船舶黑烟管控与监管研究

刘海英,张翰林,唐海田,彭士涛,胡健波,邓孟涛

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程研究中心 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室,天津 300456;2.国家海洋局烟台海洋环境监测中心站,烟台 264006)

船舶大气污染防治是绿色航运发展的重要组成部分,是航运业贯彻落实党中央、国务院关于加快推进生态文明建设和打赢蓝天保卫战的重要举措,涉及的相关标准包括SOx排放相关的GB17411《船用燃料油》和其他污染物排放相关的GB15097《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》[1]。前者按船舶类型设定了船用燃料油的硫含量限值[2],后者按发动机等级设定了一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化物NOx等污染物的排放限值[3]。为持续改善沿海和内河港口城市空气质量,交通运输部在珠三角、长三角、环渤海(京津冀) 水域船舶排放控制区(简称“排放控制区”)实施取得了明显的成效后,于2018年印发了《船舶大气污染物排放控制区实施方案》[4],严控SOx、NOx、PM和VOCs等污染物排放,并规定了使用低硫燃油、靠港使用岸电等措施[5-6]。

然而,由于船舶运营期间的大气污染物排放标准缺失,船舶大气污染防治仍面临巨大的压力,尤其是老旧船舶的冒黑烟现象。当下航运企业对于船舶大气污染防治的主动责任意识不强,只把船舶冒黑烟现象视为发动机性能下降导致的经济、安全问题的一个表征[7],“带病航行”附带产生的船舶大气污染问题长期被忽视。英美等发达国家已将船舶冒黑烟控制纳入当地执法体系,我国香港特别行政区的《船舶及港口管制条例》、台湾地区的《交通工具空气污染物排放标准》和上海市的《上海市大气污染防治条例》将船舶黑烟列为违法行为,并制定了相应的罚则[8]。

HC和PM排放污染严重的船舶黑烟现象应是我国船舶大气污染防治的重要工作内容,但目前船舶运营期的船舶黑烟管控要求尚未在全国推开,配套的监管技术研究与应用也较少[8-11],导致已经在机动车黑烟治理中成熟应用的柴油机氧化催化器(DOC)和颗粒物捕集器(DPF)等尾气后处理装置未能在船舶上应用。而机动车黑烟治理取得成效的关键在于存在运营期的排放管控政策与监管措施,包括机动车尾气排放年检制度、尾气遥测技术和黑烟车抓拍技术等。有必要借鉴陆地上的固定污染源与移动污染源的黑烟治理经验,推动船舶黑烟管控政策与监管技术的发展。

本文通过介绍船舶黑烟的成因与危害、国内外船舶黑烟管控要求、国内陆上黑烟监管的经验,提出了我国船舶黑烟管控与监管的展望与建议。

1 船舶黑烟的成因与危害

1.1 船舶黑烟的成因

黑烟是燃油不完全燃烧的产物,没有形成确切的定义,但有通俗的视觉判定标准。美国环境保护署(EPA)对黑烟的定义是“没有主色调、视觉上较暗的烟雾”,而我国一些城市对机动车黑烟的定义是“有明显可见烟度或烟度值超过林格曼1级”。鉴于林格曼黑度也是一种基于视觉的黑度判定标准,因此黑烟的定性或定量的判定标准是基于视觉,可以视黑烟为HC和PM污染严重至肉眼可见的尾气排放现象。

黑烟产生的具体原因十分复杂,可以分为燃油质量问题和发动机系统问题两大类。燃油质量问题相对简单,主要是因为使用的燃油粘度过大(特别是重质燃油)或者质量太差,导致不易着火,使得排气冒黑烟[12]。发动机系统问题相对复杂,又可分为产品问题和运维问题。产品问题源自标准缺陷,GB15097《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》只规定了发动机产品在稳工况下的排放限值,未考虑变工况的排放情况,使得船舶在靠离泊、提速时几乎必然冒黑烟。运维问题源自发动机多年运行甚至是超负荷运行后引起产品劣化,供油、燃烧、进气和排气这4个子系统和环节运维不当均会引起冒黑烟现象[7]。供油系统的问题包括供油提前角不正确、喷油泵堵塞或出油阀严重磨损、喷油器(嘴)雾化不良或卡死、喷油泵调速器弹簧力不足、喷油泵供油量太大等问题。燃烧系统的问题包括活塞顶间隙偏大、气阀密封线严重变形或磨损、气阀座圈凹入太深、气阀间隙不正确、活塞与缸套磨损过大等问题。进气系统的问题包括空气滤清器脏污或使用了劣质空气滤芯、堵塞或管道太长等导致的进气阻力增加等问题。排气系统的问题包括排气管过细、过长或消音器不合适等导致的排气阻力增加等问题。

