基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究

張亞朋 倪訓(xùn)鵬 張 劍 徐舜吉

一、背景

目前，無論是國(guó)際公約還是相關(guān)地區(qū)及國(guó)家的法律法規(guī)，對(duì)于船舶大氣污染物特別是硫氧化物的排放要求都越來越嚴(yán)格，關(guān)于船用燃油硫含量的法規(guī)相繼出臺(tái)并不斷修訂實(shí)施。如根據(jù)MARPOL公約附則Ⅵ第14.4條規(guī)定，在排放控制區(qū)內(nèi)的船舶所使用的燃油硫含量不得大于0.10%（m/m）。根據(jù)MEPC.305（73）決議，自2020年3月1日開始船上使用或者攜帶使用的燃油硫含量不允許超過0.50%（m/m）。同時(shí)一些國(guó)家或地區(qū)也相繼開始設(shè)立排放控制區(qū)，對(duì)船舶硫氧化物排放控制提出了更高的要求，例如歐盟法規(guī)要求在其港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過2小時(shí)的船舶不得使用硫含量超過0.10%（m/m）的船用燃油；根據(jù)《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》（交海發(fā)〔2018〕68號(hào)）在我國(guó)沿海排放控制區(qū)范圍內(nèi)的船舶使用燃油的硫含量不得超過0.50%（m/m）。

船舶排放控制區(qū)政策的落實(shí)，需要強(qiáng)有力的監(jiān)管手段作為保障。自交通運(yùn)輸部在2015年底發(fā)文設(shè)立船舶排放控制區(qū)以來，針對(duì)排放控制區(qū)內(nèi)的船舶監(jiān)管，各級(jí)海事管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同程度的探索。目前海事部門主要通過現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法過程中對(duì)燃油質(zhì)量、供受油單證、記錄文書等控制區(qū)相關(guān)要求內(nèi)容的檢查，并視情況進(jìn)行燃油取樣檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)排放控制區(qū)船舶燃油硫含量的監(jiān)管。但目前這些監(jiān)管手段存在檢查目標(biāo)比較隨機(jī)、針對(duì)性不強(qiáng)、效率相對(duì)較低等缺點(diǎn)。如何充分利用最新的科技成果，自動(dòng)識(shí)別尾氣中污染物排放量較高的船舶，指導(dǎo)海事現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法，是現(xiàn)階段急需進(jìn)行的研究。

二、嗅探技術(shù)在船舶大氣監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用情況分析

目前，按監(jiān)測(cè)技術(shù)不同，對(duì)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)手段分為嗅探技術(shù)、光學(xué)傳感和激光雷達(dá)遙測(cè)三類。激光雷達(dá)遙測(cè)主要應(yīng)用于測(cè)量空氣中顆粒物的濃度，嗅探技術(shù)和光學(xué)遙測(cè)主要測(cè)量空氣環(huán)境中污染氣體的濃度。

嗅探技術(shù)是通過傳感器采集空氣質(zhì)量信息，實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域、點(diǎn)內(nèi)主要污染物信息的采集。從嗅探器大小上區(qū)分，嗅探技術(shù)分為傳統(tǒng)嗅探器技術(shù)和微型嗅探器技術(shù)兩種；從能否移動(dòng)區(qū)分，嗅探技術(shù)可分為嗅探技術(shù)固定監(jiān)測(cè)（搭載平臺(tái)為橋梁、岸基）和嗅探技術(shù)移動(dòng)監(jiān)測(cè)（搭載平臺(tái)為無人機(jī)、直升機(jī)、固定翼飛機(jī)等飛行設(shè)備）。例如，根據(jù)各國(guó)水域港口的具體情況，歐洲ECA內(nèi)的港口國(guó)采取了不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)ECA內(nèi)在航船舶進(jìn)行監(jiān)管。其中使用的嗅探技術(shù)有比利時(shí)嗅探技術(shù)移動(dòng)監(jiān)測(cè)（定翼機(jī)機(jī)載嗅探器）、荷蘭嗅探技術(shù)固定監(jiān)測(cè)（岸基嗅探器和定翼機(jī)機(jī)載嗅探器）、丹麥嗅探技術(shù)固定監(jiān)測(cè)（Great Belt Bridge岸基嗅探器）和嗅探技術(shù)移動(dòng)監(jiān)測(cè)（直升機(jī)機(jī)載微型嗅探器）、歐洲海事局嗅探技術(shù)移動(dòng)監(jiān)測(cè)（長(zhǎng)程無人機(jī)機(jī)載微型嗅探器）、德國(guó)嗅探技術(shù)固定監(jiān)測(cè)（岸基嗅探器）。

