王国柱，谷广锋，刘铭辉, ，陈新宇，闫 肃，岳广照

(1. 中海油能源发展股份有限公司北京安全环保工程技术研究院 天津 300457； 2. 中海油节能环保服务有限公司 天津 300457；3. 河北索奇汽车电子科技有限公司 河北唐山 064400)

0 引言

随着中国经济持续增长，化石能源消耗量持续增加，国内雾霾天气频频发生，大气污染形势日趋严峻。我国大气污染类型较多，除燃煤型污染，机动车污染、钢铁型污染等[1]之外，船舶尾气排放所带来的大气污染也不容小视。船舶行驶或停泊期间会排放大量污染物，据统计，2018年我国船舶排放的HC、NOx、SO2、颗粒物分别为8.9、151.1、58.8、10.9万t[2]，分别占非道路移动源污染物排放总量的12%、27%、99%、25%。随着国家对交通运输结构调整和机动车管控力度的加强，这一占比将持续增长。

目前，国内对船舶大气污染物排放的研究仅局限于少数港口，多是侧重于排放清单研究且较多采用国外排放因子[3-4]，在上海港[5]、青岛港[6]、天津港[7]以及厦门市[8]、广东省[9]等地的少数港口与区域开展船舶排放清单及污染特征研究，表明船舶排放大气污染物的理化特征受船舶种类、燃油质量、运行状态等影响。伏晴艳等[5]通过对上海港船舶数量、吨位、种类、排放因子等多种要素展开分析研究，获得9种船舶和4种运行工况下的排放清单与温室气体的排放量。刘静等[6]基于GIS地理信息系统EnviMan复合源大气扩散模型，实现了对青岛港的大气污染物排放量的空间模拟计算。金陶胜等[7]通过选择排放因子与燃料消耗进行计算，建立天津港运输船舶大气污染物排放清单。国内船舶尾气排放对城市空气质量的影响研究很少，尤其是内河湖泊内船舶尾气排放污染研究较少，如宋亚楠[10]利用便携式排放测试系统(PEMS)，在国内开展内河船舶在实际工作状态下的排放特性研究工作；苑帅等[11]提出了一种内河航道船舶尾气排放清单快速计算方法，并建立了10个控制断面的船舶排放清单。随着人类对于居住环境要求的提高，开展此方面的研究迫在眉睫。

白洋淀地处京津冀腹地，位于雄安新区，涉及安新县、雄县，水域面积366km2，是华北平原最大的淡水湖。白洋淀是国家重点旅游区和开放区，该区域内船舶分为游客船、公务船以及渡船。景点游船所使用的船外机一般为化油器二冲程汽油机，燃料主要是汽油或液化石油气。化石能源的燃烧效率相对较低，排放恶劣。2018年7月，国家启动蓝天保卫战三年行动计划，明确要求加强船舶尾气污染防治，制定更严格的船舶大气污染排放标准。各地相继开展大气污染物治理行动，船舶对大气环境的污染主要来源于船用发动机燃料的燃烧，排放的污染物主要包括SOx、NOx、PM、CO、HC等成分[12]。本研究通过对白洋淀区域船舶排放尾气污染物进行测试，结合船舶燃料的实地调研信息，进而评估白洋淀船舶尾气污染物排放现状。

1 仪器与方法

1.1 测试对象

由于白洋淀区域船舶种类以及发动机种类较多，为全面评估船舶尾气排放情况，本研究通过调查船舶种类与发动机配置状况，分别选取区域内发动机数量最多类型的船舶作为研究对象，测试机型与数量如表1所示。

表1 测试船舶信息Tab.1 Information of tested ships

1.2 测试时间与方法

本次测试时间为2018年11月28日、29日、 30日，分别对所选取的代表性船舶进行船舶尾气污染物浓度测试。船舶发动机在不同工作状态下的排放有很大差异，为使测试结果尽可能地贴近实际运行情况，等量加载每条船舶年平均载客重量(人或重物)，按照游览速度进行测试。游客船测试方法：为减少寒冷天气对于测试的影响，对所测试船舶进行15min的热机，使发动机测试时贴近运行状态。测试过程按照离岸、正常运行(按照游览速度)10～20min (计时、计里程)、靠岸过程进行测量。渡船则按照满载测试1个往返过程的排放量。

