鮑旭騰,黃一心,趙 平
(中國水產(chǎn)科學研究院,漁業(yè)機械儀器研究所,上海200092)
中國內(nèi)陸漁船尾氣排放調(diào)研
——以湖南、江西兩省漁船為例
鮑旭騰,黃一心,趙 平
(中國水產(chǎn)科學研究院,漁業(yè)機械儀器研究所,上海200092)
隨著環(huán)境保護、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展等相關立法力度的加大,漁船尾氣排放問題逐漸引起管理層和業(yè)界的廣泛關注。對湖南、江西2省3個地區(qū)(岳陽、沅江和上饒)進行走訪調(diào)研;同時攜帶煙氣測試儀對其捕撈作業(yè)漁船進行現(xiàn)場檢測,其中實際檢測9艘,木質(zhì)的8艘,鋼質(zhì)的1艘,船長都在12 m及以下,總功率都小于44.1 kW;并按照規(guī)范現(xiàn)場獲取油樣,共取得有效樣本9份,通過專業(yè)運輸公司寄送至國家專業(yè)油樣分析機構進行檢測分析。結果顯示:在高速和低速兩種工況下,9條船中,有3艘漁船在低速航行條件下,CO排放指標未達到第三階段排放標準[小于5.5 g/(kW·h)],其他均達到,達到率83.3%;按照GB252-2015普通柴油分類要求,所有油樣樣品都達到要求,合格率為100%。研究表明:中國內(nèi)陸漁船尾氣排放量總體影響較?。慌欧帕颗c柴油機使用年限相關性不大;須提高燃油品質(zhì)、減少污染物排放;應加強漁船尾氣后處理系統(tǒng)的開發(fā)應用等。內(nèi)陸捕撈作業(yè)漁船尾氣排放總體情況較好,但仍有進一步提升的空間。
漁船尾氣;大氣污染;節(jié)能減排;內(nèi)陸漁船
隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,大氣環(huán)境污染問題日益凸顯。環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展逐漸引起人們的重視。船舶不僅是重要的運輸工具,也是捕撈漁業(yè)作業(yè)的主要承載體,同時船舶產(chǎn)生的大氣污染對環(huán)境有著重要的影響[1-4]。柴油機是機動漁船的主要動力裝置,是各種船舶(包括漁船)的主要動力源,也是船舶主要的污染制造源。近年來,隨著環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等相關立法力度的加大,船舶尾氣排放問題逐漸引起管理層和業(yè)界的廣泛關注[5-8]。為此,2016年分別到湖南岳陽、沅江和江西上饒等地對捕撈漁船柴油機尾氣排放的實際情況進行調(diào)查并對漁船進行現(xiàn)場檢測。主要調(diào)研方法:一是通過與漁民進行座談并進行問卷調(diào)查;二是通過實船儀器檢測采集數(shù)據(jù)。問卷內(nèi)容主要包括聯(lián)系人信息、漁船信息(船號、船齡、功率、發(fā)動機更新時間、船長、作業(yè)時間、區(qū)域、作業(yè)方式等)、燃油類型、燃油品牌和來源等。漁船尾氣主要通過Testo350pro煙氣分析儀測量,按照使用的規(guī)則,測量數(shù)據(jù)包括O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx、H2、溫度、流速、流量等,本次測試項目主要考慮一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)共4類污染物。
根據(jù)《2016中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》[9],中國2015年末漁船總數(shù)104.25萬艘、總噸位1086.33萬t。其中,機動漁船67.24萬艘、總噸位1040.64萬t、總功率2256.99萬kW。機動漁船中,生產(chǎn)漁船64.48萬艘、總噸位858.02萬t、總功率1806.09萬kW。生產(chǎn)漁船中,捕撈漁船43.92萬艘、總噸位858.02萬t、總功率1806.09萬kW。中國2015年末內(nèi)陸漁船總數(shù)76.51萬艘、總噸位20.53萬t、總功率524.7萬kW。其中,44.1 kW以下的內(nèi)陸捕撈漁船總數(shù)24.67萬艘、總噸位88.13萬t、總功率336.24萬kW。
