船舶發動機排氣污染物滿足不同標準的差異分析

賈建雄，張世恒，王忠俊

(1.中國船級社 浙江分社，浙江 寧波 315000；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

國際航行船舶發動機均采用《MARPOL73/78公約》[1]附則VI規定的排放標準，即IMO標準體系(以下稱為《IMO標準》)，而各締約國對航行在其轄區內的船舶的船機排放要求不盡相同。長期以來，中國國內航行船舶法規體系采用IMO標準體系，即針對130 kW及以上的船機進行排放污染物管控[2]。此標準體系較美國、歐盟等標準比較寬松、控制對象窄。根據國家打贏藍天保衛戰的部署，為落實《中華人民共和國大氣污染防治法》制定的GB 15097—2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》[3](以下簡稱《國標》)將在國內全面強制實施，涵蓋了37 kW至單缸排量小于30 L的船機，在適用范圍、控制對象、限值體系、修正系數等方面與《IMO標準》體系存在諸多差異，現對其與《IMO標準》就船機排氣污染物控制的實施差異予以分析，供船舶發動機制造、檢測和檢驗相關法借鑒。

1 適用范圍和要求的差異性分析

1.1 適用范圍

《IMO標準》適用于輸出功率超過130 kW的非應急柴油機(或經過重大改裝的柴油機)。《國標》適用于額定凈功率大于37 kW至單缸排量小于30 L的內河船、沿海船、江海直達船、海峽[渡]船和漁船裝用的船機，適用范圍擴大到了低功率船機，見表1。

表1 《IMO標準》與《國標》使用范圍與要求比較

1.2 控制對象

《IMO標準》的控制對象只有氮氧化物(NOx)；《國標》控制對象除了NOx，還有一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和顆粒物(PM)，控制對象有所擴寬。

1.3 排放認可和取證要求

單臺船機在進行前期發證檢驗以獲得主管機關(或授權組織)的柴油機國際防止空氣污染證書(EIAPP證書)前，應進行型式檢驗以獲得系族(組)的EIAPP證書。型式檢驗主要包括按照批準大綱進行基于臺架試驗的排放試驗、試驗結果核查和技術案卷建立、取證等幾個階段。《IMO標準》采用的試驗循環為C1、D2、E2、E3，目前其執行NOx排放限值是IMO TierⅡ。型式試驗滿意并獲得系族EIAPP后，再在船機安裝上船前應進行前期發證檢驗，以確定具體單臺機在裝船前符合規則要求，檢驗合格后獲得單機EIAPP證書。

《國標》要求較高，其要求應保證船機在規定的有效壽命期內，排氣污染物排放符合限值要求。具體要求是在型式試驗階段前，在檢測機構的有效監督下，首先對某一類機型完成耐久試驗，并確定裂化系數(或劣化修正值)；之后在此基礎上進行系族(組)源機的型式試驗，型式試驗滿意并獲得系族EIAPP。國標的試驗循環與《IMO標準》基本一致，排放限值差別較大。

2 控制指標與限值體系的差異性分析

2.1 控制指標和試驗用油差異

《IMO標準》的控制指標是NOx，而《國標》的控制指標包括CO、HC+NOx、CH4(僅適用于NG船機)、PM，《國標》對確定各項指標的分析儀的技術要求與《IMO標準》相同，新增PM檢測儀配備要求見表2。按照《IMO標準》進行型式試驗的燃油標準是使用ISO8217，2005中規定的具有適合柴油機類型的DM級船用燃料，而國標要求的試驗用燃油較前者更苛刻，增加了十六烷值要求、40 ℃下的黏度改為20 ℃下密度，硫含量要求≤10 mg/kg等。

表2 《IMO標準》與《國標》分析儀要求比較

2.2 限值的差異

《IMO標準》與《國標》對排放限值要求做了詳盡介紹。《國標》第一階段技術內容主要參照歐盟對船機第一階段的排放控制要求和美國EPA對內河船機第二階段的排放控制要求，《國標》第二階段的排放限值要求和對船機大修后的要求參照了美國第三階段的排放控制水平。《國標》與國外內陸水域船機現行排放標準的比較，文獻[4]從適用范圍、排放限值和試驗循環等方面進行了分析，得出了《國標》第一、二階段限值在國際上所處的水平。

