基于嗅探技術的船舶尾氣固定監測平臺研究

張亞朋 倪訓鵬 張 劍 徐舜吉

一、背景

目前，無論是國際公約還是相關地區及國家的法律法規，對于船舶大氣污染物特別是硫氧化物的排放要求都越來越嚴格，關于船用燃油硫含量的法規相繼出臺并不斷修訂實施。如根據MARPOL公約附則Ⅵ第14.4條規定，在排放控制區內的船舶所使用的燃油硫含量不得大于0.10%（m/m）。根據MEPC.305（73）決議，自2020年3月1日開始船上使用或者攜帶使用的燃油硫含量不允許超過0.50%（m/m）。同時一些國家或地區也相繼開始設立排放控制區，對船舶硫氧化物排放控制提出了更高的要求，例如歐盟法規要求在其港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過2小時的船舶不得使用硫含量超過0.10%（m/m）的船用燃油；根據《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》（交海發〔2018〕68號）在我國沿海排放控制區范圍內的船舶使用燃油的硫含量不得超過0.50%（m/m）。

船舶排放控制區政策的落實，需要強有力的監管手段作為保障。自交通運輸部在2015年底發文設立船舶排放控制區以來，針對排放控制區內的船舶監管，各級海事管理機構進行了不同程度的探索。目前海事部門主要通過現場執法過程中對燃油質量、供受油單證、記錄文書等控制區相關要求內容的檢查，并視情況進行燃油取樣檢測的方式實現對排放控制區船舶燃油硫含量的監管。但目前這些監管手段存在檢查目標比較隨機、針對性不強、效率相對較低等缺點。如何充分利用最新的科技成果，自動識別尾氣中污染物排放量較高的船舶，指導海事現場執法，是現階段急需進行的研究。

二、嗅探技術在船舶大氣監測方面的應用情況分析

目前，按監測技術不同，對空氣環境監測手段分為嗅探技術、光學傳感和激光雷達遙測三類。激光雷達遙測主要應用于測量空氣中顆粒物的濃度，嗅探技術和光學遙測主要測量空氣環境中污染氣體的濃度。

嗅探技術是通過傳感器采集空氣質量信息，實現一定區域、點內主要污染物信息的采集。從嗅探器大小上區分，嗅探技術分為傳統嗅探器技術和微型嗅探器技術兩種；從能否移動區分，嗅探技術可分為嗅探技術固定監測（搭載平臺為橋梁、岸基）和嗅探技術移動監測（搭載平臺為無人機、直升機、固定翼飛機等飛行設備）。例如，根據各國水域港口的具體情況，歐洲ECA內的港口國采取了不同的監測技術對ECA內在航船舶進行監管。其中使用的嗅探技術有比利時嗅探技術移動監測（定翼機機載嗅探器）、荷蘭嗅探技術固定監測（岸基嗅探器和定翼機機載嗅探器）、丹麥嗅探技術固定監測（Great Belt Bridge岸基嗅探器）和嗅探技術移動監測（直升機機載微型嗅探器）、歐洲海事局嗅探技術移動監測（長程無人機機載微型嗅探器）、德國嗅探技術固定監測（岸基嗅探器）。

歐盟對不同監測技術的效果研究后發現：在排放控制區內使用嗅探技術對在航船舶監管能提高登船檢查的效率，提高監督工作的阻嚇性。例如，根據比利時2017年PSC抽樣統計檢查發現，使用嗅探技術監測后，發現違規燃油硫含量超標船舶查實率由不使用嗅探技術監測時的2.7%提升至7.3%，使用嗅探技術監管對燃油硫含量超標船舶的查實率提升了近166%。在2017年，比利時PSC對使用嗅探技術監管發現的所有警報中的40%進行了確認，從而驗證嗅探技術能大大提升PSC檢查效率。經過成本效益分析后發現，對排放控制區內在航船舶監管，使用嗅探技術比不使用嗅探技術可節約33%的成本。

由于我國自2016年才開始設立船舶排放控制區，排放控制區的監管起步較晚，目前在上海、天津、寧波、深圳等地試行使用的基于嗅探技術的固定監測設備均處于試驗階段，還未取得比較成熟的、可以復制推廣的經驗。

三、固定監測平臺的構建

在碼頭、航道岸邊或橋梁處等區域科學布設基于嗅探技術的固定監測儀，并形成固定點監測網絡，以實現對周邊船舶污染物排放的全方位連續性監測。監測結果將及時發送給海事相關部門，并為海事有效監測港區碼頭、航道水域的船舶大氣污染物排放提供便利決策服務。

（一）基本原理

嗅探技術是基于傳統的空氣環境監測技術，通過利用提取設備（嗅探器）測量尾氣煙羽內SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此獲得燃油中的硫含量（%）。根據MEPC.259（68）廢氣清洗系統導則和相關的研究文獻，船用燃油或柴油中碳含量約為87%。在發動機理想的工況下，假定燃油中的碳和硫全部燃燒分別轉化為CO2和SO2，則燃油中的硫含量可用式（1）計算：