歐盟對(duì)不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的效果研究后發(fā)現(xiàn)：在排放控制區(qū)內(nèi)使用嗅探技術(shù)對(duì)在航船舶監(jiān)管能提高登船檢查的效率，提高監(jiān)督工作的阻嚇性。例如，根據(jù)比利時(shí)2017年P(guān)SC抽樣統(tǒng)計(jì)檢查發(fā)現(xiàn)，使用嗅探技術(shù)監(jiān)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)違規(guī)燃油硫含量超標(biāo)船舶查實(shí)率由不使用嗅探技術(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)的2.7%提升至7.3%，使用嗅探技術(shù)監(jiān)管對(duì)燃油硫含量超標(biāo)船舶的查實(shí)率提升了近166%。在2017年，比利時(shí)PSC對(duì)使用嗅探技術(shù)監(jiān)管發(fā)現(xiàn)的所有警報(bào)中的40%進(jìn)行了確認(rèn)，從而驗(yàn)證嗅探技術(shù)能大大提升PSC檢查效率。經(jīng)過成本效益分析后發(fā)現(xiàn)，對(duì)排放控制區(qū)內(nèi)在航船舶監(jiān)管，使用嗅探技術(shù)比不使用嗅探技術(shù)可節(jié)約33%的成本。

由于我國(guó)自2016年才開始設(shè)立船舶排放控制區(qū)，排放控制區(qū)的監(jiān)管起步較晚，目前在上海、天津、寧波、深圳等地試行使用的基于嗅探技術(shù)的固定監(jiān)測(cè)設(shè)備均處于試驗(yàn)階段，還未取得比較成熟的、可以復(fù)制推廣的經(jīng)驗(yàn)。

三、固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建

在碼頭、航道岸邊或橋梁處等區(qū)域科學(xué)布設(shè)基于嗅探技術(shù)的固定監(jiān)測(cè)儀，并形成固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊船舶污染物排放的全方位連續(xù)性監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果將及時(shí)發(fā)送給海事相關(guān)部門，并為海事有效監(jiān)測(cè)港區(qū)碼頭、航道水域的船舶大氣污染物排放提供便利決策服務(wù)。

（一）基本原理

嗅探技術(shù)是基于傳統(tǒng)的空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過利用提取設(shè)備（嗅探器）測(cè)量尾氣煙羽內(nèi)SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此獲得燃油中的硫含量（%）。根據(jù)MEPC.259（68）廢氣清洗系統(tǒng)導(dǎo)則和相關(guān)的研究文獻(xiàn)，船用燃油或柴油中碳含量約為87%。在發(fā)動(dòng)機(jī)理想的工況下，假定燃油中的碳和硫全部燃燒分別轉(zhuǎn)化為CO2和SO2，則燃油中的硫含量可用式（1）計(jì)算：

其中：SFC為燃油中的硫含量，A（S）為硫的相對(duì)原子質(zhì)量，A（C）為碳的相對(duì)原子質(zhì)量。

（二）船舶尾氣中SO2、CO2和NO2的監(jiān)測(cè)

