船舶黑碳排放測算方法

嚴(yán) 青，張?jiān)漆?，?璇，欒 揚(yáng)

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

海運(yùn)是全球化貿(mào)易和制造業(yè)供應(yīng)鏈的支柱，世界商品貿(mào)易量的五分之四以上通過海上運(yùn)輸[1]。大量船舶投入海上運(yùn)輸，不僅帶來巨大的能源消耗，而且造成空氣污染和溫室氣體排放量不斷增長，導(dǎo)致全球氣候變暖和各類空氣污染問題[2]。例如二氧化硫、氮氧化物、顆粒物(PM)、黑碳、一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)、二氧化碳、氨和在體積分?jǐn)?shù)較高的煙氣中經(jīng)快速反應(yīng)過程形成的二次細(xì)顆粒物(PM2.5)，均屬于船舶排放的物質(zhì)。船舶黑碳排放是航運(yùn)業(yè)對氣候影響的第二重要來源[3]。從全球來看，船舶黑碳造成氣候變暖的潛能約占航運(yùn)業(yè)整體排放的20%[4]。北極理事會(huì)黑碳和甲烷專家組指出，國際航運(yùn)業(yè)黑碳排放量目前約占北極黑碳排放量的5%。船舶黑碳減排已成為一種急迫的全球戰(zhàn)略，不僅可減緩氣候變化，而且可提高地區(qū)的空氣質(zhì)量[5]。目前，船舶黑碳排放監(jiān)測和區(qū)域船舶黑碳排放量計(jì)算仍存在較多不足。深入展開進(jìn)一步研究，對于認(rèn)識(shí)治理船舶黑碳排放的緊迫性、有針對性地提出船舶黑碳減排的具體舉措、響應(yīng)國際海事組織(IMO)船舶黑碳減排的號(hào)召、為IMO溫室氣體減排計(jì)劃采取實(shí)際行動(dòng)具有重要意義。

1 黑碳概述

1.1 黑碳的定義

1978年，黑碳在城市污染中被分離出來。黑碳是由化石燃料、生物燃料和生物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的碳基氣溶膠，是PM2.5的一種組分。IMO對黑碳的定義[6]如下：黑碳是一種強(qiáng)吸光碳質(zhì)材料，通過碳基燃料的不完全燃燒產(chǎn)生固體顆粒物質(zhì)。黑碳含有80%以上的質(zhì)量碳，其中較大部分為sp2鍵合碳，在排放時(shí)形成空氣動(dòng)力學(xué)20～50 nm直徑的小碳球體的聚合體。黑碳吸收所有可見波長的太陽輻射，新排放的黑碳在550 nm中可見波長下具有5 m2/g的質(zhì)量吸收率。這種光吸收的強(qiáng)度隨顆粒的組成、形狀、尺寸分布和混合狀態(tài)而變化。

1.2 黑碳的影響

黑碳為深色，吸收大部分入射太陽輻射并直接使大氣變暖。由于黑碳是一種留存時(shí)間較短的污染物，在大氣中僅停留數(shù)天或數(shù)周，因此減少黑碳排放具有直接的氣候和健康益處。

(1)對氣候的影響

由于黑碳在吸收光線和加熱周圍環(huán)境方面較為高效，因此黑碳是導(dǎo)致氣候變暖的重要因素。對于每單位質(zhì)量，黑碳對氣候變暖的影響為二氧化碳的460～1 500倍。在懸浮于大氣中時(shí)，黑碳通過將入射的太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱量促進(jìn)變暖，并影響云的形成、區(qū)域環(huán)流和降雨模式。在沉積于冰雪上時(shí)，黑碳和共同排放的顆粒會(huì)降低表面反照率(反射陽光的能力)并加熱表面。這是北極和喜馬拉雅山脈等冰川地區(qū)容易融化的原因。

(2)對健康的影響

黑碳及其共同污染物是PM2.5空氣污染的關(guān)鍵組分，是導(dǎo)致健康狀況不佳和過早死亡的主要環(huán)境原因。這些顆粒的直徑為2.5 μm或更小，可滲透至肺部的最深處，并促進(jìn)有毒化合物進(jìn)入血液。PM2.5對健康造成許多影響，不僅導(dǎo)致患有中風(fēng)、心臟病、慢性呼吸道疾病(如支氣管炎)和哮喘等癥狀的成年人病情加重或過早死亡，而且導(dǎo)致患有肺炎等急性下呼吸道感染的兒童過早死亡。據(jù)估算，家庭和環(huán)境(室外)的PM2.5空氣污染每年導(dǎo)致700萬人過早死亡。