1.3 测试仪器

Testo(德图)350排放测量仪，用于测试船舶尾气中NOx、CO、SO2等污染物浓度；Nano MET-3便携式颗粒物测试系统用于测试船舶尾气中颗粒物的浓度；碳氢化合物测量仪用于测量船舶尾气中的碳氢化合物(HC)浓度；GH-60E型自动烟气采样器自动测量烟气流速、温度等参数并等速采集烟气。采用12V蓄电池供电或220V便携式发电机供电。

1.4 数据处理

通过上述仪器测出的污染物浓度值需结合船舶尾气排气量计算每年污染物排放物量，由于白洋淀渡船发动机为机械式柴油机，其排气流量集中，柴油机排气流量可以使用流量计直接测量。白洋淀区域游船发动机均为船外机，其排气通道由两部分组成：水上排气孔和水下排气孔，其中水下排气孔与螺旋桨集成。因此，船外机的排气流量不可直接测量，本次白洋淀非柴油船舶排气量采取以下方式进行粗略评估。

非柴油船舶年气排气量根据发动机的燃料油耗以及空燃比进行计算：

式中，i为船舶发动机功率(kW)，Qi为功率为i的船舶年排气量(kg)，Ri为功率为i的船舶年总燃料油耗(kg)，A/F为空燃比。

不同发动机功率船舶各类污染物排放量：

式中，i为船舶发动机功率，j为污染物种类，Ei,j为发动机功率为i的j类污染物的年排放量(kg)，Cj为仪器设备所测j类污染物的浓度(mg/m3)。

1.5 白洋淀游船污染物排放等效计算

据统计，2018年白洋淀区域发动机功率不高于37kW船舶数量为700余艘，超过白洋淀船舶总数的80%。目前GB 15097—2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》适用于额定净功率大于37kW的第1类和第2类船用发动机，而白洋淀大气污染物主要来源于11kW与35kW游船，不适用此标准；GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》适用于含额定净功率不超过37kW的船用柴油机，而11kW与35kW游船的燃料为汽油。因此，为更好衡量污染物排放现状，本次按照当前国五乘用车排放法规进行计算。按照法规要求最大限值，选取基准质量大于1760kg的汽油车标准为参照[13](此标准限值最大)，见表2。

表2 汽油车尾气污染物排放限值标准Tab.2 Emission limit standard of gasoline vehicle exhaust pollutants

本研究假定乘用车每年运行20000km，按照法规最大限值进行排放，各种污染物分别达到白洋淀船舶大气污染物的年总排放量所需的车辆总数，按照 表3进行换算。

表3 不同污染物等效车辆排放量Tab.3 Equivalent vehicle emissions of different pollutants

1.6 白洋淀区域船舶信息统计

对各船队进行走访调查，白洋淀各类型船舶数量、运行时间以及年燃料消耗量信息统计如表4所示，统计结果中将100艘29kW船舶通过发动机功率换算等效为84艘35kW的船舶，其中44kW双发船舶按单发乘二进行估算。

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

2 结果分析

2.1 不同类型船舶排气量与大气污染物排放清单

通过Testo(德图)350排放测量仪等测试仪器，分别得到不同功率发动机在运行过程中所产生的大气污染物，如颗粒物(PM)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)，其排放浓度见表5。不同发动机功率游船通过燃料量与空燃比估算总排气量，柴油发动机通过流量计可得年度总排气量。35kW游客船的数量最多且年运行时间较长，所以年总排气量最多，达到1.23×104t；11kW游客船年平均运行时间最长，年总排气量位居第2，达到9.00×103t。44kW、66kW以及80kW 3种类型船舶的年总排气量相差不大，分别为1.00×103t、8.41×102t、7.5×102t，而110kW的船舶年运行时间最少，排气量只有3.0×102t。

表5 不同发动机运行时污染物排放浓度Tab.5 Pollutant concentration of different power engines

通过年排气量与仪器所测不同污染物的浓度进行计算，白洋淀内所有船舶污染物排放总量为1798.50t，其中PM0.86t、SO260.20t、CO 1445.90t、NOx8.23t、HC 283.30t，见图1。