基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)的嗅探器為意大利Unitec生產(chǎn)的ETL3000型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀（符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)2008/50EC）。ETL3000是一款多參數(shù)監(jiān)測(cè)站，采用Unitec SENS-IT傳感器可持續(xù)戶外污染物監(jiān)測(cè)；同時(shí)為保證測(cè)量結(jié)果的高靈敏選擇性，每一個(gè)SENS-IT傳感器專門用來測(cè)量某一個(gè)成分的氣體，并通過插口連接到數(shù)據(jù)記錄裝置。數(shù)據(jù)處理裝置可以控制所有操作過程，包括持續(xù)數(shù)據(jù)獲?。?秒獲取一次數(shù)據(jù)）。

1.SO2氣體濃度的測(cè)定

對(duì)于SO2氣體的監(jiān)測(cè)采用SENS-IT（EC，電化學(xué)技術(shù)）傳感器，測(cè)量范圍為5～10 000 ppb，測(cè)量精度為20 ppb。傳感器由常溫超導(dǎo)稀土金屬（鉍）元件高精度集成，當(dāng)硫氧化物在被測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，整個(gè)恒定的超高頻常溫超導(dǎo)諧振探測(cè)場(chǎng)就會(huì)被微弱擾動(dòng)，中央處理器就會(huì)瞬間將這種微弱繞擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化分析并迅速轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。由于常溫超導(dǎo)稀土金屬（鉍）元件固有的超高頻常溫超導(dǎo)諧振特性（即超導(dǎo)高頻常溫超導(dǎo)諧振系數(shù)）只對(duì)硫氧、氮氧（SOx、NOx）黑煙量敏感，所以超高頻常溫超導(dǎo)諧振探測(cè)場(chǎng)只對(duì)污染氣體的微弱擾動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)反應(yīng)，而不會(huì)被其他氣體成分造成交叉干擾，從而能在很短的時(shí)間內(nèi)獲取所探測(cè)尾氣中硫氧化物含量的信息。

2.NO2氣體濃度的測(cè)定

對(duì)于NO2氣體的監(jiān)測(cè)采用SENS-IT（TF-MOS，厚膜金屬氧化半導(dǎo)體技術(shù)）傳感器，測(cè)量范圍為10～250 ppb，測(cè)量精度為10 ppb。傳感器的活性表面是納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體金屬氧化物，傳感器表面發(fā)生的第一個(gè)反應(yīng)是大氣中氧的吸附，由此從氧分子到半導(dǎo)體產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移。第二個(gè)反應(yīng)是NO2氣體與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)），使得電子在半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶中進(jìn)行釋放。通過提取這些反應(yīng)中所產(chǎn)生的電流信號(hào)，即可計(jì)算出NO2的濃度。

3.CO2氣體濃度的測(cè)定

對(duì)于CO2氣體的監(jiān)測(cè)采用SENS-IT（IR，紅外線技術(shù)）傳感器，測(cè)量范圍為10～5 000 ppm，測(cè)量精度為50 ppm。SENS-IT（IR，紅外線技術(shù)）傳感器是通過監(jiān)測(cè)CO2分子吸收的紅外線輻射數(shù)量來測(cè)量CO2的濃度。

（三）確定船舶尾氣煙羽經(jīng)過固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方法

當(dāng)船舶尾氣煙羽飄過固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，嗅探器監(jiān)測(cè)到的SO2、CO2的濃度會(huì)有一個(gè)上升及下降的過程，最大濃度點(diǎn)即為極值點(diǎn)。固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的極值點(diǎn)峰值則是當(dāng)時(shí)船舶尾氣擴(kuò)散至固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的各污染氣體的濃度。因此，當(dāng)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到SO2、CO2濃度出現(xiàn)極值點(diǎn)時(shí)，即表明有船舶尾氣煙羽飄過固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置。船舶尾氣煙羽經(jīng)過固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，SO2、CO2濃度變化曲線如圖1、圖2所示。

圖1 SO2濃度變化曲線

圖2 CO2濃度變化曲線

圖3 固定點(diǎn)組合監(jiān)測(cè)設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（四）系統(tǒng)組成

在實(shí)際安裝船舶尾氣污染物排放固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，采用供電電源、污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)一體化組合的辦法將其安裝到合適位置，組合監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

