船舶尾氣污染物排放監控系統設計

卓 婧，黃曉峰

（1. 浙江機電職業技術學院 交通技術系，浙江 杭州 310053；2. 杭州海事局船舶監督處，浙江 杭州 310053）

0 引 言

根據有關研究：全球遠洋船舶每年排放的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源之一，引起了國際社會的廣泛關注[1]。2016年交通運輸部印發《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》（交海發〔2015〕177號），對船舶尾氣SOx的排放進行控制。至此，我國開始采取船舶排放控制區措施。但是，依靠目前的技術水平還無法實現有效的實時監控，僅在船舶到港時核查其是否持有書面的燃油轉換程序、《輪機日志》、《換油記錄表》或《油類記錄簿》和 IAPP（International Air Pollution Prevention）證書，并對船舶燃油進行抽檢，不能全面、有效地監測船舶尾氣排放情況。同時，對于船舶采用的清潔能源、尾氣后處理方式等替代措施，無法直接檢測其是否存在SOx排放超標的問題。因此，開發新型尾氣實時監控系統，對于協助港口國監督檢查官高效地檢查船舶，維護國家利益和保護海洋環境而言，具有十分重要的意義。

1 系統結構

該船舶尾氣污染物排放監控系統通過現有的差分吸收光譜法煙氣檢測技術實時監測船舶尾氣中SOx和NOx的濃度，通過航行記錄儀（Voyage Data Recorder, VDR）和船載自動識別系統（Automatic Identification System, AIS）實時記錄這些信息并將其傳送至海事中心，使港口海事主管機關能隨時掌握抵港船舶的燃油是否符合標準，以便及時準確地掌握船舶的污染物排放情況，有針對性地高效檢查船舶。船舶尾氣污染物排放監控系統示意見圖1。

圖1 船舶尾氣污染物排放監控系統示意

系統的前端采集管經一個支管伸入船舶排煙管，支管帶有濾網，可過濾煙氣中的顆粒物。系統開啟之后，煙氣檢測儀便開始實時檢測船舶尾氣中SOx和NOx的含量。檢測的數據經信號處理轉換器轉換為對接AIS和VDR的數據，一路通過VDR進行實時保存，另一路通過AIS定時與船舶的一系列動態數據和靜態數據一起通過自帶的甚高頻（Very High Frequency, VHF）天線傳送至海事信息中心。海事管理人員可對到港船舶傳來的尾氣監測數據進行篩選，上船實地檢查是否存在尾氣污染物超標問題，并對存在該問題的船舶進行行政處罰。

煙氣檢測儀、采集管和數據轉換裝置均由海事主管機關進行鉛封，防止人為損壞。封裝檢測單元的電源由主電源和應急電源共同提供，防止船舶主電源失電后裝置無法使用。

2 主要技術和設備

該系統實時采集船舶尾氣中SOx和NOx的含量，并將其轉化為模擬數值信號，其中：一路傳送至VDR保存，供后續取證使用；另一路傳送至AIS，由海事主管機關實時接收有關信息，判斷船舶是否存在污染物排放超標問題，便于其確切掌握船舶尾氣排放情況。系統運作流程見圖2。方案要點和主要技術如下。

2.1 煙氣檢測技術

1) 煙氣采集，船舶尾氣檢測需要的是一種簡單、能適應船舶惡劣檢測環境、能同時檢測多種氣體的檢測技術。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，可連續自動測定，維護保養簡單，可同時對SO2、NO和NO2等氣體的濃度進行檢測，是一種較為理想的氣體成分和濃度分析方法，在監控船舶柴油機尾氣排放方面有其他技術難以比擬的優勢[2]。

