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船舶 排放 测试 方法 研究

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船舶排放实船测试方法研究,船舶,排放,测试,方法,研究

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基于不同燃油品质的内河船舶排放特性试验研究楼狄明，施利华，胡志远，谭丕强（同济大学 汽车学院，上海 201804）摘 要：采用车载排放测试系统，对某内河船舶于苏州河某航段进行了分别燃用B0（纯石化柴油）和B10（生物柴油-柴油混合燃料，生物柴油体积比10%）的实船放对比试验，探究了燃油品质对内河船舶PN（颗粒物数量）、CO、THC和NOX排放的影响，结果表明：内河船舶燃用B0和B10时的PN随粒径分布相似，在离港、进港和低发动机负荷工况时呈双峰对数分布，在巡航及中、高发动机负荷工况时呈单峰对数分布；内河船舶燃用B0和B10时，PN、THC、NOX排放均随负荷变大而升高，而CO排放则先降低后升高；内河船舶燃用B10时PN、CO和NOX排放因子相对B0有所降低，离港、巡航、进港时PN排放因子分别降低13.82%、8.21%、46.44%，CO排放因子分别降低20.87%、12.66%、7.52%，NOX排放因子分别降低21.91%、21.63%、39.20%，B10的THC排放因子高于B0，离港、巡航、进港时分别提高33.68%、20.46%、26.62%。关键词：内河船舶；燃油品质；排放特性；车载排放测试系统中图分类号：U661.43 文献标识码：AExperimental study on the characteristics of emissions of inland ships based on different fuel qualitiesLOU Di-min, SHI Li-hua, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan(Tongji University)Abstract: PEMS (portable emission measurement system) is used to conduct a real-navigation emissions test with marine pure diesel (B0 for short) and diesel-biodiesel blended fuel with volume ratio 10% (B10 for short) on an inland ship which usually works in Suzhou River for studying the influence of fuel qualities on PN, CO, THC and NOX emission characteristic of the ship. The study results show that the particle size distribution of the exhaust gas of the boat fueled with B10 is similar to that fueled with B0: double-peak logarithmic distribution when leaving harbor, entering harbor condition and in low engine load conditions; single-peak logarithmic distribution when cruising and in middle/high engine load conditions. No matter the inland ship is fueled with B0 or B10, its PN, THC and NOX emission increase while its CO emission decreases as the engine load increasing. Compared with B0, the PM, CO and NOX emission factors of the ship are lower when fueled with B10. In harbor-leaving, cruise and harbor-entering conditions, the particulate number emission factors were reduced by 13.82%, 8.21% and 46.44% respectively, CO emission factors were reduced by 20.87%, 12.66% and 7.52% respectively, NOX emission factors were reduced by 21.91%, 21.63% and 39.20% respectively. THC emission factors of B10 is higher than B0, it increased 33.68%, 20.46% and 26.62% respectively in harbor-leaving, cruise and harbor-entering conditions.Key words: inland ship; fuel quality; emission characteristics; PEMS0 引言长久以来，石化柴油都作为船舶的主要动力燃料存在，随着全球贸易的不断增长，其需求量不断增大，统计结果显示2010年我国港口燃油供油量达到900多万吨12。