根據(jù)《2016中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》[9],所調(diào)研的湖南、江西兩省,2015年末漁船總數(shù)分別是4.58萬、3.22萬艘,總噸位分別是11.04萬、15.40萬t,總功率分別是84.62萬、44.22萬kW。其中捕撈漁船總數(shù)分別是2.42萬、2.44萬艘,總噸位分別是5.90萬、12.56萬t,總功率分別是68.80萬、35.04萬kW。兩省的捕撈漁船,功率全部為44.1 kW以下。其中,12 m以下機動漁船中,湖南、江西漁船總數(shù)分別是4.20萬、2.41萬艘??梢姡瑑墒O船中,以12 m以下的小型漁船為主,占絕對多數(shù)。
由于柴油機的熱效率在所有熱機中最高,而且排放的CO2相對較少,因此柴油機作為船舶動力一直受到歡迎,并占據(jù)船舶動力制造的絕對優(yōu)勢,然而其廢氣排放中含有大量有害污染物質(zhì)。
通過調(diào)研獲知,大多內(nèi)陸漁船使用流刺網(wǎng)、蝦籠、圍網(wǎng)等捕撈作業(yè)方式,一般一天一個捕撈周期,在作業(yè)時,通常不需要或短時間開動柴油機。其作業(yè)流程一般為出港(柴油機低速)—巡航到捕撈地點(柴油機高速)—收網(wǎng)放網(wǎng)(柴油機低速或停機)—返回港口(柴油機高速)—進港停船(柴油機低速),在一個捕撈周期內(nèi),由于捕撈地點與港口距離不一,各船柴油機運行時間不一,以3~4 h為主。主要捕撈時期為禁漁期后的1~2個月,這段時間捕撈強度要比其他時間段大,且每天都進行捕撈作業(yè)。其他時間段,存在“三天打魚兩天曬網(wǎng)”,不是天天進行作業(yè),其作業(yè)時間也相應減少。因此,假設以每天柴油機工作4 h計,年總捕撈200天,則全年運行時間800 h。
燃油主要分為《GB 252-2015普通柴油》[10]中規(guī)定的普通柴油和《GB/T 17411-2015船用燃料油》[11]的船用燃料油兩大類。問卷調(diào)研顯示,兩省燃油獲取渠道主要以在加油站中灌裝油桶帶回漁船為主,全部是普通柴油,沒有使用燃料油。
根據(jù)《漁業(yè)船舶法定檢驗規(guī)則》[12]對柴油機分類及中國漁船的實際情況,本次檢測選擇130 kW(含)以下,轉(zhuǎn)速為130~2000 r/min的柴油機,按年限分為0~5、5~10、10年以上3類。因此主要對兩省11艘漁船進行了測量,其中2艘因為柴油機中途故障和煙氣測試儀故障的原因沒有全部測完,因此實際完成全測量的共9艘漁船(表1),其中:木質(zhì)的8艘,鋼質(zhì)的1艘;小于5年的4艘,5~10年的2艘,10年以上的3艘;船長都在12 m及以下,總功率都小于44.1 kW。
由于考慮到系泊試驗可能無法準確反映相關數(shù)據(jù),因此全部采用了在低速和高速兩種工況下航行實測的方法進行測試。
表1 湖南、江西測量漁船基本情況表
使用Testo350pro煙氣分析儀測量CO、CO2、NO、NO2、SO2、NOx及流速等。分別按照測煙氣和測流速的相關操作說明,使用煙氣分析儀進行測量。使用測速儀測量柴油機的轉(zhuǎn)速??紤]到內(nèi)陸捕撈漁船實際使用情況,主要測量了高速和低速擋運行時候的數(shù)據(jù),測量時每個速度分別各取3組數(shù)據(jù)。
4.3.1 參考標準 柴油機汽缸排出的氣體包括無害成分和有害成分兩部分。無害成分是排氣的基本組成,它們是燃油和空氣完全燃燒的產(chǎn)物,包括二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O)、過剩的氧氣(O2)以及空氣中原來就有的氮氣(N2)。有害成分是不完全燃燒和燃燒反應的中間產(chǎn)物,包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOX)和顆粒物等。它們占廢氣的總量的比例很小,往往不超過5%,但對環(huán)境卻有巨大的危害。
因2016年實施的TierⅢ標準中不包括130 kW以下船用柴油發(fā)動機或僅用于應急情況的船只。而《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB 20891-2014)[13]規(guī)定了非道路移動機械用柴油機(含額定凈功率不超過37 kW的船用柴油機)排氣污染物排放限值及測量方法,而所測量的漁船柴油機均小于37 kW,而且該標準規(guī)定,自2016年4月1日起,停止制造、進口和銷售裝用第二階段柴油機的非道路移動機械,所有制造、進口和銷售的非道路移動機械應裝用符合本標準第三階段要求的柴油機。因此排放標準參照此限值(表2[13])。
表2 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值