圖2 系統運作流程

2) 煙氣成分分析，即SOx和NOx的含量。

3) 數據轉化為相應的信號，傳輸給VDR和AIS。

4) 對整個煙氣檢測單元進行鉛封，防止船員破壞。

2.2 取樣氣路

考慮到柴油機尾氣成分較為復雜，尤其是顆粒物較多，若直接在煙道測量，既會嚴重影響測量效果，又會使顆粒物污染儀器。因此，對系統前端采集管加裝濾網，防止煙灰堵塞管道。后續可作一定的改進，在氣路系統中加入吹灰管系。

2.3 數據實時保存

通過VDR實時保存煙氣檢測單元傳輸過來的SOx和NOx含量數據，以便海事工作人員上船調查取證。

2.4 檢測數據實時發送

將煙氣檢測單元傳輸過來的SOx和NOx含量數據傳輸至AIS，通過AIS自身的VHF發射天線，將這些數據與船舶自身的動態數據一起實時發送至海事信息中心。

3 系統的優點

3.1 直接實時監測

MARPOL公約附則Ⅵ要求控制船舶尾氣污染物排放，現有的手段是檢測船舶燃油和主機自身的改進是否符合船級社對IAPP的要求，是一種間接手段。該系統對船舶尾氣采取實時抽樣的方式，直接檢測當前階段船舶尾氣中的污染物排放值，更加具有說服力。

3.2 監管效能提高

當前海事主管機關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，并將其送到相關機構進行檢測，一般需3d左右的時間出結果；另一種是通過快速測硫儀判斷船舶使用燃油的硫含量，將其作為初步判斷依據。前者時間較長，執法效率較低；后者雖然可初步判斷污染物排放情況，但設備需廣泛配備使用，且檢測的污染物單一（僅僅是硫含量），無法檢測船舶尾氣中的 NOx等其他主要污染物。該系統可實時采集船舶尾氣中的SOx和NOx，并將其傳送至海事信息中心，直接獲取船舶當前的尾氣污染物排放數據?？蓪κ盏降男畔⒃O定臨界值，若船舶排放的污染物超過設定的標準值，則該船舶在系統屏幕上顯示報警紅色標記，更加具有針對性，即使是初步判斷，其數據的廣泛性也更強，不需要執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強度，另一方面便于對采集的排放數據進行記錄，方便海事工作人員調查取證和對證據進行保存，符合智慧海事的要求。

3.3 可靠性高，預留擴展功能

2013年6月28日，歐盟委員會向歐洲議會和理事會提交關于“歐盟海運CO2排放MRV”（以下簡稱“規則”）的立法建議。該規則于2015年7月1日生效，第一個報告期從2018年1月1日開始，對國際海運溫室氣體減排立法有重要影響[3]。就CO2數據收集方式而言，本文對該規則進行了梳理，提供了4種油耗或尾氣排放的監測方法，這4種方法的基本原理和適用性見表1。

表1 規則提供的油耗或尾氣排放監測方法

規則中涉及的監測方法、排放報告程序、核實機構的認可、核實程序和港口國檢查信息通報等技術問題都為原則性表述，在實際執行過程中會遇到很多具體問題。規則還指出，雖然目前僅有針對船舶CO2排放和船舶能效的相關數據，但理論上該機制可應用于SOx和NOx等其他排放物。

由于船上現有的記錄無法用來推算這些數據，現有測量技術的可靠性無法保證，且成本較高，為推動MRV規則盡快實施，該規則暫時僅針對CO2，但不排除進一步拓展的可能性。

該裝置的優勢在于能直接檢測，精確度較高。此外，為后期實施海運溫室氣體MRV機制提供了預留接口，以后可繼續進行功能開發，實時上報溫室氣體排放數據。

4 結 語

隨著智能航運的不斷發展，海事的智能監管將逐漸受到關注，本文提出的船舶尾氣污染物排放監控系統一方面可方便、直接地監控船舶尾氣污染物排放情況，預留碳排放數據收集功能，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強度；同時，便于對采集的排放污染物數據進行記錄，方便海事工作人員調查取證及對證據進行保存，順應智慧海事的要求。