英语原文共 8 页

机动船的NO_X和颗粒物排放

Hulda Winnes，Erik Fridell

摘要

由于通常用于燃烧的重质燃料油和大多数船舶发动机的燃烧特性，船舶废气含有高水平的颗粒和氮氧化物。船舶操纵过程中废气的量化并未引起太多关注。这项研究提供了两艘船舶主发动机的排放测量结果，并描述了机动排放的数量和潜在影响。观测到的氮氧化物水平在整个机动期间变化低于巡航速度时的变化。然而，在选择性催化还原系统运行中，情况正好相反，在整个机动过程中检测到以数量浓度测量的升高的颗粒排放水平。在发动机的启动和关闭时，还存在峰值浓度的颗粒。这一增长足以让人怀疑在短时间内以低速行驶的方式对港口城市的空气质量产生显着影响。

关键词

机动船舶；海洋运输；大气排放；NOx；粒子

第一章 绪论

PM_2.5，即所谓的颗粒物，由于它们在健康风险中的作用而作为空气质量的指标而受到越来越多的关注，并且因为它们主要归因于人为排放。欧盟和美国或将拥有它们的相关议程，空气质量标准调节PM₁₀，PM_2.5 和NO₂的水平。欧洲和美国的上限值略有不同，但世界卫生组织（WHO）的年平均目标最高值10 lg /m³ 低于美国和欧洲的颗粒物质标准（欧洲议会-理事会，2008年；美国环境保护局，2010年)。在欧洲，超过50％的农村背景网站均报告PM_2.5，年平均浓度高于这些目标（EMEP监督和评估合作计划针对欧洲大气污染物的长期传播，2008年)。欧洲农村背景水平NO₂ 平均为15-30 lg / m³，世界上许多大城市的城市浓度超过40 lg / m³（世界卫生组织，2006年)。

航程中的船舶操作一般分为三种模式：在港，机动和海上。大多数全球排放是在船舶在海上时排放的，但是当船舶在港口时燃烧的燃料份额约为6％，主要是由于辅助发动机产生的电力（英国长效有限公司，2002年)。机动排放量占三种模式排放的最低比例，但由于靠近陆地，它们可能对港口城市的当地空气质量产生影响。

海上作业和机动之间的排放因子也存在差异。瑞典环境研究所IVL数据库建议NOx 的排放因子为14.0和11.2 g / kWh以及颗粒物质（PM）分别为0.5和1 g/ kWh，适用于中速柴油发动机和海上残余油和机动。船舶废气中污染物浓度的标准船上测量是在设计速度下进行的，通常在最大连续额定值（MCR）的80％左右，或在减速时但在稳态条件下进行，稳态近似与机动过程中的实际排放相似程度的研究很少。

每千瓦时测量的NOx和PM的船舶排放远远超过其他运输模式的排放。此外，大多数容器用于推进的重质燃料油（HFO）具有高含量的硫和多环芳烃（PAH）。目前正在就引入更高质量的船用燃料（称为海洋馏分油（MDO））的潜力进行辩论，监管框架即将逐步实现对这些精细油品的逐步转变。使用这些油将大大减少SO₂、PM和PAH以及NOx 的排放约5％。为了实现NOx 排放的大幅减少，需要发动机改装或废气排放控制设备的车载安装。可能需要采取补充技术措施来减少颗粒物的排放即使从残油转换为瓦斯油后，累积范围为（~0.1-2 um）。

我们量化了船舶机动阶段NOx 和颗粒的排放，测量了两个发动机排气配备不同尺寸的四冲程柴油发动机，仅包括主引擎。在排气稀释后使用两种技术测量颗粒物质，其中一种涉及数量大小分布，另一种使用玻璃纤维过滤器用于PM的收集和重量分析。NOx 与CO₂，CO，O₂，SO₂ 和总烃（THC）一起连续测量。

