在不同运行条件下对大型货船的颗粒和气体排放进行在线测量
摘要
本文以一艘大型货船为对象，调研其整个航行周期（包括系泊、机动操纵和巡航）的颗粒物排放因子和气态污染物排放因子。这些排放因子的量化有助于降低当前废气排放因子估算方法的不确定性。主机性能和排放参数在机动操纵和巡航状态通过实时测量得到。在船舶停靠港口期间，测量了副机55%最大持续功率时的排放。本研究中的气体和颗粒排放因子以g
（kWh）-1或＃（kWh）-1表示，并与前人的研究进行比较。结果表明，由于该船舶的燃油硫含量高，其SO2排放因子高于他人的研究结果；在船舶的不同操作条件下，颗粒数粒度分布仅显示一种模式，其峰值在40-50nm左右，以超细颗粒为主。船舶机动操纵过程中观测到的CO、HC、PM和PN排放因子远高于巡航情况下的排放因子。这些发现突出了量化和监测靠近港口地区的船舶排放的重要性，因为它们对居民健康的影响最大。
- 介绍
船舶排放的废气对环境和公共卫生都有负面影响，国际癌症机构作为世界卫生组织的一部分，根据2012的充分研究证据，将柴油机废气列为对人类健康的致癌物质。根据Viana等人(2014)的数据，与船运相关的排放是造成全球空气污染的主要原因之一，尤其是在沿海地区。2010年发表的一份评估报告发现，超过70%的船舶排放已经在内陆400公里处被检测到，并显著加剧了港口附近的空气污染(Eyring et al.， 2010)。船舶排放也导致了颗粒物和气态污染物浓度的增加，以及人口密集地区的新粒子的形成。
细颗粒物(PM2.5)的排放与肺和肺问题相关的死亡率增加有关。燃烧产生的微粒物质是一种非常小的固体和液体颗粒的复杂混合物，由许多组分组成，包括酸(如硝酸和硫酸)、有机化合物和金属。它们是强有力的气候迫使剂。此外,航运活动也大大有助于海洋酸化，船舶污染物排放的定量和定性估计正变得越来越重要。
重燃料油(HFO)包含许多杂质，包括高水平的硫和金属，由于其经济效益，几乎所有类型的船舶都使用它。Corbett(2003)估计，全球每年燃料消耗量接近2.9亿吨，其中约80%为HFO。文献资料显示，HFO是95%的二冲程低速主发动机和70%四冲程中速发动机的主要燃料(Corbett, 2003)。不同的化合物，如硫酸盐、有机碳(OC)、黑碳(BC)、灰分和重金属等，都与HFO燃烧有关。在排放控制区域(ECAs)，船舶燃料将从HFO改为馏分油或液化天然气(LNG)，以满足2014年底前的硫燃料限制。事实上在2014年末，混合燃料、混合燃料或低硫剩余船用燃料油(30元)是ECAs船舶的主要燃料。然而，这些ECAs主要限于欧洲和北美部分地区，那里只有世界人口的一小部分居住。在大多数世界人口居住的亚洲国家，这种控制措施并不存在。因此，从全球的角度来研究HFO是很重要的。
船舶排放是由国际海事组织(IMO)通过《防止船舶污染国际公约》附件六(《海洋污染公约》(MARPOL))规定的。根据这些规定，到2015年，在ECAs中，海洋燃料的含硫量将达到0.1%(按重量计算)，到2020年，全球范围将达到0.5%。继续实施修改防污公约附件六世规定是一种有效的方法来减少船舶排放, 然而，需要进一步的监管，因为燃料转向低含硫量将很可能不足以减少细颗粒和超细颗粒的排放。
在回顾与船舶排放有关的文献的基础上，有三种主要的方法来研究船舶的排放，即试验台、船舶羽流和船上测量。全球范围内的船用发动机试验台数量非常有限，从我们掌握的来看，它们在德国、瑞典和中国都有。使用HFO和船用柴油(MDO)的试验台研究引擎通常被用于研究各种负载条件和燃料类型的排放特征和组成。试验性研究对不同发动机在不同负荷下的排放特性有更好的理解，但对船舶排放进行现场测量以获得现实的排放因子是必要的。这是因为在实验室和实际使用时的发动机工作条件有很大的不同。之前的船舶羽流测量研究对船舶羽流的碳排放特性提供了重要的见解，但该方法的成本和不确定性对其构成了实际的挑战。因此，对其进行测量研究是充分调查现实排放因素的关键，但是已经进行了非常有限的研究。此外，这些船上的测量研究只集中于整个航行的一部分，如停泊、操纵或远洋航行，而据我们所知，没有人调查整个航行过程。因此，需要进行进一步的机载测量研究，特别是对整个船舶航行和超细颗粒物排放的影响的研究，以提高船舶排放因子的数据质量，并对有限的船舶排放数据库作出贡献。
本研究的目的是研究在不同操作条件下使用HFO (3.13 wt% S)的大型散货船(3.13 wt% S)在不同操作条件下（即泊位、操纵和远洋航行）的气体和粒子排放，包括超细粒子数的排放。