黑烟现象始终存在的外部原因是缺少相关的管控政策与监管措施。船舶黑烟的成因与柴油车黑烟十分相似,区别仅在于发动机功率、转速等。因此,船方重视发动机的运维和使用燃油的品质,有利于减少船舶黑烟现象。另外,加装氧化催化器(DOC)和颗粒物捕集器(DPF)等尾气后处理装置可大幅度减少船舶黑烟排放。根据笔者向上海海事局的调研获悉,《上海市大气污染防治条例》将船舶黑烟列为违法行为后,黄浦江上船舶冒黑烟现象明显减少。另根据笔者向多家机动车和船舶尾气后处理企业调研获悉,均拥有较为成熟的船舶黑烟处理装置,但因缺少管控政策,因此没有大规模的市场需求。

1.2 船舶黑烟的危害

船舶黑烟的危害根据危害成分和影响区域大致分为两大类,一类是船舶黑烟中的碳黑在北极航道加速冰川融化,另一类是船舶黑烟中的大量颗粒物排放在穿城河道给沿线居民带来的视觉恶感和空气污染。

北极航道船舶黑烟加速全球气候变化[13]。船用重质燃料油或劣质柴油中杂质较多,释放出的黑烟通过降雪的方式覆盖在冰川的表面,加速太阳辐射的吸收,以致冰川加速融化,加剧了全球气候变暖对北极的负面影响。南北两极水域均受国际海事组织(IMO)极地组织的管辖,2011年通过了在南极禁止使用重质燃油的禁令,目前正在推动2024年后全面禁止在北极使用和运输重质燃料油。

穿城河道船舶黑烟加重城市空气污染[14]。船舶黑烟是一种极为严重的HC和PM排放现象,也是穿城河道沿线居民对船舶大气污染反映问题最多的现象之一。理论上,船舶大气污染物减排的第一步应是管控船舶黑烟,因其是肉眼可见的严重污染现象。该问题属于国内环境问题,对我国长江、西江、京杭运河等内河航运发达的省市空气质量影响较大,尤其是在穿城河道段。我国香港特别行政区、台湾地区和上海市对船舶黑烟管控走在全国的前列,已取得了“为民办实事”的良好反响。

2 国内外船舶黑烟管控要求

国内外关于船舶黑烟管控的共同点都是采用林格曼黑度法这一视觉黑度指标作为判定依据。虽然林格曼烟气黑度与烟气中的HC和PM没有准确的对应关系,但是这一方法具有成本低、可操作性强的优点,被国内外普遍采用。国内外船舶黑烟管控的严格程度与处罚力度则有所不同,本文分国外和国内分别展开详细的介绍。

2.1 国外船舶黑烟管控要求

美国多个州对船舶黑烟排放出台了管控标准。美国阿拉斯加州《船舶可见污染物标准》规定：船舶在本州海岸线3 min之内排放的烟气不透光度不能高于20%(林格曼黑度1 级)。德克萨斯州规定：船舶烟气的不透光度不能连续5 min超过30%(林格曼黑度1.5级)。美国《加利福尼亚健康与安全法典》第41701条规定：所有排放源(包括船舶)的烟气林格曼黑度不能连续3 min及以上超过2级,否则视为违法。

英国在《清洁空气法案1993》第1部分第3条中对黑烟做了明确定义,即烟气的林格曼黑度2级及以上。船舶如果在英国领海水域违反此项规定,可能面临高达5 000英镑的罚款处罚。

迪拜政府于2014年7月2日发表声明,呼吁所有船舶确保在港口期间严格遵守其关于空气排放的规定。所有停靠迪拜港口的船舶都必须遵守当地的PCFC-EHS 港口和海事法规,以遏制该地区的空气污染,包括船舶黑烟。