第二章 方法

测量是在两艘船的主发动机上进行的。其中一艘是11000载重吨的产品油轮，于2007年建成，配备1年制四冲程主发动机，功率为4500千瓦和600转/分。另一艘是2003年建造的渡轮，配备四台四冲程发动机，每台发动机分别为12600千瓦和500转/分。四个发动机中的每一个都有一个单独的排气漏斗，测量一次在一个发动机上进行。渡轮上的测量包括来自两个主发动机的废气分析。所有测量仪器都安排在机房高处的甲板上，废气从该甲板上的排气管中切出的孔中取样，靠近漏斗的末端。使用不同的孔洞连续监测NO_x，SO₂，CO₂，HC，CO和O₂，并通过根据ISO8178标准的稀释系统进行颗粒测量。渡轮上的排气系统配备有用于NO_x 还原的选择性催化还原（SCR）系统。当排气温度达到300℃时系统接通，水溶液中的尿素被引入催化剂上。在所研究的操纵期间未达到所需的温度，并且在一种情况下SCR系统在行程期间保持关闭，其包括两个操纵时段。油轮上没有减排装置。然而，这两艘船在2000年之后都被搁置，使它们受制于国际海事组织（IMO）（2002年）I级NO_x规则。在测量过程中，两艘船舶也仅在硫排放控制区域（SECA）内航行，其中船用燃料中的硫含量限制在1.5％。

进行了八次机动排放测量系列：七次每天在两个港口之间的提供班轮服务且在四个泊位停靠的渡轮上；另一次在油轮离开码头时。两艘船的结果范围有所不同，因为在油轮上使用了更多的仪器，并且在这种情况下机动持续的时间比渡轮持续的时间更长。另一方面，渡轮测量包括七个操纵周期。为了保持一致性，操纵周期定义为从发动机启动到全速稳态负载保持一分钟，同样，发动机减速前一分钟直到发动机关闭被认为是机动，全速可以对应于最大连续额定值（MCR）的75％，85％或90％，采样周期为20至50分钟。这些周期对应于观察发动机负荷并保持稳定时过滤器上的颗粒集合。所有的操纵都是在平静的天气里进行的。

两艘船都使用重质燃料油作为主发动机，燃料分析的结果见于表格1。这两种燃料油彼此相似，但硫含量除外，这是油轮燃料的三倍左右，密度和粘度也略高一些。

使用光学仪器Grimm 1.108在稀释的排气中分析粒子数量分布，通过激光散射在15个通道中给出0.30-20mu;m范围内的尺寸分布，检测上限为2times;10⁹ part / m³。15个通道中的每一个代表尺寸范围，其宽度在0.1-5mu;m的粒径范围内变化。在部分流稀释系统中使用玻璃纤维过滤器测量总颗粒质量。稀释比例变化从8.4到20.8，由稀释和未稀释废气之间的CO₂ 比计算。稀释气体的温度为28-40℃，符合ISO 8178标准，规定温度低于52℃进行类似测量（国际标准化组织，1996年)在收集之前和之后通过重量分析对过滤器进行分析。

在热废气中连续测量许多气体的浓度。使用不锈钢探针管监对氮氧化物（Horiba PG-250化学发光仪器），一氧化碳和二氧化碳（Horiba PG-250 NDIR），氧气（Horiba PG-250原电池），总烃（Bernath Atomic BA 3006 FID）和二氧化硫（Horiba PG-250 NDIR）进行检测，所述探针管在整个排气通道中具有多个孔洞。

监测温度和湿度，并根据国际标准ISO 8178校正湿度和温度。根据CO₂ 测量和燃料消耗产生的CO₂ 流量计算废气流量根据：

其中CO₂()的摩尔体积为22.26dm³/ mol，为每单位时间排气中CO₂的摩尔数，为该排气中CO₂的百分浓度和是空气中CO₂的百分浓度，近似表明燃料中的所有碳都形成CO₂ （国际海事组织，1997年)。从船舶仪表获得有关发动机功率、燃料消耗、中间冷却空气温度和扫气压力的数据。

第三章 结论

图1显示了渡轮典型行程的颗粒排放数量随时间的变化以及油轮的延长机动周期。与蒸汽期间的平均水平相比，颗粒测量明确地显示在操纵期间数量浓度高度增加。

在整个机动过程中可以看到波动，另一个明显的特征是在发动机启动和关闭时观察到的颗粒峰值。35分钟后在油轮上观察到的颗粒峰值，可以通过从大约60％到90％的负荷的快速增加来解释，导致颗粒从排气系统的壁重新夹带。来自油轮的废气含有比来自渡轮的两个发动机的废气更高的颗粒数浓度，这可能是由于前者燃料的硫含量较高。在主发动机1的测量期间记录75％和85％负荷的最高颗粒数浓度。表2显示了15个测量系列中颗粒数浓度的最高和最低平均值。