《IMO標準》的限值指標是以轉速為基準，《國標》限值指標是以發動機單缸排量為基準。以2款機型為例對比NOx的限值差異，見表3。《國標》HC+NOx限值指標為7.2 g/(kW·h)，該發動機實際測試HC為0.28 g/(kW·h)，扣除該計算值，對NOx排放滿足小于6.92 g/(kW·h)才能算合格；而依照《IMO標準》根據轉速計算出來的氮氧化物NOx限值為7.85 g/(kW·h)，兩者相差約1 g/(kW·h)，如果該機碳氫化合物排放有提高，則相差更大，《國標》限值更為苛刻。某6300型柴油機若按照《國標》進行排放檢測，則屬于第2類船機，其各項指標限值CO為5.0 g/(kW·h)，HC+NOx為11.0 g/(kW·h)，PM為0.5 g/(kW·h)。單純考慮NOx限值，由于該機實測碳氫化合物為1.18 g/(kW·h)，扣除該值，則NOx排放滿足小于9.82 g/(kW·h)才能算合格；若按照《IMO標準》進行排放檢測，則NOx排放限值為9.6 g/(kW·h)。因此,《國標》限值略微高于《IMO標準》限值，兩者相差不大。

表3 實證法比較限值的差異

2.3 試驗結果評判差異

在執行《IMO標準》進行排放型式試驗和結果評判時，僅針對現場測試結果與規則要求的NOx排放進行比較，即僅需直接針對系族(組)源機按照船級社批準的試驗大綱進行型式試驗，若得出的NOx總加權排放量滿足限值要求，則評判合格，船級社給相應系族(組)的船機頒發排放認可證書。

執行《國標》進行型式試驗和結果評判時，試驗結果應考慮源機的劣化系數指標。首先應確定劣化系數(或劣化修正值)，再將型式試驗得出的CO、HC、NOx和PM總加權比排放量，乘以事先取得的劣化系數(安裝排氣后處理系統的船機)，或加上事先取得的劣化修正值(未安裝排氣后處理系統的船機)，若得出的結果滿足限值要求則評判合格，船級社給相應系族(組)的船機頒發系族(組)排放認可證書。

3 NOx修正系數差異辨析

《IMO標準》和《國標》均規定NOx溫度和濕度修正計算的標準環境條件：參考溫度為25 ℃時濕度為10.71 g/kg。在進行發動機排放測試時，實驗室的環境溫度會因季節、天氣等因素與標準要求存在較大差異。由于NOx排放與環境大氣條件有關，因此，在非標條件下進行排放測試時，NOx排放質量流量計算所使用的NOx質量濃度必須用濕度修正系數進行修正，然后根據所得排放質量流量和相應的加權系數求出加權后的NOx排放值。2個標準規定的修正系數存在差異。

目前滿足現行排放控制法規的柴油機基本上為帶中間冷卻器的增壓柴油機，現僅以增壓中冷柴油機為例，分析《IMO標準》與《國標》NOx修正系數差異。

3.1 NOx修正系數公式的差異

1)《IMO標準》的修正系數KH為

(1)

2)《國標》規定的修正系數KH為

(2)

3.2 修正系數考慮因素的差異

《IMO標準》和《國標》的修正系數首先都考慮了進氣的溫濕度條件(見表4)，進氣溫度和進氣濕度對柴油機的燃燒和排放均有較大影響，并且進氣濕度越大，影響也越大[5]。

表4 《IMO標準》與《國標》NOx修正系數考慮因素比較

另外《IMO標準》考慮了船機在運行過程中關于中冷器冷卻水溫可能對NOx排放產生的影響，在NOx修正系數中增加了增壓空氣溫度(即進機溫度)與海水溫度 25 ℃時的增壓空氣參考溫度的修正，見式(1)。而《國標》修正系數考慮了燃油消耗量與進氣空氣流量的比值(即燃空比)的因素，燃空當量比對發動機的燃燒溫度、燃燒壓力和燃燒速率有很大影響[6]，進而影響NOx的生成；其并未考慮船用柴油機在實際運行過程中中冷器冷卻水水溫變化對中冷后進機空氣的影響，但是規定了中冷器冷卻介質溫度應不低于20 ℃，并規定增壓空氣的溫度應保持在制造企業規定的最大增壓溫度(即100%負荷時增壓溫度)的±5 K范圍內。《IMO標準》對最大增壓空氣溫度無明確要求，但是在實際測試控制過程中，發動機最惡劣排放與進機空氣溫度有直接關聯[7]，若要得到發動機的最惡劣排放，一般也將最大增壓空氣溫度控制在發動機最大空氣溫度的上限。