新加坡海事和港口管理局(MPA)于2019年3月发布通函,要求船东采取所有必要的措施,以防止船舶在其整个港口停留期间排放过量的黑烟。如果未能遵守这项规定,可能会被起诉,一旦被定罪,可能面临高达5 000新元的罚款处罚。

2.2 国内船舶黑烟管控要求

香港特别行政区的《船舶及港口管制条例》(第313章)及《商船(本地船只)条例》(第548 章)规定：船舶(包括非本地船舶和本地船舶)在香港水域内排放黑烟属于一种犯罪行为。但是,该规定对黑烟排放限值未做明确定义,且没有根据船舶类型及其违规历史制定不同的罚款标准。香港政府于2014年出台的《船舶黑烟管制条例》修订版规定：若船舶3 min及以上时长连续排放的烟气黑度为林格曼黑度2级及以上,则视为违法行为,本地船舶和远洋船舶可分别处以10 000～25 000港币和25 000～50 000 港币的罚款。

台湾地区于2006年出台的《交通工具空气污染物排放标准》第8条规定：允许主机功率3 000 kW以上的船舶启动时20 s内和3 000 kW以下的船舶启动时10 s内,排烟目测透过率不超过60%(相当于林格曼黑度3级);其他时段的排烟目测透过率不超过40%(相当于林格曼黑度2级)。

上海市制定实施的《上海市大气污染防治条例》第38条第5款规定：在本市行驶的机动车、船不得排放明显可见的黑烟。第85条第2款规定：违反本条例第38条第1款、第5款规定,在本市行驶的机动船向大气排放污染物超过规定的排放标准或者排放明显可见黑烟的,由海事部门责令改正,可以处1 000～10 000元罚款;情节严重的,处10 000～50 000元罚款。

江苏省第十三届人民代表大会常务委员会第三十三次会议通过《江苏省长江船舶污染防治条例》,于2023年3月1日起施行。条例明确规定：船舶应当加强主机、辅机设备维修保养,使用符合国家标准或者要求的燃油。尾气排放应当符合国家大气污染物排放控制要求,且不得排放明显可见的黑烟。

3 我国陆上黑烟监管的经验

随着我国对改善空气质量的不断重视和污染治理攻坚战的持续开展,陆上固定污染源和移动源的冒黑烟现象已经得到了有效的根治,这离不开强有力的监管措施保障。船舶黑烟监管与固定污染源和移动源黑烟监管的共同点是都采用同样的视觉判定标准,特点在于船舶是移动源且在水上航行。船舶黑烟的观测背景与固定污染源相同,都以天空为背景,但船舶是移动目标,增加了观测难度。船舶与机动车都是移动污染源,黑烟监管技术都需要适应目标移动状态下的观测,但是移动车黑烟的观测背景是路面,无法直接照搬用于船舶。因此,船舶黑烟监管技术研发与应用的进展也相对滞后,可借鉴陆上黑烟监管经验,并研发独有的黑烟监管技术。

3.1 固定污染源黑烟监管

针对固定污染源冒黑烟现象,我国曾经在工业锅炉、电厂锅炉、工业炉窖、垃圾焚烧炉等排放标准中,对烟气黑度都规定了具体限值,但当时尚未制定标准的检测方法[15]。2003年,环境保护总局组织编写的《空气与废弃监测分析方法》(第四版)对烟气黑度的检测方法做了规定,把林格曼烟气黑度图法作为统一推荐的方法,但还存在技术细节不严谨、操作随意性大、结果可靠性不足等问题,对后续的监管与执法带来了困难。

为了健全环境监测技术规范体系,促进环境监测的规范化和科学化,我国于2007年制定了HJ/T 398《固定污染源排放烟气黑度的测定 林格曼烟气黑度图法》[16],对观测位置和条件、观测方法、计算方法、质量保证措施等予以规定,统一了固定污染源烟气黑度检测要求。