單個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成并正常運(yùn)行后，固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的“污染氣體傳感器系統(tǒng)”對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近所?？康拇暗腟O2、CO2、NO2等污染氣體排放情 況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過4G方式傳輸至大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)將從監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，根據(jù)設(shè)定的閾值，提取大于閾值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并綜合監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境的風(fēng)速風(fēng)向等氣象信息和AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，定位出燃油硫含量疑似超標(biāo)的船舶。然后大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)自動(dòng)把篩選出的燃油硫含量疑似超標(biāo)的船舶信息發(fā)送至海事主管機(jī)關(guān)信息發(fā)布平臺(tái)。根據(jù)該船動(dòng)態(tài)，對(duì)于欲靠本轄區(qū)的在航船舶，海事主管機(jī)關(guān)信息發(fā)布平臺(tái)將通知執(zhí)法人員登輪檢查，執(zhí)法人員在船抽取油樣并送檢監(jiān)測(cè)。對(duì)于不在本轄區(qū)靠泊的過境在航船舶，海事主管機(jī)關(guān)信息發(fā)布平臺(tái)將報(bào)警信息發(fā)送至該船的下一個(gè)目的港的海事主管機(jī)關(guān)，由其安排執(zhí)法人員登輪檢查。大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)數(shù)據(jù)處理原理如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)數(shù)據(jù)處理原理簡(jiǎn)圖

（五）影響因素分析

1.污染氣體間的交叉干擾因素

由嗅探器對(duì)氣體的監(jiān)測(cè)原理可知，嗅探器在對(duì)污染氣體監(jiān)測(cè)的過程中會(huì)出現(xiàn)污染氣體之間的交叉干擾問題。例如，嗅探器在對(duì)SO2氣體的監(jiān)測(cè)過程中會(huì)受到NO2氣體的干擾。一些研究表明，即使在嗅探器內(nèi)設(shè)置了一些算法對(duì)監(jiān)測(cè)的SO2氣體濃度值進(jìn)行修正，但污染氣體中SO2氣體的實(shí)際濃度也約為所測(cè)SO2氣體濃度減去所測(cè)NO2氣體濃度的1.2%后的值。

2.在航船舶與固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離及天氣影響

船舶排放的尾氣從船舶煙囪位置飄散至固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置的過程中，各污染物的濃度都在下降。因此，固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)嗅探器監(jiān)測(cè)的船舶尾氣的濃度與在航船舶之間的距離有關(guān)，距離越近測(cè)得的尾氣濃度越高；反之，濃度越低。雖然理論上假定各污染物的濃度下降的速率相同，但實(shí)際各污染氣體的濃度下降速率與當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、空氣溫度、濕度有很大關(guān)系。如SO2會(huì)與空氣中的水反應(yīng)，若空氣濕度太大，則船舶尾氣煙羽中SO2氣體濃度在擴(kuò)散過程中下降速率變大。

3.大氣背景值的影響

在計(jì)算所測(cè)尾氣硫碳比時(shí)，式（1）中SO2（ppb）和CO2（ppm）值為嗅探器監(jiān)測(cè)濃度值減去大氣背景值。大氣背景值偏高的話，將影響嗅探裝置對(duì)污染氣體的濃度的監(jiān)測(cè)，以致監(jiān)測(cè)的范圍變小和精度變差。

由此可見，還需進(jìn)一步研究并對(duì)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，分析各方面因素影響的權(quán)重，確定最終的固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)報(bào)警時(shí)硫碳比的閾值。

四、固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用中存在的問題

（一）從尾氣中的數(shù)據(jù)推算出的船舶燃油硫含量的精確度有待提高

當(dāng)前階段，基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究處于初始階段，通過監(jiān)測(cè)在航船舶尾氣中SO2（ppb）與CO2（ppm）的比值推算的燃油硫含量與實(shí)際上船進(jìn)行燃油取樣檢測(cè)出的結(jié)果有一定出入，監(jiān)測(cè)結(jié)果的質(zhì)量或可信度有待提高。