3.3 修正系數的計算分析

為了更直觀地表現《IMO標準》和《國標》標準修正系數的差異，以G6300和G6210機型為例，分別進行輔機循環(D2)、主機循環(E3)測試，按《IMO標準》與《國標》修正系數計算式(1)和式(2)計算得到各個工況點修正系數及最終NOx比排放量。

圖1是G6300輔機測試循環，試驗環境條件相同情況下(各工況點進氣溫度31.1～31.8 ℃范圍)《國標》與《IMO標準》修正系數的對比。

圖1 G6300輔機D2循環修正系數對比

由圖1可見，不同運行工況下，《IMO標準》修正系數比《國標》修正系數均約高2.0%～4.0%，這主要是因為環境條件狀態一致，而該款發動機增壓空氣參考溫度在各工況點下均比實際進入發動機內空氣溫度即中冷器出口空氣溫度高，且實際增壓器入口環境溫度也高于標準溫度25 ℃，整體修正計算公式中后2項為負數，導致分母偏低，計算出來的修正系數略微偏高。

在圖2 G6300主機循環中，這種影響依然存在，但《IMO標準》修正中，還有一項關于空濾器入口絕對濕度Ha與增壓空氣絕對濕度的比較，在個別工況點環境條件和運行狀態變化后《國標》修正高于《IMO標準》修正。

圖2 G6300主機E3循環修正系數對比

G6210輔機、主機測試循環，在較低的進氣溫度環境(15.5～16.4 ℃)《國標》與《IMO標準》修正系數的對比見圖3、4，均體現出《IMO標準》修正大于《國標》修正情況。

圖3 G6210輔機循環D2修正系數對比

圖4 G6210主機循環E3修正系數對比

圖5 G6300NOx比排放量對比

比較G6300NOx最終比排放量計算值，存在《IMO標準》計算結果會高于《國標》計算，見圖5。主機循環因個別工況點《國標》修正高于《IMO標準》修正，NOx最終比排放量《國標》與《IMO標準》幾乎相同。主要是因為加權后NOx比排放量不僅受到各工況點修正系數的影響，還與加權系數和各工況點的排放分擔率有關，分擔率較大的工況點對NOx排放值的影響較大[8]。

分析認為，《國標》第一階段NOx的控制要求與《IMO TierⅡ》處于同一水平，其中單缸排量小于20 L的船機，《國標》的控制要求比《IMO TierⅡ》嚴格；單缸排量大于20 L小于30 L的船機，《國標》的控制要求和《IMO TierⅡ》的要求大致相當。第二階段的控制重點PM，第二階段PM指標有較為顯著的下降(更苛刻)，和第一階段相比，PM下降了40%～60%，HC+NOx總體降低了20%以上，基本達到《IMO TierⅢ》的排放控制水平。

4 顆粒物的測試技術要求

與《IMO標準》相比，《國標》最大的差異是新增了PM這一指標。《國標》對顆粒物測試和限值要求做了詳細說明，包括顆粒物測試系統要求、顆粒物取樣與稱重要求、測試過程要求等。

4.1 顆粒物測試系統要求

顆粒物測量需要使用稀釋系統，稀釋系統分為全流稀釋系統和部分流稀釋系統。部分流稀釋系統可分為全部取樣部分流稀釋系統和部分取樣部分流稀釋系統。《國標》推薦的部分流稀釋系統如下：等動態系統、帶質量濃度測量的流量控制系統和帶流量測量的流量控制系統，為了實現部分流稀釋系統的優點，必須注意避免在輸送管中損失顆粒物。而全流稀釋系統分為單級稀釋和雙級稀釋。稀釋系統的流量能力應足以完全消除水在稀釋和取樣系統中的凝結，并使緊靠濾紙保持架上游處的稀釋排氣溫度不超過 325 K(52 ℃)。