(3)對植被和生態(tài)系統(tǒng)的影響

黑碳可通過多種方式影響生態(tài)系統(tǒng)：沉積于植物葉子上并提高其溫度；使到達(dá)地球的陽光變暗；改變降雨模式。不斷變化的降雨模式會(huì)對生態(tài)系統(tǒng)和人類生計(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，例如擾亂對亞洲和非洲大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)至關(guān)重要的季風(fēng)。

1.3 船舶黑碳排放

航運(yùn)業(yè)是較重要的人為排放來源。全球海運(yùn)貿(mào)易的持續(xù)增長導(dǎo)致航運(yùn)總溫室氣體排放量已由2012年的9.77億t增至2018年的10.76億t[7]。船舶的單位貨物排放量雖相對較低，但總體而言在排放量中占比較大。包括國際、國內(nèi)和漁業(yè)活動(dòng)在內(nèi)的船舶黑碳總排放量由2012年的8.9萬t增至2018年的10.0萬t，增長12.4%，而同期二氧化碳排放量增長9.4%。與世界其他地區(qū)相比，北極船舶黑碳的排放量增長10倍，2015—2019年增長85%，而全球僅增長8%。極地冰的縮小使北極航運(yùn)量預(yù)計(jì)繼續(xù)增長，北極黑碳排放量將持續(xù)增長。據(jù)研究[8]，在北極(60°～90° N)排放的黑碳使北極表面溫度升高的幅度幾乎是中緯度(28°～60° N)的5倍。

2 IMO與船舶黑碳

IMO從關(guān)注船舶黑碳到現(xiàn)今采取多種船舶黑碳減排行動(dòng)，整個(gè)進(jìn)程已近14 a。IMO較早關(guān)注黑碳問題是在2008年10月海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)第58次會(huì)議上，會(huì)議討論相關(guān)文件，對來自航運(yùn)業(yè)對氣候變化產(chǎn)生重大影響排放物的各種減排方法進(jìn)行總結(jié)和分析，其中包含黑碳排放產(chǎn)生影響的信息[9]。2011年，IMO開始考慮如何減少航運(yùn)對北極的影響。IMO的船舶黑碳工作計(jì)劃包括3個(gè)初步步驟：確定黑碳的定義；確定測量船舶黑碳的適當(dāng)方法；確定適當(dāng)?shù)姆椒刂拼昂谔寂欧拧?/p>

2015年，IMO明確黑碳的定義；2018年，IMO就測量黑碳的適當(dāng)方法達(dá)成一致；2019年，IMO同意多達(dá)41種適當(dāng)方法控制船舶黑碳，包括使用更清潔的燃燒燃料和在柴油顆粒過濾器中捕獲黑碳；在2019年后，IMO致力于鼓勵(lì)成員國探尋和確定潛在的控制措施，以鼓勵(lì)成員國解決黑碳排放對北極的威脅。自2010年第一份關(guān)于船舶黑碳的提案至今，IMO已采納127篇有關(guān)船舶黑碳的提案，其中25篇專門關(guān)注北極黑碳情況。2008—2021年IMO關(guān)于黑碳內(nèi)容的相關(guān)會(huì)議如表1所示，其中：BLG為散裝液體和氣體分委會(huì)，后調(diào)整至PPR(污染及應(yīng)對分委會(huì))；DE為船舶設(shè)計(jì)與設(shè)備分委會(huì)。2010—2021年IMO關(guān)于北極黑碳主題的提案如表2所示，其中：INF(information)為信息提案，僅提供信息。

表1 2008—2021年IMO關(guān)于黑碳內(nèi)容的相關(guān)會(huì)議

表2 2010—2021年IMO關(guān)于北極黑碳主題的提案

3 船舶黑碳排放量計(jì)算方法

計(jì)算船舶黑碳排放量應(yīng)確認(rèn)黑碳排放系數(shù)，分為主機(jī)黑碳排放系數(shù)、輔機(jī)黑碳排放系數(shù)和鍋爐黑碳排放系數(shù)，其中：主機(jī)黑碳排放系數(shù)較為重要，占比較大。由于在運(yùn)輸方式中航運(yùn)業(yè)是對排放物監(jiān)管較少的行業(yè)之一，因此目前使用的所有發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料類型的黑碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)普遍缺乏。船舶黑碳排放系數(shù)可根據(jù)不同因素變化，包括發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、使用年限、額定功率、燃料類型和維修間隔時(shí)間等。

3.1 船舶黑碳排放測量方法

不同來源的黑碳具有其特定的測量方法，但沒有哪種方法可較好適用于測量所有來源的黑碳[10-13]。IMO推薦使用如下3種方法：

(1)光聲光譜法(Photoacoustic Spectroscopy，PAS)。該方法的測量結(jié)果較為精確。采用一定波長的激光照射被測船舶排氣，船舶排氣中的物質(zhì)吸收光能，電子吸收能量變得興奮，并以熱量的方式釋放，形成聲波，通過傳感器可測量聲波，形成材料光譜[14]。