4.3.2 計算方法 由于儀器默認測量單位ppm和國標中要求的mg/m3不一致,因此需要進行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化公式可以依據(jù)公式(1)。
式中:B為標準狀態(tài)下的氣體摩爾體積22.4 L/mol,T為煙氣溫度(選儀表測量出的Flue temp.值)(℃),273為標準狀態(tài)的0℃對應的熱力學溫度,Cp為現(xiàn)場測得排放物如NO2(ppm),M為所測量排放物的摩爾質(zhì)量。
如當計算排放物為NO2的時候,M為46 g/mol,則計算后C為NO2的排放換算值(mg/m3)。根據(jù)該公式計算后,數(shù)據(jù)如表3所示。
在單位進行轉(zhuǎn)化后,應根據(jù)排放物濃度(mg/m3),計算出每千瓦時的排放量(g/kWh),可按以下步驟進行:
(1)計算漁船實際功率P1。根據(jù)漁業(yè)船舶法定檢驗初級驗船師培訓教材,實際功率可按照公式(2)進行換算。
式中,P0為額定功率,P1為額定功率,n0為額定轉(zhuǎn)速,n1為實際轉(zhuǎn)速,結果見表4。
(2)計算流量。根據(jù)流速v(m/s),計算流量,如公式(3)所示。
式中:Q為流量(m3/s),d為檢測設備的皮托管內(nèi)徑,為8 mm。
(3)計算出每千瓦時的排放量,如公式(4)所示。
式中:C為某污染物的含量(mg/m3),Q為流量(m3/s),H為單位排放量[g/(kW·h)]。計算結果如表5所示。
由表5可見,在高速和低速兩種工況下,9條船中,有3艘漁船在低速航行條件下,CO排放指標未達到第三階段排放標準[小于5.5 g/(kW·h)],其他均達到,達到率83.3%。由于在第三、第四階段標準中均未對NOx排放進行限制,因此不存在NOX超標的問題。因在第三階段中對56~75 kW的柴油機HC+NOx的限制排放值低于小于37 kW的,可以理解為要求更高。因此選用了第四階段56~75 kW柴油機的NOx限值3.3 g/(kW·h)作比較,發(fā)現(xiàn)均小于該標準。
表3 將儀器測量的CO、NO、NO2、NOx值換算結果
按照項目要求,現(xiàn)場提取燃油樣本0.5 L(用專用1 L容器),并通過桑普瑞特樣品管理(青島)有限公司送至舟山市質(zhì)量技術監(jiān)督檢測研究院進行檢驗。共采集9個有效樣本,檢測結果如表6所示。在9個油品樣本中,有7艘是測量漁船的油品,2艘因所剩油量不夠而抽取了周邊其他漁船的樣品。
按照GB252-2015普通柴油分類要求,普通輕質(zhì)柴油(2017年6月30日前)硫含量不大于350 mg/kg,因此,所有樣品都達到要求。合格率為100%。
表4 測試漁船實際功率
表5 所測漁船CO、NO、NO2及NOx計算結果
經(jīng)過測算,中國內(nèi)陸漁業(yè)船舶CO、NOx排放率分別為1.88 g/(kW·h)和0.78 g/(kW·h)。由于漁船功率大小不一,假設按中值8.46 kW計,則CO、NOx排放速率分別為0.004 g/s和0.002 g/s。據(jù)相關文獻[3],內(nèi)陸貨運船舶在巡航工況下的CO、NOx排放速率分別為0.093 g/s和0.347 g/s。可見,中國內(nèi)陸漁船船舶的碳氧化物和氮氧化物排放速率要遠低于內(nèi)陸貨運船舶。其原因可能與柴油機的功率大小、作業(yè)工況以及燃油品質(zhì)等有關。
按照內(nèi)陸漁船總功率524.70萬kW,工作時間800 h(按1年200天、每天4 h計),則全國內(nèi)陸漁船CO排放值為 0.79 萬t,NOx排放值 0.33 萬t。據(jù)相關文獻[14],2013年全國內(nèi)河船舶氣體排放污染物總量125.9萬t,其中,COx18.5萬t,NOx84萬t??梢?,中國內(nèi)陸漁船對大氣污染的總體影響較小。
表6 所測漁船油樣硫含量情況
從測量的情況看,內(nèi)陸漁船柴油機排放量與使用年限關系沒有必然的關系,如在相同功率4.85 kW情況下,柴油機出廠日期大于10年(漁船3)低速和高速時NOx[g/(kW·h)]排放分別為1.19和0.41,而5~10年(漁船8)的漁船NOx[g/(kW·h)]排放分別為1.89和0.16,前者低速排放低而高速排放高,而在相同功率8.46 kW情況下,柴油機出廠日期在5~10年的(漁船4)低速和高速時NOx[g/(kW·h)]排放分別為1.14和0.17,而小于5年的(漁船1)的漁船NOx[g/(kW·h)]排放分別為3.05和0.46,小于5年的漁船無論在低速還是高速均高,其可能原因與實際使用時間和保養(yǎng)狀況有關。
