船舶尾氣黑碳測量方法實踐研究

婁春景

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

隨著環(huán)境保護越來越受重視，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)要求減少北極區(qū)域船舶航行引起的黑碳排放。船上排放黑碳的設備主要有主機、發(fā)電機和鍋爐。黑碳是在上述設備內部不完全燃燒、夾雜在尾氣中的一種燃燒產物,其在自然環(huán)境下很難分解，對極地環(huán)境的影響較大。黑碳排放之后會覆蓋在冰雪上面，在太陽光的照射下吸收能量，加快冰雪融化。黑碳的產生量與燃料和燃燒效果有關，而燃燒效果又與設備和燃燒的負荷有關。要減少黑碳排放,就需對上述設備排放的黑碳進行測量，積累數(shù)據(jù)，從而掌握其排放規(guī)律。

1 IMO推薦的測量方法

IMO推薦的測量方法有激光誘導熾熱儀法(Laser Induced Incandescence, LII)、濾紙式煙度計法(Filter Type Smoke meter, FSN)和光聲分光儀法(Photoacoustic Spectrometry, PAS)等3種[1],其基本原理如下。

1) LII：使用持續(xù)時間通常不超過20 ns的高能(約100 mJ)脈沖激光源快速加熱被測量的煙氣。煙氣中的碳粒子(煙灰)與激光束相互作用，碳粒子吸收激光光能并將其轉化為熱量,使粒子的溫度升高。粒子的溫度從煙氣溫度加熱到略低于煙塵的升華溫度( 4 000～4 400 K)。使用光學元件和光子儀對煙灰顆粒發(fā)出的熱輻射或白熾度進行測量。通過對信號進行適當?shù)男屎头治?，可獲得煙塵體積分數(shù)、原煙灰顆粒大小和特定表面積的信息[2]。

2) FSN廣泛應用于柴油機尾氣的測量中。一般是在一定的時間內用抽氣泵通過特定的濾紙從被測量的廢氣中抽取一定量的廢氣，廢氣中的顆粒物會在濾紙上沉積并使濾紙變黑。用光電儀器測量濾紙的吸光率。吸光率與廢氣的煙度成正比，即煙度越大,吸光率越大。煙度的數(shù)值一般為0～10，空白濾紙為0，全黑濾紙為10，中間程度為0～10范圍內的其他數(shù)值[3]。

3) PAS用一定波長的激光照射被測量廢氣，廢氣中的物質吸收光能，電子吸收能量變得興奮,并以熱量的方式釋放，這種釋放形成聲波。每次光脈沖之后都會發(fā)出聲波，通過傳感器可測量聲波。調整每個光脈沖的波長，可測量和繪制相應的聲波，形成材料的光譜，這就是光聲光譜技術[4]。

2 項目及設備參數(shù)

本文以上海外高橋造船有限公司在建的一型18萬噸級散貨船為例進行分析，船長292 m,寬45 m,設計吃水16.1 m,航速14.5 kn,日油耗量約50 t。該船由1臺型號為MAN 6G70MEC9.5的低速二沖程柴油發(fā)動機驅動一個固定翼螺旋槳，同時船上安裝有2臺1 000 kW和1臺900 kW的四沖程中速柴油發(fā)電機,以及1臺蒸發(fā)量為2.5 t的主機廢氣/燃油組合鍋爐。

該船試航時安裝了黑碳探針采樣器、AVL 415SE碳煙測試儀和AE-31黑碳儀,對主機、發(fā)電機和鍋爐的尾氣中的黑碳情況進行測量。試航過程中使用輕柴油、180 cSt和380 cSt的重燃油。主機和發(fā)電機的參數(shù)見表1～表2。燃油性質見表3。

表1 主機參數(shù)

表2 發(fā)電機參數(shù)

表3 燃油性質

3 測量儀器及其在18萬噸級散貨船上的應用

3.1 測量儀器的原理

該項目采用黑碳探針采樣器、AVL 415SE碳煙測試儀和AE-31黑碳儀等3種黑碳采樣器，原理分別如下。

1) 黑碳探針采樣器是一種將微柵碳膜裝于一桿狀物上的簡易采樣器。測量時直接將采樣器伸入排氣管中，微柵碳膜面向排氣方向，一定時間之后取出探針，卸下微柵碳膜冷凍保存，再進行樣品分析。該取樣器的特點是結構簡單、造價低廉、操作方便、無需電源和特別維護;缺點是微柵碳膜面積較小，采樣結果可能偏小，不能反映煙氣的實際情況,且插拔探針易造成煙氣外漏。

2) AVL 415SE碳煙測試儀是由奧地利AVL李斯特公司生產的一種濾紙式煙度計,主要由濾紙裝置、隔膜抽吸泵和光學測量頭組成。煙氣由隔膜泵抽吸,經過濾紙形成沉積，通過光學測量頭測量濾紙的染黑程度，從而得到被測煙氣的煙度值。

