通過尾氣估算船用燃油硫含量的岸基嗅探法實驗

胡健波,朱建華,彭士濤,趙宏鑫,洪寧寧

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

2016年起，我國珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)正式啟用，要求在十三五期間逐步實現(xiàn)排放控制區(qū)內(nèi)的船用油硫含量不得高于0.5%的控制目標[1-2]。由于不同硫份含量的柴油之間存在較大的價格差異[3]，如果沒有有效的監(jiān)管方法，期望船主自覺使用更高成本的低硫柴油并不現(xiàn)實，海事部門如何檢查船舶是否在排放控制區(qū)使用了低硫油是關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的方法包括檢查航海日志中的換油記錄、抽取油樣檢測等，存在登船難度大、檢查效率低的問題。各國海事部門都對不登船、遠程、快速的船用油硫含量遙測技術(shù)存在迫切需求，以實現(xiàn)高效、精準執(zhí)法，使得船舶排放控制區(qū)的實施具備更強的可操作性[4]。西方發(fā)達國家已有十余年的船舶排放控制區(qū)管理經(jīng)驗，積累了不少相關(guān)技術(shù)的研究成果；通過查閱并梳理文獻可知，嗅探法是國外研究并應用較多的船用燃料油硫含量遙測方法[5]。

在我國船舶排放控制區(qū)管理實踐的起步階段，引入并推廣嗅探法十分必要。本文在天津港碼頭上開展岸基嗅探法實驗，證實了嗅探法的有效性以及一些需要注意的事項，為建立基于嗅探法的全國排放控制區(qū)高硫油船舶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)打下扎實的基礎(chǔ)。

1 方法

1.1 嗅探法原理

嗅探法是翻譯自外國文獻中的“Sniffing method”一詞，字面直譯為“聞法”，是通過聞味道的方式實現(xiàn)非接觸探知遠處釋放味道物體本身的特征，故而翻譯成“嗅探法”更加貼切。在本文中，嗅探法是通過船舶航行過程中排放的尾氣實現(xiàn)不登船遙測船用燃油硫含量的目的，幫助海事部門識別排放控制區(qū)內(nèi)違規(guī)使用高硫油的嫌疑船舶。

嗅探法基于3個假設(shè)：一是不同硫含量的船舶燃油中的碳含量差異不大，都是87%左右[6-8]；二是油中的C和S元素經(jīng)過燃燒后絕大多數(shù)生成CO2[9]和SO2[10-11]，其它碳氧化物和硫酸鹽的比例可以忽略；三是CO2和SO2隨風擴散稀釋但比例不變，分子量差異產(chǎn)生的沉降速率差異在隨風擴散過程中可以忽略不計?；谝陨霞僭O(shè)，可以通過船舶下風向某處同步測量尾氣的CO2和SO2濃度，反推油中的硫含量，公式如下

硫含量=硫[kg]/油[kg]×100%=87%×((SO2尾氣[ppm]-SO2背景[ppm])×32) / ((CO2尾氣[ppm]-CO2背景[ppm])×12) =(ΔSO2[ppb] /ΔCO2[ppm]×0.232)%

(1)

1.2 儀器設(shè)備

油品中的硫含量檢測儀器是姜堰市高科分析儀器有限公司生產(chǎn)的ZXS-2000型 X熒光測硫儀，CO2監(jiān)測儀器是美國LICOR公司生產(chǎn)的LI-6400XT型便攜式光合儀(只用其環(huán)境CO2濃度數(shù)據(jù))，SO2監(jiān)測儀器是武漢市天虹儀表有限責任公司生產(chǎn)的TH-2002H型紫外熒光法二氧化硫分析儀。

1.3 岸基嗅探法實驗

圖1 實驗場地——天津港南疆港區(qū)神華煤碼頭裝卸機駕駛艙外Fig.1 The measurement location outside the cockpit of a loading crane on Shenhua coal terminal in Nanjiang part of Tianjin Port

選擇天津港南疆港區(qū)神華煤碼頭的裝卸機駕駛艙外作為實驗場地，該處位置距離天津港主航道中心線300 m左右，通行船舶離監(jiān)測點位的實際水平距離約100～500 m。該處距離碼頭地面高度27 m，離水面則不到30 m，高度比較理想，基本上能夠與大噸位船舶的煙囪高度齊平。除了船舶尾氣之外，該處周邊數(shù)公里內(nèi)無其他大型燃油、燃煤煙囪，港內(nèi)機械和卡車等分散且排放量較小的尾氣擴散至該處時已經(jīng)完全融入到背景中，因此不存在會誤判為船舶尾氣的干擾源。

本次實驗耗時2 d，分別是2017年4月25日(天氣預報北風3～4級)和2017年4月27日(天氣預報西北風3～4級轉(zhuǎn)4～5級)，風向保證了該監(jiān)測點位能夠接收到通過北面天津港主航道進出港船舶的尾氣。實驗結(jié)束后，查詢中國天氣網(wǎng)濱海新區(qū)的整點風力風向?qū)崨r數(shù)據(jù)，實驗期間的風力風向數(shù)據(jù)與預報結(jié)果基本一致。在實驗的同時，對有條件使用高硫油的大噸位船舶拍照并利用激光測距儀測距。實驗期間，神華煤碼頭處有大型散貨船正在裝船作業(yè)，但是該船的煙囪位于監(jiān)測點位的東面，在北風和西北風的條件下該船輔機尾氣不會擴散至監(jiān)測點位。