（二）受季節(jié)性風(fēng)向的影響，部分時(shí)間不能發(fā)揮作用

現(xiàn)階段船舶尾氣固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于外二期，碼頭沿線為東北—西南方向，當(dāng)天氣為西北風(fēng)、西風(fēng)和西南風(fēng)時(shí)，在航船舶的尾氣煙羽將不能經(jīng)過固定點(diǎn)裝置，此時(shí)，固定點(diǎn)裝置將不起作用。上海地處江海交匯的長(zhǎng)三角東部，位于東亞季風(fēng)盛行的北亞熱帶地區(qū)，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候。上海受冬夏季風(fēng)進(jìn)退影響，11月至翌年2月盛行冬季西北風(fēng)，氣候干燥寒冷；4月至8月盛行夏季東南風(fēng)，氣候暖熱濕潤(rùn)，但7、8月間在西北太平洋副熱帶高壓直接控制下，有時(shí)出現(xiàn)西南風(fēng)高溫干燥天氣；3月和9月至10月的前期是季風(fēng)轉(zhuǎn)換的過渡季節(jié)，一般以東北風(fēng)和東風(fēng)為主，低溫陰雨天氣較多。因此在11月至翌年2月西北風(fēng)和7、8月西南風(fēng)期間，此固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)可能會(huì)不起作用。

（三）船舶流量大，導(dǎo)致目標(biāo)船舶定位較難

轄區(qū)水域船舶流量大，交通密度高，在航船舶間距小。船舶排放的尾氣容易相互混合，交叉干擾現(xiàn)象多，嚴(yán)重影響固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)在航船舶尾氣含量的測(cè)定以及對(duì)燃油硫含量超標(biāo)船舶的定位。

五、對(duì)策措施

（一）綜合考慮多重因素，合理確定報(bào)警閾值

在不影響船舶航行計(jì)劃的情況下，盡可能多地對(duì)尾氣煙羽經(jīng)過固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置的船舶上船取樣并檢測(cè)。通過監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算出在航船舶燃油硫含量與實(shí)際船舶使用的燃油硫含量的對(duì)比，結(jié)合當(dāng)時(shí)大氣環(huán)境污染物背景值和風(fēng)向、濕度等天氣因素，不斷試驗(yàn)，總結(jié)出不同情況下的修正系數(shù)，進(jìn)一步確定硫碳比報(bào)警閾值，提升固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)結(jié)果的質(zhì)量或可信度。

（二）合理選擇固定監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量和位置

國(guó)際上的一些研究表明，固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)在200～500米范圍內(nèi)經(jīng)過的船舶監(jiān)測(cè)效果最好。因此，固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)選址需進(jìn)行科學(xué)的論證試驗(yàn)，根據(jù)航道特點(diǎn)和進(jìn)出船舶的特點(diǎn)，在排放控制區(qū)航道兩岸之間的合適位置布設(shè)一定數(shù)量的嗅探式固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以解決受季節(jié)性風(fēng)向影響而不能發(fā)揮作用的問題。

（三）統(tǒng)籌運(yùn)用多種技術(shù)，提升監(jiān)管的有效性

基于嗅探技術(shù)的船舶尾氣固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)正在靠離監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近泊位或在監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近航行的船舶監(jiān)管比較有效，但對(duì)遠(yuǎn)離固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)船舶的監(jiān)管有一定的局限性。建議引進(jìn)新型的固定點(diǎn)光學(xué)遙測(cè)儀器與固定點(diǎn)嗅探技術(shù)互補(bǔ)，并和無人機(jī)平臺(tái)移動(dòng)嗅探技術(shù)統(tǒng)籌并用，建立排放控制區(qū)內(nèi)在航船舶的一體化的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，搭建網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成分布廣泛的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，提供更翔實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。例如，若船舶流量密度大，固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)只能定位燃油硫含量超標(biāo)船舶范圍，則根據(jù)實(shí)際情況，選擇固定點(diǎn)光學(xué)遙測(cè)或無人機(jī)平臺(tái)移動(dòng)監(jiān)測(cè)去進(jìn)一步篩選定位燃油硫含量超標(biāo)船舶。