此外，船舶排放是全球空气污染的重要来源之一3。伏晴艳4等对上海港船舶大气污染物排放清单做了研究，结果表明船舶对SO2、NOX、PM2.5排放贡献分别达到12.0%、8.4%、5.1%，严重危害周边居民的人体健康。随着石化燃料的日益短缺和人类环保意识的不断增强，发展船用清洁、替代燃料势在必行。生物柴油是得到国内外较大重视的优质替代燃料，其理化特性与石化柴油相似5，可不改变现行发动机结构直接作为燃料使用，同时能有效改善尾气排放。马林才6等研究发现柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料时，发动机碳烟排放随生物柴油掺混比例的提高而不断降低，生物柴油可有效降低发动机颗粒物排放。陆小明等7在一台增压中冷车用柴油机上进行的燃用生物柴油和柴油的台架试验中发现，燃用生物柴油时该柴油机烟度、THC、CO均有所降低，NOX略有增加；马林才等8在柴油机燃用船用生物柴油的台架试验中发现，该柴油机在多种不同工况下THC、颗粒物排放均有显著降低，燃用生物柴油对降低船舶排放具有极大潜力。张德福等9研究发现，生物柴油良好的燃烧特性非常适合短航线小型船舶使用。蒋更红10等研究认为，目前船用生物柴油已不存在重大技术难题，已经具备投入实际运用的可行性。内河船舶对城市空气污染的影响较大，进行内河船舶燃用石化纯柴油和生物柴油的实船排放对比研究具有重要意义。本研究采用车载排放测试系统，对某工作于苏州河流域的内河船舶分别进行了燃用石化柴油（B0）以及生物柴油-柴油混合燃料（B10）的实船排放对比试验，分析对比了燃油品质对内河船舶的常规气态物、颗粒物排放的影响，探究了生物柴油在内河船舶上的实际使用性能。1 试验设备与方案1.1 试验船舶试验船舶为一艘实际营运于苏州河（即：长江支流、黄浦江支流吴淞江上海段）流域的环卫船，其外貌如图1所示。试验船舶吨位（总重/净载重）为30/17t，主机为一台四缸柴油发动机，主机型号6135CaB3，排量7L，标定功率76kW，标定转速1500r/min。图1 试验船舶外貌1.2 试验燃料本研究使用了生物柴油与石化柴油的2种不同掺混比例的试验燃料，分别简称为B0（纯内河船舶用石化柴油）、B10（生物柴油体积比为10%）。表1所示为2种不同燃油油样的主要技术指标。表1 试验燃油主要理化特性项目B0 B10 检测方法密度/kgm-3833.6879.8ASTM D4052十六烷值/-49.850.8ASTM D613低热值/ mJkg-142.342.4ASTM D240硫含量/ mgkg-124562ASTM D5453氧含量/ %-1.18ASTM D48151.3 试验设备试验涉及常规气态物排放物测试与颗粒物排放物测试。颗粒物排放测试采用美国TSI公司的EEPS-3090颗粒数量及粒径分析仪，测量粒径范围为5.6-560.0nm，可同步输出32个数据通道的颗粒数量和粒径分布数据；常规气态物排放测试采用日本HORIBA公司的OBS-2200车载气态排放物检测设备，该设备测试频率为l0Hz，完全满足船舶实际航行排放的试验要求。试验同时配备一套高精度全球卫星定位系统(GPS)，逐秒记录船舶的实际航速和地理位置。1.2 试验方案试验主要采用车载排放测试设备，研究内河船舶燃用不同品质燃油的实船排放特性。试验所用燃料包括：常规船用纯石化柴油、生物柴油-柴油混合燃料（生物柴油体积比为10%），分别简称B0、B10。试验航行区域为苏州河内部分航段，苏州河年均流量仅10立方米/秒，流速较低，因此适宜进行实船排放试验11。试验船舶在同一天内分别燃用B0和B10燃油从华漕加油站码头出发，沿苏州河向剑河路码头航行，全程约7 km，航行线路如图2所示。试验时船舶满载，试验采用7种不同工况，如表2所示，各稳态工况的试验时间不低于3分钟。根据船舶主机按推进特性工作时功率与转速的关系，试验通过控制发动机转速来改变发动机负荷12。 表2 试验工况序号试验工况1离港2巡航（约1300r/min）3进港425%发动机负荷（945r/min）550%发动机负荷（1200r/min）670%发动机负荷（1330r/min）795%发动机负荷（1480r/min）图2 试验航线 2 试验结果与分析2.1 内河船舶颗粒物排放特性2.1.1 燃用纯柴油时颗粒物排放特性图3所示为试验船舶燃用B0时，不同工况下的PN排放的粒径分布特征。由图3可知，试验船舶的PN排放在巡航和70%、95%负荷工况下随粒径大小呈对数单峰分布，峰值粒径均为34nm；在离港、进港和25%、50%发动机负荷时则随粒径大小呈双峰对数分布：第一峰值粒径均为10.8nm；第二峰值粒径略有不同，分别为16.5nm（进港、25%、50%负荷）和34nm（离港），以上结论基本与谭丕强13等的研究结果相符。图3 燃用B0纯柴油时不同工况的颗粒物数量排放特性2.2.2 燃油品质对颗粒物排放特性的影响图4所示为试验船舶燃用不同品质燃油时，不同工况下的PN排放对数浓度的粒径分布特征。