河北省白洋淀區(qū)域船舶大氣污染物排放現(xiàn)狀與特征分析

王國(guó)柱，谷廣鋒，劉銘輝, ，陳新宇，閆 肅，岳廣照

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院 天津 300457； 2. 中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津 300457；3. 河北索奇汽車電子科技有限公司 河北唐山 064400)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，化石能源消耗量持續(xù)增加，國(guó)內(nèi)霧霾天氣頻頻發(fā)生，大氣污染形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。我國(guó)大氣污染類型較多，除燃煤型污染，機(jī)動(dòng)車污染、鋼鐵型污染等[1]之外，船舶尾氣排放所帶來(lái)的大氣污染也不容小視。船舶行駛或停泊期間會(huì)排放大量污染物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)船舶排放的HC、NOx、SO2、顆粒物分別為8.9、151.1、58.8、10.9萬(wàn)t[2]，分別占非道路移動(dòng)源污染物排放總量的12%、27%、99%、25%。隨著國(guó)家對(duì)交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整和機(jī)動(dòng)車管控力度的加強(qiáng)，這一占比將持續(xù)增長(zhǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)船舶大氣污染物排放的研究?jī)H局限于少數(shù)港口，多是側(cè)重于排放清單研究且較多采用國(guó)外排放因子[3-4]，在上海港[5]、青島港[6]、天津港[7]以及廈門市[8]、廣東省[9]等地的少數(shù)港口與區(qū)域開(kāi)展船舶排放清單及污染特征研究，表明船舶排放大氣污染物的理化特征受船舶種類、燃油質(zhì)量、運(yùn)行狀態(tài)等影響。伏晴艷等[5]通過(guò)對(duì)上海港船舶數(shù)量、噸位、種類、排放因子等多種要素展開(kāi)分析研究，獲得9種船舶和4種運(yùn)行工況下的排放清單與溫室氣體的排放量。劉靜等[6]基于GIS地理信息系統(tǒng)EnviMan復(fù)合源大氣擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)青島港的大氣污染物排放量的空間模擬計(jì)算。金陶勝等[7]通過(guò)選擇排放因子與燃料消耗進(jìn)行計(jì)算，建立天津港運(yùn)輸船舶大氣污染物排放清單。國(guó)內(nèi)船舶尾氣排放對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響研究很少，尤其是內(nèi)河湖泊內(nèi)船舶尾氣排放污染研究較少，如宋亞楠[10]利用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)，在國(guó)內(nèi)開(kāi)展內(nèi)河船舶在實(shí)際工作狀態(tài)下的排放特性研究工作；苑帥等[11]提出了一種內(nèi)河航道船舶尾氣排放清單快速計(jì)算方法，并建立了10個(gè)控制斷面的船舶排放清單。隨著人類對(duì)于居住環(huán)境要求的提高，開(kāi)展此方面的研究迫在眉睫。

白洋淀地處京津冀腹地，位于雄安新區(qū)，涉及安新縣、雄縣，水域面積366km2，是華北平原最大的淡水湖。白洋淀是國(guó)家重點(diǎn)旅游區(qū)和開(kāi)放區(qū)，該區(qū)域內(nèi)船舶分為游客船、公務(wù)船以及渡船。景點(diǎn)游船所使用的船外機(jī)一般為化油器二沖程汽油機(jī)，燃料主要是汽油或液化石油氣?；茉吹娜紵氏鄬?duì)較低，排放惡劣。2018年7月，國(guó)家啟動(dòng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃，明確要求加強(qiáng)船舶尾氣污染防治，制定更嚴(yán)格的船舶大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)。各地相繼開(kāi)展大氣污染物治理行動(dòng)，船舶對(duì)大氣環(huán)境的污染主要來(lái)源于船用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的燃燒，排放的污染物主要包括SOx、NOx、PM、CO、HC等成分[12]。本研究通過(guò)對(duì)白洋淀區(qū)域船舶排放尾氣污染物進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合船舶燃料的實(shí)地調(diào)研信息，進(jìn)而評(píng)估白洋淀船舶尾氣污染物排放現(xiàn)狀。