3.2 移动污染源黑烟监管

随着经济的发展,我国机动车保有量与日俱增,机动车尾气在大气污染中的占比不断攀升;其中,柴油车的NOx和PM在机动车中的占比高达80%。为深入贯彻《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的要求,2019年1月,我国多部委联合印发了《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》[17],制定了柴油货车NOx和PM排放总量明显下降的目标,就黑烟而言,具体目标是“基本消除柴油车排气口冒黑烟现象”。该计划除了加大抽检力度,同时推进监控体系建设和应用,采用道路遥感监测、年检机构联网、车上远程排放监控以及随机路检等手段,建设“天地车人”一体化的机动车排放监控体系。

2017年7月,环境保护部发布了HJ 845《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求(遥感检测法)》,规定了林格曼黑度1级和不透光度30%的限值。目前,林格曼黑度的检测方法主要有3种,分别是林格曼标准图谱法、光电测烟仪法和基于视频拍摄的遥感检测法(黑烟车电子抓拍技术)[18]。林格曼标准图谱法最原始,直接沿用了HJ/T398《固定污染源排放烟气黑度的测定 林格曼烟气黑度图法》中规定的方法,对于快速移动的柴油货车,存在观测难度大(目标不固定)、观测角度难寻(以天空为背景)、人员需求量大、结果客观性差的问题。光电测烟仪法利用光的透射率变化反推尾气的林格曼黑度,具有重复性好、稳定性好、反应时间快等优点,基本可以满足柴油货车高速行驶状态下的检测需要,但是需要时常维护以减少颗粒物附着的影响。基于视频拍摄的遥感检测法[19]基于采集的一定时长的视频,运用光流矢量、色彩纹理及动态建模等算法识别柴油货车排放的烟气,并将其与林格曼标准图谱对比,从而量化烟气的林格曼黑度值,是先进的动态图像识别技术在该领域中的应用,具有自动化和智能化的特点,目前应用较为广泛。

4 船舶黑烟管控与监管的展望与建议

4.1 加快制定船舶黑烟管控政策

2021年11月2日,党中央、国务院发布了《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》,治理污染的决心坚定不动摇。船舶大气污染防治也在近年来取得了一定的成效,船用燃料油和发动机排气标准以及排放控制区政策实施后,沿海沿江城市的空气质量有了一定的改善。但是,相比陆上固定和移动大气污染源治理进展,船舶大气污染防治进度与效果相对滞后。尤其是船舶黑烟治理,更是长期处于被忽视的状态。建议在香港特别行政区、台湾地区和上海市的船舶黑烟管控经验的基础上,参照《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》,加快制定国家层面的船舶黑烟管控政策,尽快消除船舶冒黑烟现象。

4.2 加快建立船舶黑烟检测标准

国内有少量的船舶黑烟检测研究文献报道,均采用林格曼黑度法,但尚未有专门的船舶黑烟检测标准。我国固定污染源和以柴油货车为代表的移动污染源的黑烟检测已有成熟的标准,冒黑烟现象的监管有法可依。船舶黑烟的特点介于这两者之间,与固定污染源的相同之处是宜以天空为观测背景,与柴油货车的相同之处是目标处于移动状态。因此,可以在借鉴HJ/T 398《固定污染源排放烟气黑度的测定 林格曼烟气黑度图法》和HJ 845《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求(遥感检测法)》的基础上,根据船舶水上航行的特点和船舶发动机的排放特征,建立船舶黑烟检测标准,让针对船舶黑烟监管的具体执法操作有标准可依。

4.3 多部委合作治理船舶黑烟

不同工况下船舶黑烟的产生原因不同,治理的思路和角度也有明显的差异。在港口的现场观测可以发现,大部分船舶在变工况的过程中冒黑烟而在巡航过程中不冒黑烟。对于变工况冒黑烟现象,建议修订船舶发动机排放标准,增加考虑变工况这一情形;对于巡航冒黑烟现象,建议在制定船舶黑烟管控政策和检测标准的基础上,加强海事监管,督促船方重视发动机保养与运维。

4.4 推动船舶黑烟治理与监管技术研发应用

建议借鉴柴油货车黑烟治理经验,研发并推广应用船用尾气颗粒物捕集等尾气后处理技术,为船舶发动机加装“口罩”,同时根治变工况和巡航状态下的船舶冒黑烟现象。建议借鉴林格曼黑度计、黑烟车抓拍系统等陆上成熟产品,研发适用于船舶特点的黑烟检测工具或抓拍系统,为海事监管提供先进技术支撑。