船舶尾氣污染物排放監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卓 婧，黃曉峰

（1. 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通技術(shù)系，浙江 杭州 310053；2. 杭州海事局船舶監(jiān)督處，浙江 杭州 310053）

0 引 言

根據(jù)有關(guān)研究：全球遠(yuǎn)洋船舶每年排放的SO2總量為4.7×106～6.5×106t，占人為排放源的8%；全球船舶每年排放的NOx總量為5.0×106～6.9×106t，占全球NOx排放總量的15%；船舶排放的廢氣已成為大氣污染的重要來(lái)源之一，引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]。2016年交通運(yùn)輸部印發(fā)《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》（交海發(fā)〔2015〕177號(hào)），對(duì)船舶尾氣SOx的排放進(jìn)行控制。至此，我國(guó)開(kāi)始采取船舶排放控制區(qū)措施。但是，依靠目前的技術(shù)水平還無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，僅在船舶到港時(shí)核查其是否持有書(shū)面的燃油轉(zhuǎn)換程序、《輪機(jī)日志》、《換油記錄表》或《油類(lèi)記錄簿》和 IAPP（International Air Pollution Prevention）證書(shū)，并對(duì)船舶燃油進(jìn)行抽檢，不能全面、有效地監(jiān)測(cè)船舶尾氣排放情況。同時(shí)，對(duì)于船舶采用的清潔能源、尾氣后處理方式等替代措施，無(wú)法直接檢測(cè)其是否存在SOx排放超標(biāo)的問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)新型尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于協(xié)助港口國(guó)監(jiān)督檢查官高效地檢查船舶，維護(hù)國(guó)家利益和保護(hù)海洋環(huán)境而言，具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該船舶尾氣污染物排放監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)有的差分吸收光譜法煙氣檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶尾氣中SOx和NOx的濃度，通過(guò)航行記錄儀（Voyage Data Recorder, VDR）和船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System, AIS）實(shí)時(shí)記錄這些信息并將其傳送至海事中心，使港口海事主管機(jī)關(guān)能隨時(shí)掌握抵港船舶的燃油是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以便及時(shí)準(zhǔn)確地掌握船舶的污染物排放情況，有針對(duì)性地高效檢查船舶。船舶尾氣污染物排放監(jiān)控系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 船舶尾氣污染物排放監(jiān)控系統(tǒng)示意

系統(tǒng)的前端采集管經(jīng)一個(gè)支管伸入船舶排煙管，支管帶有濾網(wǎng)，可過(guò)濾煙氣中的顆粒物。系統(tǒng)開(kāi)啟之后，煙氣檢測(cè)儀便開(kāi)始實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶尾氣中SOx和NOx的含量。檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對(duì)接AIS和VDR的數(shù)據(jù)，一路通過(guò)VDR進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，另一路通過(guò)AIS定時(shí)與船舶的一系列動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)一起通過(guò)自帶的甚高頻（Very High Frequency, VHF）天線傳送至海事信息中心。海事管理人員可對(duì)到港船舶傳來(lái)的尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，上船實(shí)地檢查是否存在尾氣污染物超標(biāo)問(wèn)題，并對(duì)存在該問(wèn)題的船舶進(jìn)行行政處罰。

煙氣檢測(cè)儀、采集管和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置均由海事主管機(jī)關(guān)進(jìn)行鉛封，防止人為損壞。封裝檢測(cè)單元的電源由主電源和應(yīng)急電源共同提供，防止船舶主電源失電后裝置無(wú)法使用。

2 主要技術(shù)和設(shè)備

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集船舶尾氣中SOx和NOx的含量，并將其轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)值信號(hào)，其中：一路傳送至VDR保存，供后續(xù)取證使用；另一路傳送至AIS，由海事主管機(jī)關(guān)實(shí)時(shí)接收有關(guān)信息，判斷船舶是否存在污染物排放超標(biāo)問(wèn)題，便于其確切掌握船舶尾氣排放情況。系統(tǒng)運(yùn)作流程見(jiàn)圖2。方案要點(diǎn)和主要技術(shù)如下。

2.1 煙氣檢測(cè)技術(shù)

1) 煙氣采集，船舶尾氣檢測(cè)需要的是一種簡(jiǎn)單、能適應(yīng)船舶惡劣檢測(cè)環(huán)境、能同時(shí)檢測(cè)多種氣體的檢測(cè)技術(shù)。差分吸收光譜法的靈敏度高，精密度好，分析范圍廣，分析速度快，可連續(xù)自動(dòng)測(cè)定，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，可同時(shí)對(duì)SO2、NO和NO2等氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)，是一種較為理想的氣體成分和濃度分析方法，在監(jiān)控船舶柴油機(jī)尾氣排放方面有其他技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢(shì)[2]。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)作流程

2) 煙氣成分分析，即SOx和NOx的含量。

3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)，傳輸給VDR和AIS。

4) 對(duì)整個(gè)煙氣檢測(cè)單元進(jìn)行鉛封，防止船員破壞。

2.2 取樣氣路

考慮到柴油機(jī)尾氣成分較為復(fù)雜，尤其是顆粒物較多，若直接在煙道測(cè)量，既會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量效果，又會(huì)使顆粒物污染儀器。因此，對(duì)系統(tǒng)前端采集管加裝濾網(wǎng)，防止煙灰堵塞管道。后續(xù)可作一定的改進(jìn)，在氣路系統(tǒng)中加入吹灰管系。