3) AE-31黑碳儀是美國MAGEE科技公司研制和生產的一種黑碳儀，是實時觀測黑碳氣溶膠的儀器，可同時在紫外、可見和近紅外的7個波長上對被測量的氣體黑碳氣溶膠進行連續(xù)觀測,在全球范圍內廣泛使用(包括在南極和北極)。黑碳氣溶膠是大氣氣溶膠中主要的吸光物質，對氣溶膠總的光吸收貢獻在90%～95%。黑碳儀利用黑碳氣溶膠的這種特性進行黑碳氣溶膠測量。儀器采用透光均勻的石英纖維膜采集大氣氣溶膠樣品，石英纖維濾膜基本上可消除氣溶膠非吸收成分對透過率測量的影響。AE-31黑碳儀根據(jù)采樣膜上黑碳氣溶膠對透射光造成的衰減量計算黑碳氣溶膠濃度。該測量儀本質上也是一種濾紙式煙度計。

3.2 測量儀器的安裝

在該18萬噸級散貨船上，主機排氣取樣位置設置在機艙內主機排氣管下方的雨水泄放口處。拆除泄放閥后一段原泄放管，在該位置安裝制作好的臨時測量管。臨時測量管上除了與泄放閥的連接口以外,還有2個接口，其中:下方接口用于探針測量器的放入和取出，在該處需設置合理的密封裝置,防止煙氣外泄；側邊接口用于連結軟管,抽取煙氣到AVL 415SE碳煙測試儀中，詳見圖1。

圖1 主機排氣管上黑碳測量位置示意

發(fā)電機排氣管上的測量位置與主機的類似，也布置在排氣管下方的雨水泄放口處，詳見圖2。

圖2 發(fā)電機排氣管上黑碳測量位置示意

由于鍋爐排氣管上沒有多余的接口，因此沒有在機艙內部鍋爐排氣管上安裝任何黑碳測量儀器。

利用原有排氣管上的雨水泄放口作為測量口的優(yōu)點有：

1) 測量口距燃燒設備不遠，中間沒有其他設備，測量結果能較真實地反映燃燒設備的黑碳排放情況；

2) 原有船舶管路結構不需要修改，既能減少投入成本，也不會遭到船東的抗拒及不配合；

3) 附件很少，安裝方便，對周圍的影響很小。

缺點：取樣點位于排氣管轉彎邊緣處，該處排氣流動很不平穩(wěn)，取樣的氣體可能與實際情況有差異。

排放的黑碳最后是通過機艙棚的排氣管排向大氣的，從而對環(huán)境造成直接影響。因此,在煙囪頂部排氣管的末端設置測量點，通過固定裝置將金屬軟管取樣頭固定到排氣管出口中央，將該處的廢氣引到AE-31黑碳儀進行測量，詳見圖3。在該處測量的好處是對船舶的影響最小,且該處排氣平緩,能真實地反映排氣的實際情況;缺點是金屬軟管較難固定到排氣管中心,測量點位于室外，受天氣的影響較大。

圖3 煙囪頂部測量點布置示意

3.3 黑碳檢測

探針測量：采樣時打開閥門，逐步將探針插至主排氣管中心位置，微柵碳膜面向排氣方向，采集黑碳樣本(30 s);隨后逐步將探針取出，關閉閥門，取出探針內的微柵碳膜，用酒精清潔探針，安裝新的微柵碳膜，如此反復。每個工況點和油品測量采集5個樣品。將采集的樣品冷凍保存，試航結束之后在實驗室內對這些樣品進行定性、定量分析。

當主機使用輕柴油和180 cSt重燃油時,利用AVL 415SE碳煙測試儀對主機排氣進行測量。從雨水泄放管引出的排氣通過短管上的支路引到碳煙測試儀中。當主機使用不同燃料時,有25%、50%、75%和100%等4個負荷測量點。主機的功率與船舶航速有關，在實際操作時,通過主機遙控系統(tǒng)給出不同負荷的指令，主機的功率主要消耗在螺旋槳上，船舶會得到不同的航速。每個測量點在測量之前必須平穩(wěn)運行至少10 min，采樣時間約為每次3 min，采樣流量為20 L/min，每種試驗工況下采集3個樣品。同時記錄每種測量工況下的排氣溫度。在每個負荷狀態(tài)下采集多次顆粒物的煙度值,并取其平均值作為最終結果。黑碳的比功率排放量根據(jù)ISO 8178-3:2019和柴油機工作原理,由煙度值換算得到。