其中：SFC為燃油中的硫含量，A（S）為硫的相對原子質量，A（C）為碳的相對原子質量。

（二）船舶尾氣中SO2、CO2和NO2的監測

基于嗅探技術的船舶尾氣固定監測平臺的嗅探器為意大利Unitec生產的ETL3000型空氣質量監測儀（符合歐洲標準2008/50EC）。ETL3000是一款多參數監測站，采用Unitec SENS-IT傳感器可持續戶外污染物監測；同時為保證測量結果的高靈敏選擇性，每一個SENS-IT傳感器專門用來測量某一個成分的氣體，并通過插口連接到數據記錄裝置。數據處理裝置可以控制所有操作過程，包括持續數據獲?。?秒獲取一次數據）。

1.SO2氣體濃度的測定

對于SO2氣體的監測采用SENS-IT（EC，電化學技術）傳感器，測量范圍為5～10 000 ppb，測量精度為20 ppb。傳感器由常溫超導稀土金屬（鉍）元件高精度集成，當硫氧化物在被測區域內出現時，整個恒定的超高頻常溫超導諧振探測場就會被微弱擾動，中央處理器就會瞬間將這種微弱繞擾動信號進行數字化分析并迅速轉換成模擬信號輸出。由于常溫超導稀土金屬（鉍）元件固有的超高頻常溫超導諧振特性（即超導高頻常溫超導諧振系數）只對硫氧、氮氧（SOx、NOx）黑煙量敏感，所以超高頻常溫超導諧振探測場只對污染氣體的微弱擾動產生信號反應，而不會被其他氣體成分造成交叉干擾，從而能在很短的時間內獲取所探測尾氣中硫氧化物含量的信息。

2.NO2氣體濃度的測定

對于NO2氣體的監測采用SENS-IT（TF-MOS，厚膜金屬氧化半導體技術）傳感器，測量范圍為10～250 ppb，測量精度為10 ppb。傳感器的活性表面是納米結構的半導體金屬氧化物，傳感器表面發生的第一個反應是大氣中氧的吸附，由此從氧分子到半導體產生電荷轉移。第二個反應是NO2氣體與吸附的氧發生反應（氧化還原反應），使得電子在半導體的傳導帶中進行釋放。通過提取這些反應中所產生的電流信號，即可計算出NO2的濃度。

3.CO2氣體濃度的測定

對于CO2氣體的監測采用SENS-IT（IR，紅外線技術）傳感器，測量范圍為10～5 000 ppm，測量精度為50 ppm。SENS-IT（IR，紅外線技術）傳感器是通過監測CO2分子吸收的紅外線輻射數量來測量CO2的濃度。

（三）確定船舶尾氣煙羽經過固定監測點的方法

當船舶尾氣煙羽飄過固定監測點時，嗅探器監測到的SO2、CO2的濃度會有一個上升及下降的過程，最大濃度點即為極值點。固定監測點測得的極值點峰值則是當時船舶尾氣擴散至固定監測點時的各污染氣體的濃度。因此，當固定監測點監測到SO2、CO2濃度出現極值點時，即表明有船舶尾氣煙羽飄過固定點監測裝置。船舶尾氣煙羽經過固定點監測裝置時，SO2、CO2濃度變化曲線如圖1、圖2所示。

圖1 SO2濃度變化曲線

圖2 CO2濃度變化曲線

圖3 固定點組合監測設備系統結構圖

（四）系統組成

在實際安裝船舶尾氣污染物排放固定監測點時，采用供電電源、污染物監測系統、信號傳輸系統一體化組合的辦法將其安裝到合適位置，組合監測設備結構示意圖如圖3所示。

單個固定監測點布設完成并正常運行后，固定監測點的“污染氣體傳感器系統”對該監測點附近所?？康拇暗腟O2、CO2、NO2等污染氣體排放情 況進行監測，各監測點數據通過4G方式傳輸至大數據信息平臺，大數據信息平臺將從監測點得到的數據進行篩選處理，根據設定的閾值，提取大于閾值的監測數據，并綜合監測點周圍環境的風速風向等氣象信息和AIS數據進行分析計算，定位出燃油硫含量疑似超標的船舶。然后大數據信息平臺自動把篩選出的燃油硫含量疑似超標的船舶信息發送至海事主管機關信息發布平臺。根據該船動態，對于欲靠本轄區的在航船舶，海事主管機關信息發布平臺將通知執法人員登輪檢查，執法人員在船抽取油樣并送檢監測。對于不在本轄區靠泊的過境在航船舶，海事主管機關信息發布平臺將報警信息發送至該船的下一個目的港的海事主管機關，由其安排執法人員登輪檢查。大數據信息平臺數據處理原理如圖4所示。