由表5可知,同一艘漁船,在低速航行時的NOx和CO排放值,普遍要高于高速航行時的排放值。如(漁船7)漁船,NOx在低速航行時的排放值與高速時排放值相比,高達14.09倍;CO則在低速航行時的排放值是高速航行排放值的53.9倍。其可能的原因是高速時,機器運行更接近或達到柴油機的額定功率,燃油的燃燒效率更高。因此,漁船應多選擇高速航行,減少尾氣排放量。由于低速行駛主要是在碼頭和作業(yè)區(qū),考慮到作業(yè)區(qū)可能會比較分散,而碼頭是漁船集中地方,因此也是污染產(chǎn)生最嚴重的地方。
雖然本次檢測中樣品都符合規(guī)范,但是在半年后,即2017年7月1日起將規(guī)定硫含量≤50 mg/kg,那么,目前所采樣的9條漁船燃油,將有3個樣本超標,其中2個是遠遠超標,而到1年后,即2018年1月1日,將規(guī)定硫含量≤10 mg/kg,那么目前所采樣的9條漁船燃油,幾乎都不達標,這應當值得特別關注。燃油中的硫幾乎都氧化成為柴油機廢氣排放的主要污染物SOx。降低SOx的根本措施在于采用低含硫量優(yōu)質(zhì)燃油。當前,燃油市場仍比較混亂,缺乏有效監(jiān)管,經(jīng)營者魚龍混雜、燃油品質(zhì)參差不齊[15-16]。不僅不法商販制造兜售劣質(zhì)燃油,許多漁民也貪圖小利,選用一些價廉物劣的油料,其直接的后果是使得劣質(zhì)燃油的市場得以繼續(xù)生存,油品也就越來越差,從而更加劇了大氣污染的程度。因此在政策管理上,需要加強對劣質(zhì)燃料油的限制和管控,對高品質(zhì)柴油使用的宣傳和鼓勵。
漁船尾氣的技術手段控制,主要包括燃料預處理、工作過程處理、尾氣后處理等三類。燃料預處理包括降低燃油含有害物(硫)含量、使燃油乳化等,工作過程處理主要包括廢氣再循環(huán)、改變噴油器結構參數(shù)等,尾氣后處理包括尾氣的再燃燒處理、催化還原等。尾氣后處理是未來船舶尾氣污染控制技術的主要發(fā)展方向。尾氣后處理將柴油機廢氣排放的污染物,特別是NOX等通過選擇性吸附或催化還原等進行處理,減少污染物的排放濃度。目前在內(nèi)陸漁船中,沒有對漁船尾氣后處理進行相關實踐應用[17]。但據(jù)相關資料,在許多航運船舶中采用漁船廢氣后處理系統(tǒng),以尿素為催化劑,將氨與NOX分離為無害的N2和水蒸汽。
在柴油機排放的有害物質(zhì)中,氮氧化物和硫氧化物的危害性最大,也是最直接的,對其排放的控制是重點[18-21]。本次測試只對這兩者進行了檢測,未對其他排放物進行檢測。實際上,漁船尾氣中排出大量的濃煙,危害也是極大的。柴油機顆粒物(PM)的生產(chǎn)機理是燃油分子經(jīng)過氧化中間產(chǎn)物或熱解產(chǎn)物形成初始凝聚相物質(zhì),通常包括各種不飽和的凝聚反應導致初始可辨認顆粒(晶核)的出現(xiàn)。顆粒物(PM)主要由碳煙、未燃燒的燃油、潤滑油、硫酸鹽等組成,能導致身體炎癥,并引起哮喘和心肺疾病。此外,GB 20891-2014標準對HC+NOx進行了限制,但由于此次測量未測HC,因此無法判斷這項指標是否超標。因此,在后續(xù)檢測中需要補充這些檢測指標。
雖然中國內(nèi)陸漁船排放總體達標,但由于漁船數(shù)量眾多,排放總量也不容小視。新材料的運用可以減少大量的能源消耗,據(jù)統(tǒng)計,玻璃鋼船比同尺度鋼質(zhì)船舶節(jié)省燃油可達10%,也相應地減少了污染的排放[22-24]。應大力鼓勵漁船上使用太陽能、風能和LNG等清潔能源[15-27]??梢灾贫ㄒ恍┙?jīng)濟補償、減稅等激勵政策,鼓勵老舊漁船的更新?lián)Q代,從而推進漁船柴油機空氣污染的治理工作的平穩(wěn)進行。
開展?jié)O船尾氣排放調(diào)研是漁船防治大氣污染的基礎性工作。通過對內(nèi)陸捕撈漁船進行的調(diào)研,了解了內(nèi)陸漁船柴油機實際使用及排放情況,對其尾氣排放面臨的問題有了初步的認識,為相關漁船監(jiān)管部門制定漁船廢氣排放標準、制定防治漁船大氣污染控制方案提供了技術支持。初步了解了中國內(nèi)陸漁船使用燃油的品質(zhì)情況,為后續(xù)油品升級提供了相關的參考依據(jù)。通過調(diào)研、實船檢測、油品抽樣檢測及研究分析,內(nèi)陸捕撈作業(yè)漁船尾氣排放總體情況較好,但仍有進一步提升的空間。
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Investigation on Exhaust Emissions of Inland Fishing Vessels in China:A Case Study of Fishing Boats in Hunan and Jiangxi