4.2 顆粒物取樣與稱重要求

測量顆粒物質量需要有顆粒物取樣系統、顆粒物取樣濾紙、微克天平和控制溫度及濕度的稱重室。

1)顆粒物的取樣可以使用2種方法：單濾紙方法和多濾紙方法。為了避免控制循環的影響，推薦取樣泵在整個測試循環中運轉，對單濾紙方法應該使用旁通系統。取樣必須盡可能在每個工況的最后進行，每個工況的取樣時間，對單濾紙方法最少20 s，對多濾紙方法最少60 s；對沒有旁通功能的系統，每個工況的取樣時間最少必須60 s。

2)顆粒物取樣濾紙、微克天平和稱重室的要求《國標》也做了明確規定。其中稱重室在顆粒物取樣濾紙預處理和稱重期間應保持在295 K(22 ℃)±3K，濕度應保持在露點溫度為282.5 K(9.5 ℃)±3 K和相對濕度45±8(%)。

3)顆粒物稱重要求。測量顆粒物質量過程中，濾紙的稱重至關重要，為了消除靜電效應，濾紙應在稱重之前中和。

(1)濾紙的預處理要求。試驗前至少1 h，每張(對)濾紙應該放在一個有蓋但不密封的培養皿中，放入稱重室進行穩定。穩定結束后，應稱量每張(對)濾紙的凈質量并記錄，因分析天平的精確度和分辨率較高，需多次讀穩定數值取平均。記錄結束把這張(對)濾紙放置在有蓋的培養皿中或濾紙保持架上直到試驗需要，如果這張(對)濾紙在離開稱重室的 8 h內沒有使用，在使用前必須重新穩定、稱重。

(2)參比濾紙的稱量要求。在對取樣濾紙(對)稱重后的4 h內，應同時稱重2張未經使用的參比濾紙或參比濾紙對，參比濾紙(對)的尺寸和材料應與取樣濾紙相同。在取樣濾紙2次稱重期間，如果參比濾紙(對)的平均質量的改變量超過推薦濾紙最小荷重的±5%(濾紙對±7.5%)，則所有的取樣濾紙作廢，重做排放試驗。如稱重室不符合《國標》要求溫濕度條件，但參比濾紙(對)稱重符合要求，則船機制造企業可選擇承認取樣濾紙的質量，或否定該試驗，在調整稱重室控制系統后，重做試驗。

(3)測試后濾紙的稱重要求。試驗完成后，應將濾紙送回稱重室穩定至少1 h，然后才可稱重，但不得超過80 h。

(4)濾紙荷重要求。對于單濾紙方法，濾紙荷重應不小于推薦的最小荷重；對于多濾紙方法，所有濾紙荷重之和應不小于推薦的最小荷重和工況數的平方根的乘積。例如，濾紙直徑為47 mm進行D2循環測試，則5個工況點濾紙荷重之和應不小于1.118 mg。

4.3 顆粒物測試過程注意事項

1)試驗開始前完成測試系統泄漏檢查，并完成系統流量計校準檢查。對于多濾紙方法，每次更換濾紙后應進行系統泄漏檢查。

2)調整合適的稀釋比和取樣時間，總稀釋比不低于4。保證每個試驗工況濾紙表面溫度不超過325 K(52 ℃)，濾紙壓力降的增加量不超過25 kPa，并且保證濾紙荷重滿足要求。

5 結論

1)《國標》在適用范圍上增加了37～130 kW功率段的船機；在控制指標上增加了CO、HC和PM；在限值上《國標》第一階段NOx的控制要求與《IMO TierⅡ》處于同一水平，《國標》第二階段PM和HC+NOx限值要求均顯著下降，基本達到《IMO TierⅢ》的排放控制水平；在排放認可和取證要求方面，《國標》要求更高。

2)《國標》在NOx修正系數方面與《IMO標準》考慮不盡相同。《國標》考慮到了燃空比的影響，但是未充分考慮船機工作環境對NOx排放的影響，雖然對中冷器冷卻介質溫度和進機溫度提出了要求，但在修正系數計算過程未有明顯體現，使得修正系數與《IMO標準》出現差異，進而使實際排放測試過程NOx計算結果比《IMO標準》略低。

3)《國標》增補了顆粒物限制指標，對顆粒物測試系統、顆粒物取樣與稱重、顆粒物測試過程等方面作出了明確要求。