發(fā)電機的功率主要消耗在電機發(fā)電上，其負荷與船上電網上的負荷有關，要改變發(fā)電機的負荷,只能通過加載或卸載電網上的負荷實現(xiàn)，且發(fā)電機一般不會運行到100%負荷。因此,發(fā)電機的測量點只能選在25%、50%和75%負荷測量點的近似位置。由于鍋爐排氣管上沒有多余的接口，因此沒有在機艙內部鍋爐排氣管上安裝任何黑碳測量儀器。在機艙棚外部通過AE-31對各設備的排氣進行測量。安裝在排氣管末端的波紋管將排氣抽吸到測量儀器中，按1：10的比例稀釋之后,經儀器在線分析得到黑碳數(shù)據(jù)。主機和發(fā)電機測量點也按使用燃料的不同選擇25%、50%、75%和100%(發(fā)電機不測)負荷測量點。每個測量點正式測量之前至少平穩(wěn)運行10 min，每個點測3個數(shù)據(jù)取平均值。鍋爐燃油側運行時一般只有1種狀態(tài)，燃燒器持續(xù)按設計狀態(tài)燃燒。測量時只需在鍋爐的燃油側排氣管內測量,每組3個數(shù)據(jù),取平均值即可。

通過實船測量的應用實踐發(fā)現(xiàn)：

1) 探針測量儀使用方便，但測量時黑碳吸附情況并不好，且放入和取出時易與管壁接觸，影響測量結果。該方法是3種方法中最不準確的一種，后續(xù)測量不建議采用該種測量方法。

2) 在機艙內部通過AVL 415SE碳煙測試儀測試，適用于機艙內部排氣管本身已有接口，需對機器設備燃燒機理進行研究的情形。但是,原有接口的位置往往較高，需架設額外的腳手架。

3) 在機艙棚外通過AE-31黑碳儀測試，更適用于船舶尾氣對大氣的影響研究,但測量是在室外進行的，受天氣狀況的影響較大。

由測量結果可知,黑碳的排放量與以下因素有關：

1) 燃料類別，燃用重燃油尾氣中的黑碳比輕柴油中的黑碳多。在原油加工過程中，一般按比重和沸點的不同，依次分離各種油品。最輕的組分總是最先分離出來，品質最高；最重的組分最后分離出來，品質最差[5]。圖4為主機和發(fā)電機排氣中黑碳顆粒測量對比。由圖4可知，主機使用380 cSt重燃油的黑碳排放量明顯高于使用180 cSt重燃油和輕柴油時的黑碳排放量。但是,發(fā)電機在使用不同燃料時的黑碳排放量區(qū)別不大，在75%負荷下，輕柴油的黑碳測量值甚至更高。這個數(shù)據(jù)只是單船測量數(shù)據(jù)，更準確的規(guī)律還需通過更多的測量和對比才能得到。

a) 主機

2) 設備不同，燃燒效果不同，排放的黑碳也不同。主機在50%～100%負荷下運行時，尾氣中黑碳測量值在15×107cm-3左右，上下波動不大；發(fā)電機在50%～75%負荷下運行時，尾氣中黑碳測量值從12×107cm-3增加到15×107cm-3，有明顯增加。

3) 設備在不同負荷下運行，燃燒效果不同，排放的黑碳也不同。由圖4可知，主機由低負荷運行變?yōu)?0%負荷運行，黑碳排放量明顯增加；主機由50%負荷運行變?yōu)?00%負荷運行，黑碳排放量略有增加。發(fā)電機的黑碳排放量隨負荷的增加而明顯增加。

黑碳產生于燃料燃燒過程中，而燃燒是一個很復雜的過程?，F(xiàn)在還沒有成熟的數(shù)學模型能計算實船航行過程中的黑碳排放量，因此還需更多地積累測量數(shù)據(jù)，掌握規(guī)律，從而為黑碳減排提供支撐。

4 結 語

本文利用18萬噸級散貨船原有排氣管，使用最少的物量設計出了實用的黑碳測量方法。通過對該船主機和發(fā)電機尾氣中的黑碳進行測量，總結出黑碳排放規(guī)律如下：

1) 使用重燃油時的黑碳排放量更大;

2) 黑碳排放量與使用的設備有關;

3) 黑碳排放量隨設備負荷的增大而增大，但是在極低或極高負荷下，單位油耗的黑碳排放量較大。

以上結論只是單船測量所得結論。相同的測量還應在其他實船上進行，從而得到更加真實的黑碳排放規(guī)律，為黑碳減排提供正確的措施和方向。在以后的黑碳測量工作中:在研究機器燃燒機理時，建議采用在機艙內抽取尾氣至AVL 415SE碳煙測試儀中的測量方法；在研究船舶尾氣對大氣的影響時，建議采用在機艙棚外抽取尾氣至AE-31黑碳儀中的測量方法。