Bao Xuteng,Huang Yixin,Zhao Ping
(Institute of Fishery Machinery and Equipment,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China)
With the development of environmental protection and the sustainable development of economy and society,the issue of exhaust emissions from fishing vessels has gradually attracted attention of management and industry.Interviews were conducted in Yueyang,Yuanjiang and Shangrao in Hunan and Jiangxi,and a field detection of nine fishing vessels was carried out with the smoke test instrument,including eight wood ships and one steel ship,whose length were all below 12 m and the total power was less than 44.1 kW.Nine oil samples were taken and sent to the national professional institution through a professional transport company for testing and analysis.The results showed that the index of CO emission of three fishing boats did not reach the discharge standard of the third stage under low running speed conditions,which was less than 5.5 g/(kW·h),the other six fishing boats were all reached the discharge standard,the rate was 83.3%.According to the classification requirements of GB252-2015 ordinary diesel oil,all oil samples met the requirements and the passing rate was 100%.On the whole,the exhaust emissions from fishing boats in inland China have less impact on air quality.There is almost no correlation between the emission and the service year of diesel engine.The fuel quality should be improved,contaminant emissions should be reduced,and the development and application of the post treatment system of exhaust gas should be strengthened.The overall emission of fishing vessels in inland is better,but there is still room for further improvement.
Tail Gas of Fishing Boat;Air Pollution;Energy Saving and Emission Reduction;Inland Fishing Vessel
X511
A論文編號:cjas17070021
漁政管理項目“漁業(yè)節(jié)能減排宣傳與技術基礎研究工作”(2017LKY012)。
鮑旭騰,男,1983年出生,浙江蘭溪人,助研,碩士,主要從事漁業(yè)裝備工程技術及信息戰(zhàn)略研究。通信地址:200092上海市楊浦區(qū)赤峰路63號3號405室,Tel:021-65978533,E-mail:baoxuteng@fmiri.ac.cn。
2017-07-21,
2017-10-12。