1 儀器與方法

1.1 測(cè)試對(duì)象

由于白洋淀區(qū)域船舶種類以及發(fā)動(dòng)機(jī)種類較多，為全面評(píng)估船舶尾氣排放情況，本研究通過(guò)調(diào)查船舶種類與發(fā)動(dòng)機(jī)配置狀況，分別選取區(qū)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量最多類型的船舶作為研究對(duì)象，測(cè)試機(jī)型與數(shù)量如表1所示。

表1 測(cè)試船舶信息Tab.1 Information of tested ships

1.2 測(cè)試時(shí)間與方法

本次測(cè)試時(shí)間為2018年11月28日、29日、 30日，分別對(duì)所選取的代表性船舶進(jìn)行船舶尾氣污染物濃度測(cè)試。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下的排放有很大差異，為使測(cè)試結(jié)果盡可能地貼近實(shí)際運(yùn)行情況，等量加載每條船舶年平均載客重量(人或重物)，按照游覽速度進(jìn)行測(cè)試。游客船測(cè)試方法：為減少寒冷天氣對(duì)于測(cè)試的影響，對(duì)所測(cè)試船舶進(jìn)行15min的熱機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)貼近運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)試過(guò)程按照離岸、正常運(yùn)行(按照游覽速度)10～20min (計(jì)時(shí)、計(jì)里程)、靠岸過(guò)程進(jìn)行測(cè)量。渡船則按照滿載測(cè)試1個(gè)往返過(guò)程的排放量。

1.3 測(cè)試儀器

Testo(德圖)350排放測(cè)量?jī)x，用于測(cè)試船舶尾氣中NOx、CO、SO2等污染物濃度；Nano MET-3便攜式顆粒物測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試船舶尾氣中顆粒物的濃度；碳?xì)浠衔餃y(cè)量?jī)x用于測(cè)量船舶尾氣中的碳?xì)浠衔?HC)濃度；GH-60E型自動(dòng)煙氣采樣器自動(dòng)測(cè)量煙氣流速、溫度等參數(shù)并等速采集煙氣。采用12V蓄電池供電或220V便攜式發(fā)電機(jī)供電。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)上述儀器測(cè)出的污染物濃度值需結(jié)合船舶尾氣排氣量計(jì)算每年污染物排放物量，由于白洋淀渡船發(fā)動(dòng)機(jī)為機(jī)械式柴油機(jī)，其排氣流量集中，柴油機(jī)排氣流量可以使用流量計(jì)直接測(cè)量。白洋淀區(qū)域游船發(fā)動(dòng)機(jī)均為船外機(jī)，其排氣通道由兩部分組成：水上排氣孔和水下排氣孔，其中水下排氣孔與螺旋槳集成。因此，船外機(jī)的排氣流量不可直接測(cè)量，本次白洋淀非柴油船舶排氣量采取以下方式進(jìn)行粗略評(píng)估。

非柴油船舶年氣排氣量根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料油耗以及空燃比進(jìn)行計(jì)算：

式中，i為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)功率(kW)，Qi為功率為i的船舶年排氣量(kg)，Ri為功率為i的船舶年總?cè)剂嫌秃?kg)，A/F為空燃比。

不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率船舶各類污染物排放量：

式中，i為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)功率，j為污染物種類，Ei,j為發(fā)動(dòng)機(jī)功率為i的j類污染物的年排放量(kg)，Cj為儀器設(shè)備所測(cè)j類污染物的濃度(mg/m3)。

1.5 白洋淀游船污染物排放等效計(jì)算

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年白洋淀區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)功率不高于37kW船舶數(shù)量為700余艘，超過(guò)白洋淀船舶總數(shù)的80%。目前GB 15097—2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第一、二階段)》適用于額定凈功率大于37kW的第1類和第2類船用發(fā)動(dòng)機(jī)，而白洋淀大氣污染物主要來(lái)源于11kW與35kW游船，不適用此標(biāo)準(zhǔn)；GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第三、四階段)》適用于含額定凈功率不超過(guò)37kW的船用柴油機(jī)，而11kW與35kW游船的燃料為汽油。因此，為更好衡量污染物排放現(xiàn)狀，本次按照當(dāng)前國(guó)五乘用車排放法規(guī)進(jìn)行計(jì)算。按照法規(guī)要求最大限值，選取基準(zhǔn)質(zhì)量大于1760kg的汽油車標(biāo)準(zhǔn)為參照[13](此標(biāo)準(zhǔn)限值最大)，見(jiàn)表2。