2.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存

通過(guò)VDR實(shí)時(shí)保存煙氣檢測(cè)單元傳輸過(guò)來(lái)的SOx和NOx含量數(shù)據(jù)，以便海事工作人員上船調(diào)查取證。

2.4 檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送

將煙氣檢測(cè)單元傳輸過(guò)來(lái)的SOx和NOx含量數(shù)據(jù)傳輸至AIS，通過(guò)AIS自身的VHF發(fā)射天線，將這些數(shù)據(jù)與船舶自身的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)一起實(shí)時(shí)發(fā)送至海事信息中心。

3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 直接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

MARPOL公約附則Ⅵ要求控制船舶尾氣污染物排放，現(xiàn)有的手段是檢測(cè)船舶燃油和主機(jī)自身的改進(jìn)是否符合船級(jí)社對(duì)IAPP的要求，是一種間接手段。該系統(tǒng)對(duì)船舶尾氣采取實(shí)時(shí)抽樣的方式，直接檢測(cè)當(dāng)前階段船舶尾氣中的污染物排放值，更加具有說(shuō)服力。

3.2 監(jiān)管效能提高

當(dāng)前海事主管機(jī)關(guān)檢查船舶尾氣污染物排放的方式一般是上船抽取燃油油樣，并將其送到相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，一般需3d左右的時(shí)間出結(jié)果；另一種是通過(guò)快速測(cè)硫儀判斷船舶使用燃油的硫含量，將其作為初步判斷依據(jù)。前者時(shí)間較長(zhǎng)，執(zhí)法效率較低；后者雖然可初步判斷污染物排放情況，但設(shè)備需廣泛配備使用，且檢測(cè)的污染物單一（僅僅是硫含量），無(wú)法檢測(cè)船舶尾氣中的 NOx等其他主要污染物。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集船舶尾氣中的SOx和NOx，并將其傳送至海事信息中心，直接獲取船舶當(dāng)前的尾氣污染物排放數(shù)據(jù)。可對(duì)收到的信息設(shè)定臨界值，若船舶排放的污染物超過(guò)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則該船舶在系統(tǒng)屏幕上顯示報(bào)警紅色標(biāo)記，更加具有針對(duì)性，即使是初步判斷，其數(shù)據(jù)的廣泛性也更強(qiáng)，不需要執(zhí)法人員每次都攜帶儀器，一方面能大大降低海事工作人員上船采集油品的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面便于對(duì)采集的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，方便海事工作人員調(diào)查取證和對(duì)證據(jù)進(jìn)行保存，符合智慧海事的要求。

3.3 可靠性高，預(yù)留擴(kuò)展功能

2013年6月28日，歐盟委員會(huì)向歐洲議會(huì)和理事會(huì)提交關(guān)于“歐盟海運(yùn)CO2排放MRV”（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)則”）的立法建議。該規(guī)則于2015年7月1日生效，第一個(gè)報(bào)告期從2018年1月1日開(kāi)始，對(duì)國(guó)際海運(yùn)溫室氣體減排立法有重要影響[3]。就CO2數(shù)據(jù)收集方式而言，本文對(duì)該規(guī)則進(jìn)行了梳理，提供了4種油耗或尾氣排放的監(jiān)測(cè)方法，這4種方法的基本原理和適用性見(jiàn)表1。

表1 規(guī)則提供的油耗或尾氣排放監(jiān)測(cè)方法

規(guī)則中涉及的監(jiān)測(cè)方法、排放報(bào)告程序、核實(shí)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可、核實(shí)程序和港口國(guó)檢查信息通報(bào)等技術(shù)問(wèn)題都為原則性表述，在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中會(huì)遇到很多具體問(wèn)題。規(guī)則還指出，雖然目前僅有針對(duì)船舶CO2排放和船舶能效的相關(guān)數(shù)據(jù)，但理論上該機(jī)制可應(yīng)用于SOx和NOx等其他排放物。

由于船上現(xiàn)有的記錄無(wú)法用來(lái)推算這些數(shù)據(jù)，現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的可靠性無(wú)法保證，且成本較高，為推動(dòng)MRV規(guī)則盡快實(shí)施，該規(guī)則暫時(shí)僅針對(duì)CO2，但不排除進(jìn)一步拓展的可能性。

該裝置的優(yōu)勢(shì)在于能直接檢測(cè)，精確度較高。此外，為后期實(shí)施海運(yùn)溫室氣體MRV機(jī)制提供了預(yù)留接口，以后可繼續(xù)進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)上報(bào)溫室氣體排放數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能航運(yùn)的不斷發(fā)展，海事的智能監(jiān)管將逐漸受到關(guān)注，本文提出的船舶尾氣污染物排放監(jiān)控系統(tǒng)一方面可方便、直接地監(jiān)控船舶尾氣污染物排放情況，預(yù)留碳排放數(shù)據(jù)收集功能，另一方面可大大減少海事工作人員上船采集油品等的勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)，便于對(duì)采集的排放污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，方便海事工作人員調(diào)查取證及對(duì)證據(jù)進(jìn)行保存，順應(yīng)智慧海事的要求。