油的黑碳排放量明显高于使用180 cSt重燃油和轻柴油时的黑碳排放量。但是,发电机在使用不同燃料时的黑碳排放量区别不大，在75%负荷下，轻柴油的黑碳测量值甚至更高。这个数据只是单船测量数据，更准确的规律还需通过更多的测量和对比才能得到。

a) 主机

2) 设备不同，燃烧效果不同，排放的黑碳也不同。主机在50%～100%负荷下运行时，尾气中黑碳测量值在15×107cm-3左右，上下波动不大；发电机在50%～75%负荷下运行时，尾气中黑碳测量值从12×107cm-3增加到15×107cm-3，有明显增加。

3) 设备在不同负荷下运行，燃烧效果不同，排放的黑碳也不同。由图4可知，主机由低负荷运行变为50%负荷运行，黑碳排放量明显增加；主机由50%负荷运行变为100%负荷运行，黑碳排放量略有增加。发电机的黑碳排放量随负荷的增加而明显增加。

黑碳产生于燃料燃烧过程中，而燃烧是一个很复杂的过程。现在还没有成熟的数学模型能计算实船航行过程中的黑碳排放量，因此还需更多地积累测量数据，掌握规律，从而为黑碳减排提供支撑。

4 结 语

本文利用18万吨级散货船原有排气管，使用最少的物量设计出了实用的黑碳测量方法。通过对该船主机和发电机尾气中的黑碳进行测量，总结出黑碳排放规律如下：

1) 使用重燃油时的黑碳排放量更大;

2) 黑碳排放量与使用的设备有关;

3) 黑碳排放量随设备负荷的增大而增大，但是在极低或极高负荷下，单位油耗的黑碳排放量较大。

以上结论只是单船测量所得结论。相同的测量还应在其他实船上进行，从而得到更加真实的黑碳排放规律，为黑碳减排提供正确的措施和方向。在以后的黑碳测量工作中:在研究机器燃烧机理时，建议采用在机舱内抽取尾气至AVL 415SE碳烟测试仪中的测量方法；在研究船舶尾气对大气的影响时，建议采用在机舱棚外抽取尾气至AE-31黑碳仪中的测量方法。