表2 汽油車尾氣污染物排放限值標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Emission limit standard of gasoline vehicle exhaust pollutants

本研究假定乘用車每年運(yùn)行20000km，按照法規(guī)最大限值進(jìn)行排放，各種污染物分別達(dá)到白洋淀船舶大氣污染物的年總排放量所需的車輛總數(shù)，按照 表3進(jìn)行換算。

表3 不同污染物等效車輛排放量Tab.3 Equivalent vehicle emissions of different pollutants

1.6 白洋淀區(qū)域船舶信息統(tǒng)計(jì)

對(duì)各船隊(duì)進(jìn)行走訪調(diào)查，白洋淀各類型船舶數(shù)量、運(yùn)行時(shí)間以及年燃料消耗量信息統(tǒng)計(jì)如表4所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果中將100艘29kW船舶通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)功率換算等效為84艘35kW的船舶，其中44kW雙發(fā)船舶按單發(fā)乘二進(jìn)行估算。

表4 白洋淀船舶信息情況Tab.4 Information of ships in Baiyangdian lake

2 結(jié)果分析

2.1 不同類型船舶排氣量與大氣污染物排放清單

通過(guò)Testo(德圖)350排放測(cè)量?jī)x等測(cè)試儀器，分別得到不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的大氣污染物，如顆粒物(PM)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)，其排放濃度見(jiàn)表5。不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率游船通過(guò)燃料量與空燃比估算總排氣量，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)流量計(jì)可得年度總排氣量。35kW游客船的數(shù)量最多且年運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，所以年總排氣量最多，達(dá)到1.23×104t；11kW游客船年平均運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，年總排氣量位居第2，達(dá)到9.00×103t。44kW、66kW以及80kW 3種類型船舶的年總排氣量相差不大，分別為1.00×103t、8.41×102t、7.5×102t，而110kW的船舶年運(yùn)行時(shí)間最少，排氣量只有3.0×102t。

表5 不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)污染物排放濃度Tab.5 Pollutant concentration of different power engines

通過(guò)年排氣量與儀器所測(cè)不同污染物的濃度進(jìn)行計(jì)算，白洋淀內(nèi)所有船舶污染物排放總量為1798.50t，其中PM0.86t、SO260.20t、CO 1445.90t、NOx8.23t、HC 283.30t，見(jiàn)圖1。

2.2 白洋淀區(qū)域船舶大氣污染物排放特征

白洋淀區(qū)域各類船舶污染物排放總量如圖2所示。游客船污染物排放占比達(dá)到99.49%，而公務(wù)船污染物排放量與渡船污染物排放量分別占0.41%、0.10%。各污染物排放中以CO排放量最大，達(dá)到80.39%，HC化合物次之，然后是SO2，見(jiàn)圖3。這與目前國(guó)內(nèi)港口船舶污染物排放特征略有差異，如2010年上海港[5]、深圳市[14]與2018年廈門港口[8]船舶大氣污染物排放順序?yàn)镹Ox、SO2、CO，這些港口船舶燃料油主要為柴油；而2012年大連海域遠(yuǎn)洋船舶(包括貨船與郵輪)污染物排放特征[15]略有差異，其污染物排放順序?yàn)镹Ox、SO2和PM10，主要原因可能是大連進(jìn)出港遠(yuǎn)洋船舶使用硫含量為2.7%的重油。白洋淀船舶污染物排放特征不同于以上港口，可能是其燃料主要為混合油以及石油氣，而僅有渡船使用的燃料為柴油。柴油渡船年燃料消耗量?jī)H為3.3%，但氮氧化物排放的貢獻(xiàn)達(dá)到19.0%，說(shuō)明柴油燃料消耗主要產(chǎn)生NOx，與上述港口船舶污染物排放具有相似性。

白洋淀船舶大氣污染物排放順序?yàn)橛慰痛竟珓?wù)船＞渡船，與白洋淀是國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū)，區(qū)域內(nèi)船舶主要是供游客游玩使用相符合，表明白洋淀大氣污染物主要來(lái)源于游客船。