由图4可知，试验船舶燃用2种不同燃料的PN排放对数浓度随粒径的分布特征基本相似：试验船舶燃用B0和B10时， PN浓度在巡航、70%、95%负荷工况下随粒径呈对数单峰分布，峰值粒径均为34nm；离港、进港以及25%、50%负荷工况下，随粒径呈双峰分布：第一峰值粒径均为10.8nm；第二峰值粒径略有差异，燃用B0时分别为16.5nm（进港、25%。50%负荷）和34nm（离港），燃用B10时分别为19.1nm （进港、25%、50%负荷）和39.2nm（离港）。同时，由图4可知，试验船舶燃用B10时，各颗粒粒径段的PN浓度相对燃用B0均有所降低，PN浓度峰值粒径处的PN浓度下降尤其显著。由于燃用不同燃料时的排气流量变化不大，因此可知燃用B10课有效改善PN排放。图4 2种燃油的PN排放对数浓度粒径分布特征图5所示为不同工况下，试验船舶燃用B0和B10时的PN排放对数浓度的对比。由图5可知，试验船舶燃用B10时PN排放相比B0有所降低。如表3所示，大部分工况下，燃用B10时核态颗粒与聚集态颗粒数量均有所下降，仅聚集态颗粒物数量在低负荷（25%负荷、50%负荷）时略微升高。其主要原因是： B10燃油硫含量相对船用B0纯柴油较低，因此减少了依靠吸收排气中的硫酸而形成的雪片型碳烟颗粒的数量14； B10燃油相对船用B0纯柴油含氧量更高，易氧化聚集态颗粒，因此聚集态颗粒数量降低； B10燃油图5 2种燃油在不同工况下的PN排放相对船用B0纯柴油具有更高十六烷值，着火延迟期缩短15，预混合燃烧率降低，因此预混燃烧期内生成的碳核总数减少，PN排放得到改善。表3 试验船舶燃用B10相对B0的PN排放因子变化试验工况核态颗粒/%聚集态颗粒/%总颗粒/%离港-14.80-11.73-13.82巡航-8.32-7.60-8.21进港-47.43-28.74-46.4425%负荷-12.8422.84-10.1450%负荷-19.6817.04-18.1070%负荷-22.30-36.53-23.3695%负荷-21.17-11.95-19.642.2 内河船舶气态排放物排放特性2.2.1 不同工况下CO排放特性图6所示为B0和B10的CO排放因子随发动机负荷的变化规律。从图中可看出，随着负荷变大，B0的CO排放因子呈下降的趋势， B10的CO排放因子则基本稳定在20mg/s，其原因是： 低负荷时，缸内混合气较稀、温度较低，局部熄火区域较多 14，因此B0的CO排放因子随负荷升高呈下降趋势；B10与B0相比，其本身含氧量较高，有助于混合气燃烧，CO排放因子随负荷变化不大。由图6可知，相对B0，B10的CO排放因子在25%、50%、75%和95%发动机负荷下分别降低49.44%、47.44%、40.63%和40.815%，其原因是： B10的十六烷值较高，故滞燃期较短，从而减少了产生于滞燃期内的过稀混合气区域，降低了CO排放； 由于B10含氧量高，有助于混合气充分燃烧，因此CO排放有所改善。图 6 不同发动机负荷下2种燃油的CO排放因子图 7 不同航行工况下2种燃油的CO排放因子图7所示为不同航行工况下2种不同燃油的CO排放因子。从图中可看出，试验船舶巡航时CO排放因子较低，其原因是：巡航时发动机一般处于中等负荷工况（接近70%发动机负荷），而离港、进港时航速较低处于低负荷工况，因此巡航的CO排放因子低于离港、进港。此外，由图7可见B10的CO排放因子较低，在离港、巡航、进港时分别比B0降低20.87%、12.66%和7.52%。2.2.2 不同工况下THC排放特性图8所示为B0和B10的THC排放因子随发动机负荷的变化规律。从图中可看出，随着发动机负荷变大，2种燃油的THC排放因子均不断提高，主要原因是： 随着船舶发动机负荷增加，喷油量变大，过量空气系数降低而缸内压力增大，导致被压入燃烧室内火焰不易传播的间隙中的混合气增多14，加重了缸内局部缺氧的情况，导致THC排放随负荷变大而不断恶化； 按推进特性运行的船舶发动机转速随负荷变大而提高，较高的发动机转速造成较不均匀的混合气，因此THC排放因子随负荷提高而变大。由图8可知，在25%和50%负荷工况处，B10的THC排放因子分别比B0降低了16.56%和2.54%，在70%和95%负荷工况处则比B0提高了12.85%和4.72%，其原因是： B10具有较高十六烷值，滞燃期较短15，有助于混合气充分燃烧和未燃HC的氧化，因此在低负荷时B10的THC排放因子较低； B10燃油具有较高的运动粘度，中高负荷工况时循环喷油量较大，此时燃用B10极易发生油束撞壁黏附的现象17，油束撞壁所形成的壁面油膜经过部分氧化后随废气排出14，导致中高负荷时B10的THC排放因子高于B0。 图8 不同发动机负荷下2种燃油的THC排放因子图9 不同航行工况下2种燃油的THC排放因子图9所示为不同航行工况下2种不同燃油的THC排放因子。从图9可看出，试验船舶巡航时THC排放因子较高，其原因是：巡航时发动机一般处于中、高负荷工况（接近70%负荷），而离港、进港时航速较低处于低负荷工况，因此巡航时THC排放因子高于离港、进港。B10的THC排放因子较高，在离港、巡航、进港时分别比B0提高33.68%、20.46%和26.62%。2.2.3 不同工况下NOX排放特性图10所示为B0和B10的NOX排放因子随发动机负荷的变化规律。从图10可看出，随着发动机负荷变大，2种燃油的NOX排放因子均不断变大，其原因是：NOX生成条件为高温、富氧和高温持续时间18，柴油机工作环境为富氧，循环喷油量随负荷提高而变大，从而造成缸内温度升高，NOX排放恶化。