圖2 天津港主航道過往船舶CO2和SO2監(jiān)測曲線(2017年4月25日)Fig.2 CO2 and SO2 monitoring curves of the passing ships along the main channel of Tianjin Port (April 25, 2017)

2 結(jié)果

2017年4月25日，天氣預報北風3～4級。本次實驗共監(jiān)測到6個較明顯的SO2波峰，都有對應的CO2波峰，對應的是6艘較大噸位的散貨船、油輪、集裝箱船。由于風速較小，每艘船經(jīng)過監(jiān)測點上風向與航行方向交點處之后，需要等待2～4 min監(jiān)測曲線才開始出現(xiàn)波峰。監(jiān)測期間也間歇性出現(xiàn)過微風甚至無風的時期，船舶經(jīng)過時無法形成信號波峰。另外，CO2監(jiān)測曲線的波峰數(shù)量明顯多于SO2，主要是因為港區(qū)內(nèi)有大量的小型船舶過往，例如本次監(jiān)測期間經(jīng)過的這類船舶有中海油的船、供油船、海警船、拖輪等。這類船舶只用輕柴油，市面上正規(guī)的輕柴油的硫含量不超過0.035%，遠低于高硫油的硫含量，因此只能形成CO2波峰，幾乎無法形成明顯的SO2波峰。

值得注意的是，本次實驗實際上一直持續(xù)到當天15時，但是由于13時至15時之間的時間段內(nèi)風速過小(便攜式風速儀測得平均風速小于1 m/s)，尾氣擴散至監(jiān)測點時濃度過低無法檢出，未能形成CO2和SO2波峰。本次實驗充分證明了岸基嗅探法的一個必要前提條件，即要有風能夠?qū)⑽矚狻按怠钡奖O(jiān)測點。

圖3 天津港主航道過往船舶CO2和SO2監(jiān)測曲線(2017年4月27日)Fig.3 CO2 and SO2 monitoring curves of the passing ships along the main channel of Tianjin Port (April 27, 2017)

2017年4月27日，天氣預報西北風3～4級轉(zhuǎn)4～5級。本次實驗共監(jiān)測到7個較明顯的SO2波峰，都有對應的CO2波峰，對應的是7艘較大噸位的散貨船、油輪、集裝箱船。由于風速較大，每艘船經(jīng)過監(jiān)測點位上風向后約1～2 min內(nèi)監(jiān)測曲線開始出現(xiàn)波峰。其中，第一艘船的波峰比較寬，歷時約3 min，主要是因為該船航速較慢；最后一艘船的波峰最寬，歷時約5 min，主要是因為該船來自于天津港東疆航道(圖 1中衛(wèi)星影像中上部)，從西北方向進入主航道時航行方向與風向一致，導致這段航程中該船的尾氣能夠持續(xù)擴散至監(jiān)測點。CO2監(jiān)測曲線的波峰數(shù)量明顯多于SO2，原因與4月23日的一致，這些額外的CO2波峰來自過往的只能使用輕柴油的小型船舶。有少數(shù)這類船舶的尾氣較濃(可能距離監(jiān)測點位近)，能夠形成較弱的SO2波峰，如圖 3中SO2監(jiān)測曲線的3處鼓包。

值得注意的是，本次實驗實際上一直持續(xù)到當天15時，但是由于13時至15時之間的時間段內(nèi)風速過大(大于5級，現(xiàn)場實驗人員有站不穩(wěn)的感覺)，尾氣出了煙囪后瞬間被稀釋成極低的濃度，濃度低于儀器的檢出限無法形成波峰，或者不明顯的波峰淹沒于隨機波動的背景中；另外，風速快導致尾氣在監(jiān)測點位停留時間很短，可能會小于儀器的反應時間(尤其是SO2檢測設(shè)備)，無法形成有效的CO2和SO2波峰。本次實驗充分證明了岸基嗅探法的一個必要前提條件，即風速不宜過高。

3 結(jié)語

本次實驗是在天津港碼頭上開展的監(jiān)測距離和高度均比較理想的岸基嗅探法實驗，雖然有較多的過往小型船舶的干擾，但是依然是一次比較成功的證明能夠遠距離通過尾氣遙測船用油硫含量的實驗。而且本次實驗定性地反映了岸基嗅探法的必要風力條件，即風力不宜過大和過小，根據(jù)經(jīng)驗建議在2～5級風的適宜風速環(huán)境下開展監(jiān)測。進一步的研究有必要通過尾氣擴散數(shù)學模擬的方法，以0.5%硫含量的假想船舶，定量模擬風力條件與最大監(jiān)測距離之間的關(guān)系，為我國岸基嗅探法監(jiān)測站的選址提供更加科學的依據(jù)。

另外，本次實驗并沒有評估嗅探法測得結(jié)果的準確度及其影響因素，下一步的研究應當與海事部門合作，在利用嗅探法監(jiān)測進港船舶之后，海事部門登船獲取油樣并檢測得到準確的硫含量真實值。只有如此，才能夠進一步摸清風力、距離、高度、儀器性能等對嗅探法效果的影響規(guī)律，充分掌握建站需要考慮的各種因素及其重要程度，為最終建立基于嗅探法的全國排放控制區(qū)高硫油船舶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)打下扎實的基礎(chǔ)。而且只有掌握了嗅探法的不確定性，才能明確在0.5%硫含量結(jié)果的基礎(chǔ)上上浮多少才有把握識別違規(guī)使用高硫油的船舶。