2.2 白洋淀区域船舶大气污染物排放特征

白洋淀区域各类船舶污染物排放总量如图2所示。游客船污染物排放占比达到99.49%，而公务船污染物排放量与渡船污染物排放量分别占0.41%、0.10%。各污染物排放中以CO排放量最大，达到80.39%，HC化合物次之，然后是SO2，见图3。这与目前国内港口船舶污染物排放特征略有差异，如2010年上海港[5]、深圳市[14]与2018年厦门港口[8]船舶大气污染物排放顺序为NOx、SO2、CO，这些港口船舶燃料油主要为柴油；而2012年大连海域远洋船舶(包括货船与邮轮)污染物排放特征[15]略有差异，其污染物排放顺序为NOx、SO2和PM10，主要原因可能是大连进出港远洋船舶使用硫含量为2.7%的重油。白洋淀船舶污染物排放特征不同于以上港口，可能是其燃料主要为混合油以及石油气，而仅有渡船使用的燃料为柴油。柴油渡船年燃料消耗量仅为3.3%，但氮氧化物排放的贡献达到19.0%，说明柴油燃料消耗主要产生NOx，与上述港口船舶污染物排放具有相似性。

白洋淀船舶大气污染物排放顺序为游客船＞公务船＞渡船，与白洋淀是国家级风景区，区域内船舶主要是供游客游玩使用相符合，表明白洋淀大气污染物主要来源于游客船。

2.3 不同功率发动机船舶大气污染物的排放情况

不同功率发动机船舶污染物排放对于各种污染物的贡献率如图4所示，11kW与35kW发动机数量较多与运行时间较长，对于PM、SO2、CO、NOx排放的贡献比例之和超过95%，11kW和35kW的船舶是白洋淀大气污染物的主要来源；而NOx的所占比例之和仅为67.57%，80kW的柴油渡船对于NOx的排放贡献率为19.0%，说明NOx排放量受燃料种类影响较大。图4中11kW发动机船舶对于SO2的贡献率大于35kW的船舶，11kW发动机SO2的贡献率为65.95%，35kW发动机的贡献率为33.84%，通过计算，11kW所用的混合油的含硫率为3.31%(m/m)，而35kW发动机所用混合油的含硫率为1.21% (m/m)，80kW柴油机所用的柴油的含硫率为0.12% (m/m)。据2015年12月交通部印发的《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》，自2018年1月1日起，船舶在排放控制区内所有港口靠岸停泊期间应使用硫含量≤0.5%(m/m)的燃油。自2019年1月1日起，船舶进入排放控制区应使用硫含量≤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强达到2018年中国排放控制区内除所有港口之外的其他区域(硫含量≤3.5%)，如表6所示，随着蓝天计划持续开展以及污染防治攻坚战的继续进行，白洋淀燃料油的品质必须提升或者加装污染物处理装置，才能满足排放标准的进一步提升。

表6 硫氧化物排放控制时间表[16]Tab.6 Sulphur oxide emissions control schedule

2.4 白洋淀区域船舶大气污染物排放等效车辆数

目前船舶发动机排气污染物排放标准不适用于白洋淀游船，为了更好地量化白洋淀大气污染物排放 情况，通过将不同污染物排放量换算成等效车辆排放数，可以更好地对白洋淀的污染物排放情况进行评估，见图5。白洋淀游船各类污染物排放等效车辆数排放顺序为HC等效车辆数＞CO等效车辆数＞PM等效车辆数＞NOx等效车辆数。虽然HC污染物排放量排在第2位，但等效车辆排放数最大，表明HC排放情况最严重；CO污染物排放量是最高的，但是排放严重状况在第二位。其中35kW各项污染物排放等效车辆数均是最高的，等效车辆总数为129073辆；35kW发动机HC污染物排放占比最大，等效车辆数为74047辆，11kW发动机HC污染物排放等效车辆数次之，为10699辆。而CO污染物排放等效车辆总数为31848辆，其中35kW发动机CO排放等效车辆数20538辆，11kW发动机CO排放等效车辆数10699辆。

3 结论

①2018白洋淀船舶污染物排放总量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，占比达80.39%，白洋淀内船舶的主要污染来源于游客船，并以35kW发动机船舶的污染物排放量为最大。

②2018年不同发动机功率的船舶对于白洋淀大气污染物的贡献率顺序为35kW＞11kW＞66kW＞44kW＞110kW＞80kW，其中11kW船舶对于二氧化硫的贡献率最高，其燃料的含硫率高达3.31%(m/m)，燃油品质有待提高；柴油燃料的消耗主要产生NOx污染物。

③虽然白洋淀船舶CO污染物排放量最大，但结合汽车最大排放法规限值来看，白洋淀区域船舶的HC排放等效的车辆数量最多，表明该地区的HC排放情况最为严重。