2.3 不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)船舶大氣污染物的排放情況

不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)船舶污染物排放對(duì)于各種污染物的貢獻(xiàn)率如圖4所示，11kW與35kW發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量較多與運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于PM、SO2、CO、NOx排放的貢獻(xiàn)比例之和超過(guò)95%，11kW和35kW的船舶是白洋淀大氣污染物的主要來(lái)源；而NOx的所占比例之和僅為67.57%，80kW的柴油渡船對(duì)于NOx的排放貢獻(xiàn)率為19.0%，說(shuō)明NOx排放量受燃料種類影響較大。圖4中11kW發(fā)動(dòng)機(jī)船舶對(duì)于SO2的貢獻(xiàn)率大于35kW的船舶，11kW發(fā)動(dòng)機(jī)SO2的貢獻(xiàn)率為65.95%，35kW發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)率為33.84%，通過(guò)計(jì)算，11kW所用的混合油的含硫率為3.31%(m/m)，而35kW發(fā)動(dòng)機(jī)所用混合油的含硫率為1.21% (m/m)，80kW柴油機(jī)所用的柴油的含硫率為0.12% (m/m)。據(jù)2015年12月交通部印發(fā)的《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，自2018年1月1日起，船舶在排放控制區(qū)內(nèi)所有港口靠岸停泊期間應(yīng)使用硫含量≤0.5%(m/m)的燃油。自2019年1月1日起，船舶進(jìn)入排放控制區(qū)應(yīng)使用硫含量≤0.5%(m/m)的燃油，目前白洋淀游客船所使用的燃油硫含量勉強(qiáng)達(dá)到2018年中國(guó)排放控制區(qū)內(nèi)除所有港口之外的其他區(qū)域(硫含量≤3.5%)，如表6所示，隨著藍(lán)天計(jì)劃持續(xù)開(kāi)展以及污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的繼續(xù)進(jìn)行，白洋淀燃料油的品質(zhì)必須提升或者加裝污染物處理裝置，才能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提升。

表6 硫氧化物排放控制時(shí)間表[16]Tab.6 Sulphur oxide emissions control schedule

2.4 白洋淀區(qū)域船舶大氣污染物排放等效車輛數(shù)

目前船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不適用于白洋淀游船，為了更好地量化白洋淀大氣污染物排放 情況，通過(guò)將不同污染物排放量換算成等效車輛排放數(shù)，可以更好地對(duì)白洋淀的污染物排放情況進(jìn)行評(píng)估，見(jiàn)圖5。白洋淀游船各類污染物排放等效車輛數(shù)排放順序?yàn)镠C等效車輛數(shù)＞CO等效車輛數(shù)＞PM等效車輛數(shù)＞NOx等效車輛數(shù)。雖然HC污染物排放量排在第2位，但等效車輛排放數(shù)最大，表明HC排放情況最嚴(yán)重；CO污染物排放量是最高的，但是排放嚴(yán)重狀況在第二位。其中35kW各項(xiàng)污染物排放等效車輛數(shù)均是最高的，等效車輛總數(shù)為129073輛；35kW發(fā)動(dòng)機(jī)HC污染物排放占比最大，等效車輛數(shù)為74047輛，11kW發(fā)動(dòng)機(jī)HC污染物排放等效車輛數(shù)次之，為10699輛。而CO污染物排放等效車輛總數(shù)為31848輛，其中35kW發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放等效車輛數(shù)20538輛，11kW發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放等效車輛數(shù)10699輛。

3 結(jié)論

①2018白洋淀船舶污染物排放總量1798.50t，其中PM 0.86t、SO260.20t、CO 1445.90t、NOx8.23t、HC污染物283.30t。以CO的排放量最大，占比達(dá)80.39%，白洋淀內(nèi)船舶的主要污染來(lái)源于游客船，并以35kW發(fā)動(dòng)機(jī)船舶的污染物排放量為最大。

②2018年不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率的船舶對(duì)于白洋淀大氣污染物的貢獻(xiàn)率順序?yàn)?5kW＞11kW＞66kW＞44kW＞110kW＞80kW，其中11kW船舶對(duì)于二氧化硫的貢獻(xiàn)率最高，其燃料的含硫率高達(dá)3.31%(m/m)，燃油品質(zhì)有待提高；柴油燃料的消耗主要產(chǎn)生NOx污染物。

③雖然白洋淀船舶CO污染物排放量最大，但結(jié)合汽車最大排放法規(guī)限值來(lái)看，白洋淀區(qū)域船舶的HC排放等效的車輛數(shù)量最多，表明該地區(qū)的HC排放情況最為嚴(yán)重。