圖4 大數據信息平臺數據處理原理簡圖

（五）影響因素分析

1.污染氣體間的交叉干擾因素

由嗅探器對氣體的監測原理可知，嗅探器在對污染氣體監測的過程中會出現污染氣體之間的交叉干擾問題。例如，嗅探器在對SO2氣體的監測過程中會受到NO2氣體的干擾。一些研究表明，即使在嗅探器內設置了一些算法對監測的SO2氣體濃度值進行修正，但污染氣體中SO2氣體的實際濃度也約為所測SO2氣體濃度減去所測NO2氣體濃度的1.2%后的值。

2.在航船舶與固定監測點距離及天氣影響

船舶排放的尾氣從船舶煙囪位置飄散至固定點監測位置的過程中，各污染物的濃度都在下降。因此，固定監測點嗅探器監測的船舶尾氣的濃度與在航船舶之間的距離有關，距離越近測得的尾氣濃度越高；反之，濃度越低。雖然理論上假定各污染物的濃度下降的速率相同，但實際各污染氣體的濃度下降速率與當時的風速、空氣溫度、濕度有很大關系。如SO2會與空氣中的水反應，若空氣濕度太大，則船舶尾氣煙羽中SO2氣體濃度在擴散過程中下降速率變大。

3.大氣背景值的影響

在計算所測尾氣硫碳比時，式（1）中SO2（ppb）和CO2（ppm）值為嗅探器監測濃度值減去大氣背景值。大氣背景值偏高的話，將影響嗅探裝置對污染氣體的濃度的監測，以致監測的范圍變小和精度變差。

由此可見，還需進一步研究并對固定監測點監測的數據進行修正處理。運用統計學原理，分析各方面因素影響的權重，確定最終的固定監測點自動報警時硫碳比的閾值。

四、固定監測平臺應用中存在的問題

（一）從尾氣中的數據推算出的船舶燃油硫含量的精確度有待提高

當前階段，基于嗅探技術的船舶尾氣固定監測平臺研究處于初始階段，通過監測在航船舶尾氣中SO2（ppb）與CO2（ppm）的比值推算的燃油硫含量與實際上船進行燃油取樣檢測出的結果有一定出入，監測結果的質量或可信度有待提高。

（二）受季節性風向的影響，部分時間不能發揮作用

現階段船舶尾氣固定監測點位于外二期，碼頭沿線為東北—西南方向，當天氣為西北風、西風和西南風時，在航船舶的尾氣煙羽將不能經過固定點裝置，此時，固定點裝置將不起作用。上海地處江海交匯的長三角東部，位于東亞季風盛行的北亞熱帶地區，屬于北亞熱帶季風氣候。上海受冬夏季風進退影響，11月至翌年2月盛行冬季西北風，氣候干燥寒冷；4月至8月盛行夏季東南風，氣候暖熱濕潤，但7、8月間在西北太平洋副熱帶高壓直接控制下，有時出現西南風高溫干燥天氣；3月和9月至10月的前期是季風轉換的過渡季節，一般以東北風和東風為主，低溫陰雨天氣較多。因此在11月至翌年2月西北風和7、8月西南風期間，此固定點監測可能會不起作用。

（三）船舶流量大，導致目標船舶定位較難

轄區水域船舶流量大，交通密度高，在航船舶間距小。船舶排放的尾氣容易相互混合，交叉干擾現象多，嚴重影響固定監測點對在航船舶尾氣含量的測定以及對燃油硫含量超標船舶的定位。

五、對策措施

（一）綜合考慮多重因素，合理確定報警閾值

在不影響船舶航行計劃的情況下，盡可能多地對尾氣煙羽經過固定點監測裝置的船舶上船取樣并檢測。通過監測的數據計算出在航船舶燃油硫含量與實際船舶使用的燃油硫含量的對比，結合當時大氣環境污染物背景值和風向、濕度等天氣因素，不斷試驗，總結出不同情況下的修正系數，進一步確定硫碳比報警閾值，提升固定點監測裝置監測結果的質量或可信度。

（二）合理選擇固定監測布點數量和位置

國際上的一些研究表明，固定監測點對在200～500米范圍內經過的船舶監測效果最好。因此，固定監測點布設選址需進行科學的論證試驗，根據航道特點和進出船舶的特點，在排放控制區航道兩岸之間的合適位置布設一定數量的嗅探式固定監測點，以解決受季節性風向影響而不能發揮作用的問題。

（三）統籌運用多種技術，提升監管的有效性

基于嗅探技術的船舶尾氣固定監測平臺對正在靠離監測點附近泊位或在監測點附近航行的船舶監管比較有效，但對遠離固定監測點船舶的監管有一定的局限性。建議引進新型的固定點光學遙測儀器與固定點嗅探技術互補，并和無人機平臺移動嗅探技術統籌并用，建立排放控制區內在航船舶的一體化的監測網絡，搭建網格化監測系統，形成分布廣泛的監測點位，提供更翔實的監測數據。例如，若船舶流量密度大，固定監測點只能定位燃油硫含量超標船舶范圍，則根據實際情況，選擇固定點光學遙測或無人機平臺移動監測去進一步篩選定位燃油硫含量超標船舶。