在全速时，平均数量浓度低于机动期间，并且在75％和85％负载情况之间没有发现实质性差异。标准偏差比巡航速度条件下的平均值小约一个数量级，但在标准偏差在平均值的26％和56％之间的机动过程中显着更高。

考虑到碳平衡，计算出废气流量后，得到每秒喷出的颗粒数（国际海事组织，1997年)。关于两个机动测量系列的连续燃料消耗数据可用，但燃料消耗数据的时间分辨率很差，注入分析的不确定性。每秒PM的值在机动期间波动，但在正常操作期间的排放水平高于排放。这两个时期持续了29和24分钟，都代表了接近港口时的机动时期。平均发动机负荷分别为19％和17％，两个系列的颗粒/秒的平均值分别为2.3times;10¹¹ 和1.4times;10¹¹。这些值可以与在巡航期间观察到的每秒1.0times;10¹¹ 和2.0times;10¹¹ 颗粒之间的值相关。最高值（2.0times;10¹¹/ s）来自ME2的测量，而所有其他测量均在ME1上进行。未计算的任何测量系列都没有足够的燃料消耗数据。概述结果给出了表3这也提供了与不同负载条件下的燃料消耗相关的排放值。根据每升燃料，机动周期的数量高于巡航速度的任何值。

粒度分布显示出所有三种发动机的类似模式，在全速条件下比在机动过程中具有更大的直径gt; 0.40mu;m的颗粒。在粒子数浓度中没有观察到明显的差异。在发动机冷启动后或在发动机运转超过两小时时发动机停机时的操纵期间的操作。图2表示从七个测量系列中的每一个的三个特征周期获得的平均值，其中可获得尺寸分布数据;顶部和中间元素分别代表正常机动和全速条件，底部代表发动机启动后和发动机停机前数量浓度峰值的一分钟平均值（见图1一个例子）。将每个通道的颗粒浓度值除以通道宽度，以考虑通道之间的变化。

在全速下，约60-70％的颗粒直径为0.30-0.40mu;m；具有最小尺寸（Dp = 0.30-0.50mu;m）的两个部分在全速期间包含80％-90％并且直径gt; 0.8mu;m的颗粒表示lt;总数的3％。来自机动发射峰值的数量大小分布类似于“正常”机动大小分布，其中在包括最小尺寸（0.30-0.40mu;m）的部分中发现的颗粒数量的相应平均值分别为76％和79％。一个峰值区别于数字大小分布，类似于全速条件。

对两艘船进行了按质量计算的PM总排放量（表4）。对于油轮，机动的PM排放覆盖了发动机平均42％的负荷。得到的排放因子为0.58克/千瓦时，而温度为65-70％MCR的发动机的稳态负荷使PM排放因子为0.53克/千瓦时。来自渡轮的平均颗粒排放因子为0.20g / kWh，包括六个操纵时段的测量。观察到接近船舶和离开码头的船舶之间的差异，其中接近船舶的平均排放因子为0.16克/千瓦时，离港船舶的平均排放因子为0.23克/千瓦时。但是，这些结果基于少量测量。该渡轮的全速平均排放因子在75％负荷时为0.12克/千瓦时，在85％时为0.13克/千瓦时，总平均值为0.12克/千瓦时。

气体测量显示在机动期间NO_x 浓度波动，但浓度低于船舶全速记录的浓度。随着机动继续并且排气管中的温度相对较低，SCR系统不运行。图3显示了SCR对NO_x 排放浓度的影响。

根据一个发动机在四个机动期间的测量值，在机动期间渡轮上的特定NO_x 排放平均为11.0g / kWh。对于75％负载下的全速测量，SCR系统运行时NO_x 排放因子小于2.0 g / kWh，没有SCR时NO_x 排放因子约为18.0 g / kWh。对从相同的四个周期发射的NO_x 的平均总质量的计算表明，每个发动机在持续的操纵期间发射16kg NO_x 持续25-30分钟。油轮负荷变化和减少的时间更长（图4）。在低负荷下发现CO和THC水平升高，35分钟后THC达到一个峰值。

油轮操纵的具体排放基于发动机启动后最初37分钟的平均值。在机动过程中NO的特定排放_x 高于50％的稳态排放因子。lt;

资料编号：[5400]