- 实验方法和设备设置
2.1船上船舶测量活动
这些测量是在2015年10月和11月在格莱斯顿港和纽卡斯尔港的一艘大型货船上进行的。这项工作是澳大利亚海事学院(AMC)、昆士兰科技大学(QUT)和缅因州海事学院(MMA)的合作，由国际海事大学(IAMU)和日本的日本基金会(Nippon Foundation)资助。在港口测量和评估船舶排放的援助请求信可以在图1中看到。在不同的操作条件下，在船的主要和辅助的引擎上都进行了所有要求的测量，包括有停泊，操纵和海上航行。
该船的主要技术规格及其主要和辅助柴油发动机，以及所使用的燃料如表1所示。关于船舶和它的引擎的进一步细节可以在支持信息表S1和S2中看到。该船使用HFO作为她的主要和辅助柴油发动机的燃料，这燃料的特点是在表S3。燃料的特性是由燃料补给收据和我们实验室的进一步分析所确定的。
采样仪器被放置在机械室的甲板上，在主发动机涡轮增压器后，从排气通道的两个取样口连续取样和测量废气。采样点位于涡轮增压器下游约0.2 m处。主发动机采样设置示意图如图1a所示。从第一个采样点到DMS 500稀释系统。第二个取样点用Testo 350 XL和DustTrak测量和Sable CO2监测通过稀释系统组成，如图1所示。辅助发动机的采样设置图如图1b所示，使用的气体和颗粒测量只有一个取样口。气体测量的采样线长度和流速分别为每分钟1.2米和0.98e1.2标准升(SLPM)，颗粒测量也分别为1.2 m和8.0e8.2 SLPM。
表1
船舶的主要技术参数，它的主要和辅助柴油发动机，和燃料使用。
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船 |
详细资料 |
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船东 |
澳大利亚CSL |
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船舶类型 |
散装货轮 |
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负重 |
49 502 |
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总吨数 |
27 198 |
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建造年份 |
2002 |
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主发动机 |
HHM-Man Bamp;W 6S50 MC; 6880 kW; 102 RPMb |
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辅机 |
Wartsila; 425 kW; 900 RPM |
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使用的HFO |
RMG 380; 3.13 wt% Sc |
使用DMS 500MKII快速微粒光谱仪（Cambustion，Cam-bridge，UK）通过加热的样品线以1Hz的样品频率分析粒径范围为5mmplusmn;1.0mm的粒子数量尺寸分布，并且分为两个稀释阶段 （图S2）。DMS 500将粒子的电迁移率测量与灵敏的静电计检测器相结合，可实时生成粒度数量分布。这些输出可能会进一步处理，以同时输出粒径，数量和质量。粒径范围lt;1.0 mm的颗粒物质排放因子（EFPM）是根据其应用报告DMS01（Cambustion，2015）中解释的用DMS 500测量的数字浓度计算出来的。 Cambustion开发的DMS 500主要用于非船用柴油发动机的道路上的柴油发动机。因此可能会担心其适用于船用柴油发动机。为了研究DMS 500颗粒质量输出的稳健性（通过数字测量计算），我们与DustTraktrade;颗粒质量测量进行了比较。图S3清楚地显示了DMS 500与DustTraktrade;之间的PM1.0密切对应，表明DMS 500适用于船用柴油机应用。DustTraktrade;IIAerosol Monitor 8530（美国明尼苏达州TSI公司）是一种光散射激光光度计，可为用户提供实时气溶胶质量读数，用于测量PM10，PM2.5和PM1.0的质量浓度。 