由图10可知，相对于B0燃油，B10燃油的NOX排放因子在25%、50%、75%和95%发动机负荷下分别降低34.57%、28.75%、31.26%和25.28%，其原因是：B10燃油相对船用B0纯柴油十六烷值较高，滞燃期较短15，从而降低了缸内温度，因此B10的NOX排放因子小于B0。图10 不同发动机负荷下2种燃油的NOX排放因子图11 不同航行工况下2种燃油的NOX排放因子图11所示为不同航行工况下2种不同燃油的NOX排放因子。从图11可看出，试验船舶巡航的NOX排放因子较高，其原因是：巡航时发动机一般处于中、高负荷工况（接近70%发动机负荷），此时缸内温度较高，NOX易生成，而离港、进港时航速较低处于低负荷工况，缸内温度较低，因此巡航的NOX排放因子高于离港、进港。此外，相比B0 ，B10的NOX排放因子较低，在离港、巡航、进港时分别降低21.91%、21.63%和39.20%。3 结论（1）内河船舶燃用B0和B10时，PN随粒径分布特征相似：低负荷下随粒径大小呈双峰对数分布，中、高负荷下则呈单峰分布；PN峰值粒径和PN排放速率都随负荷提高而不断变大。燃用B10时各粒径段的PN浓度均相对B0有所降低，PN浓度峰值粒径处的PN浓度下降尤为显著。此外，船舶巡航时颗粒物数量排放显著高于离港、进港。（2）内河船舶燃用B0和B10时，CO、THC、NOX排放因子随发动机负荷变化规律基本相同：CO排放因子随负荷变大而先降低后升高，THC、NOX排放因子随负荷变大而不断升高。此外，船舶巡航时THC、NOX排放因子较离港、进港更高，而CO排放则在巡航时处于较低水平。（3）内河船舶燃用B10时PN、CO和NOX排放因子相对燃用B0有所改善；离港、巡航、进港时PN排放因子分别降低13.82%、8.21%、46.44%，CO排放因子分别降低20.87%、12.66%、7.52%，NOX排放因子分别降低21.91%、21.63%、39.20%。B10的THC排放因子高于B0，离港、巡航、进港时分别提高33.68%、20.46%、26.62%。参考文献1 尤成德. 我国船舶燃料供应市场分析与展望J. 水运管理,2008,03:19-22.2 李源,秦琦,祁斌,等. 2013年世界船舶市场评述与未来展望J. 船舶,2014,01:1-12.3 Blasco J, Durn-Grados V, Hampel M, et al. Towards an integrated environmental risk assessment of emissions from ships propulsion systemsJ. 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But ship emission is one of the most important sources of air pollution in the world. The affect of ship emission on environment and human helth is being paid more and more attention on all over the world. At present, China is still in the initial stage of the ship emission control, which will cause great impact on the port and coastal cities. As one of the basic technology for ship emission control, real world ship emission test is of great research significance and prospect.According to the characteristics and needs of real ship test, this paper designed and established a kind of portable emission testing platform for small and medium-sized ship, which was also based on the study of formation mechanism and test method of different emissions. Meanwhile, a scientific testing condition was desgined according to the study of navigation feature of the ships. A real ship emission test was operated by the portable ship emission testing platform, and the paper studied the emission characteristicsof the ship tested. The calculation formula of ship emission factor, which was based on main