(2)濾紙式煙度值法(Filter Smoke Number，F(xiàn)SN)。該方法通過測試濾紙的吸光率推算吸附的黑碳體積分?jǐn)?shù)[15]，被廣泛用于柴油機(jī)排氣測量。一般是在一定的時(shí)間內(nèi)采用抽氣泵通過特定的濾紙從被測排氣中抽取一定量的氣體，排氣中的顆粒物會(huì)在濾紙上沉積并使濾紙變黑，再用儀器測量濾紙的吸光率[14]。但該方法的測量精度取決于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度[16]。濾紙式煙度值法易于操作，目前已被廣泛使用[17]。

(3)激光誘導(dǎo)熾光法(Laser Induced Incandescence，LII)。該方法使用持續(xù)時(shí)間通常不超過20 ns的高能(約100 MJ)脈沖激光源快速加熱被測船舶排氣[14]，其產(chǎn)生黑體輻射的強(qiáng)度與船舶排氣粒子體積分?jǐn)?shù)成正比。

此外，可利用光學(xué)原理，使用含顆粒吸光濾片的光度計(jì)，如顆粒煙灰吸收光度計(jì)(Particle Soot Absorption Photometer，PSAP)和多角度吸收光度計(jì)(Multiangle Absorption Photometer，MAAP)，對船舶排氣進(jìn)行光衰減程度測試[15]，并通過光吸收系數(shù)和波長質(zhì)量吸收系數(shù)比值量化黑碳。由于其他含碳物質(zhì)對結(jié)果產(chǎn)生影響，因此該方法并不精確[18]。同樣，熱分解測定法由于具有其他含碳物質(zhì)的影響，因此結(jié)果并不準(zhǔn)確[18]。熱光學(xué)分析法(Thermal Optical Analysis，TOA)將上述2種方法結(jié)合起來，可較準(zhǔn)確測量黑碳粒子體積分?jǐn)?shù)，但測量設(shè)備價(jià)格較高[18]。

3.2 船舶黑碳排放量的計(jì)算方法

船舶黑碳排放量作為主機(jī)類型、燃料類型和主機(jī)負(fù)載的函數(shù)估計(jì)，其公式[4]如下：

(1)

式中：i為船舶類型；t為工作時(shí)間，h；k為主機(jī)類型；m為燃料類型；n為主機(jī)負(fù)載系數(shù)；p為船舶狀態(tài)(航行、操縱、錨泊、停泊)；BCi為船舶i的黑碳排放量，g；FCMEi,t為船舶i在工作時(shí)間t的主機(jī)燃料消耗量，kg；EFMEk,m,n,t為主機(jī)黑碳排放系數(shù)，g/kg，為工作時(shí)間t、主機(jī)類型k、燃料類型m和主機(jī)負(fù)載系數(shù)n的函數(shù)；DAEp,i,t為船舶i在工作時(shí)間t、船舶狀態(tài)p的輔機(jī)功率，kW；EFAEk,m為主機(jī)類型k與燃料類型m的輔機(jī)黑碳排放系數(shù)，g/(kW·h)；DBOp,i,t為船舶i在工作時(shí)間t、船舶狀態(tài)p的鍋爐功率，kW；EFBOm為燃料類型m的鍋爐黑碳排放系數(shù)，g/(kW·h)。

根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)可得出單位時(shí)間船舶黑碳排放量，根據(jù)船舶狀態(tài)和時(shí)間得出船舶黑碳排放量，并以船舶為單位歸總至該類型船舶。

目前國際上對于船舶黑碳排放量的估算方法一般分為2類[19]：自上而下法，即通過船舶燃料消耗量乘以對應(yīng)的排放系數(shù)；自下而上法，即根據(jù)船舶不同的主機(jī)負(fù)載情況在單位時(shí)間內(nèi)對船舶黑碳排放量進(jìn)行計(jì)算。式(1)采用后者。后續(xù)以船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不同類型船舶和不同航行狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)，利用回歸模擬計(jì)算方法建立區(qū)域船舶黑碳測算方法[20]。

4 結(jié) 語

綜述船舶黑碳排放測算方法，列舉IMO自2008年以來關(guān)于黑碳內(nèi)容的相關(guān)會(huì)議和關(guān)于北極黑碳主題的提案。從環(huán)境保護(hù)(尤其是北極)的角度來看，黑碳排放非常值得關(guān)注。但目前各研究成果的黑碳排放系數(shù)可能與實(shí)際相差10倍以上，導(dǎo)致在估算船舶黑碳排放在全球黑碳排放的占比時(shí)存在不確定性。如何改進(jìn)船舶黑碳排放系數(shù)和較為精準(zhǔn)計(jì)算船舶黑碳排放量仍是值得深入研究并具有實(shí)際意義的問題。