DustTraktrade;在喷射式稀释器（Dekati，Kangasala，芬兰）之后进行采样，在室温下使用HEPA过滤的压缩空气进行稀释。 由于在本研究中使用二氧化碳（CO2）作为示踪气体来计算DustTraktrade;测量的稀释比（DR），因此使用Sable CA-10二氧化碳分析仪测量喷射器稀释后的CO2浓度。 使用Testo 350 XL便携式发射分析仪测量原始排气中的二氧化硫（SO2），氮氧化物（NOx），一氧化碳（CO），氧气（O2），未燃碳氢化合物（HC）和CO2等气体浓度。 这些测量结果与Sable CA-10的稀释排气测量值一起用于计算15至20的DR。
用于取样DMS 500的原始废气首先在温度为150℃，固定稀释比例为5的热空气取样点进行稀释。稀释后的样品通过加热的取样管线转移到第二个稀释阶段， 保持在150℃。这样做是为了防止水和挥发性有机化合物（VOC）如碳氢化合物和硫酸盐的冷凝，从而有助于防止在采样系统内形成新的颗粒。 二次稀释阶段是在DR比值为20e500的高倍率旋转盘稀释器（图S2）中进行。 在该稀释阶段中，样品在进入颗粒分级器之前被冷却至室温。 有关稀释条件的更多细节可参见表S4。
通过两种标准稀释系统测量的DMS 500的PM1.0浓度与通过喷射器稀释器的DustTrak TM测量的PM1.0浓度之间的相关性被用来评估稀释对颗粒质量（PM）的影响，并且示于图S3。 可以看出，两次测量的最小二乘拟合线的相关系数非常高（R2 = 0.97）。 0.993的梯度接近1，可以确信两种不同的稀释系统不会在粒子质量测量中提供任何偏差。
表S5列出了本研究中使用的更多规格的测量仪器。 有关发动机功率，发动机转速，燃油消耗量和排气温度的数据通过船舶仪器进行测量（表S4）。 测量程序符合ISO 8178-1,2006和ISO 8178-2,2008。
2.2 排放因子计算
根据ISO 8178e1,2006和ISO8178e2,2008计算排放的气相物质的排放因子和颗粒的数量/质量，使用燃料消耗率和排放的CO2来获得排气流量（方程（1））。这些计算假定燃料中的所有碳都完全转化成CO2。其中CCO2，exh和CCO2分别是废气和空气中CO2浓度（V / V％）。 PM和PN分别是颗粒质量和颗粒数的集中，单位为g m 3和＃m 3。 Ci或j，MWi或j分别表示废气中O2，CO2，CO，SO2，NOX和HC的浓度和分子量。下标i和j分别表示以％和ppm表示的气体浓度。有关燃油消耗和发动机功率的数据来自船舶仪表。由NO和NO2组成的NOx排放主要由NO的含量决定，所以NO的分子量用于计算NOX排放因子。 HC排放量表示为CH4当量，因此使用其分子量。
气体和颗粒物质的排放因子以每千瓦时发动机功率的质量或数量（g kWh 1，＃kWh 1）表示，并且标准化为温度273.15 K和压力101.325 kPa的标准条件。在这些测量中可以获得持续燃油消耗的数据，但记录的燃油消耗的时间分辨率很差，因为每小时记录一次。在理想情况下，应该每秒或至少每分钟记录一次。 （1）
（2）
(3)
(4)
(5)
- 结果与讨论
3.1航次报表
航行期间的三种船舶操作条件通常包括停泊，机动和巡航。在从格莱斯顿港到纽卡斯尔港的整个航程中，调查了特定船舶运行条件下的气相和颗粒物排放因子，包括停泊处，机动（Man）和海上。提名的第一个机动条件包括初始启动，离开港口时的操纵和加速离开港区，而第二个机动条件包括在靠近港口和关闭时的减速和操纵（图2）。当船停泊时，通常只有辅助船用发动机和锅炉正在生产电力和提供蒸汽供暖服务。但是在这项研究中，泊位排放量仅用辅助发动机计算，并且不用辅助锅炉。调查船舶操纵过程中的排放因子较少在文献中被报道，因此可以被认为是本研究的新颖性。虽然众所周知，泊位和机动运营在船舶排放总量中所占比例相对于巡航条件所占比例相对较小，但它们对港口和航运附近的空气质量有一些最重要的影响渠道。
图2。主发动机排放的船从港口Gladstone在整个航程中纽卡斯尔澳大利亚。a）主机的气态浓度：NOx、SO2、CO、O2和CO2。b）主要工程零功率和发动机速度。指定的第一种操纵条件包括初始启动、离开港口时的操纵和港口区域外的加速。第二次操纵情况包括在接近港口时减速和操纵，并关闭.
*这里只计算主引擎的排放源，但不包括辅助锅炉及引擎。
**排
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