engine power, was also studied in this paper. The main conclusions are as follows:(1) The testing condition of real ship emission test was differed by the size of the ship. (a) For small-sized ship: Real world navigation condition such as departure, cruise, arrival and berthing; different engine load conditions such as 90%, 70%, 50% and 25% (Corresponding engine speed: 96%, 89%, 80% and 63%). (b) For medium and big-sized ship: Departure, cruise, arrival and berthing mode; different engine load conditions such as 60%, 45%, 30% and 15% (Corresponding engine speed: 84%, 77%, 67% and 53%).(2) The portable emission test platform designed in this paper can test transient emission characteristics of gaseous and particulate emissions, particle size distribution and component characteristics.(3) The real world emission characteristics of a typical medium-sized inland ship was studied basing on the real ship test. (a) Transient emission characteristics of gaseous and particulate emissions: Emission fluctuated under departure and arrival condition, while it kept steady during cruise and berthing. (b) Characteristics of particle number emission: The emitted PN has a bimodal distribution having two peaks around 40 and 200 nm. Besides, PM0.1 dominanted total particle number during cruise and berthing, while PM0.12.5 was the highest concentration of total particle number during departure and arrival. (c) Characteristics of particle mass emission: PM also had a bimodal distribution with two peaks around 310 and 626 nm. And PM2.510 accounted for at least 85% under different test conditions, while PM0.1 had little contribution to total particle mass. (d) Characteristics of emissions with the increase of engine load: Both of the concentration of CO and THC decreased firstly and then increased. And the highest concentration of CO and THC both appeared in low engine load condition. The concentration of CO2 increased rapidly and then kept steady. Both of the concentration of NOx and SO2 increased rapidly at first and then increased in a steady speed. The concentration of PM and PN decreased firstly and then increased. The contribution of PM0.1 kept decreasing while PM2.50.1 increasing. (e) Characteristics of cations, anions and OC/EC of particle: The main ion of particle was NO2-, NO3-, SO42- and NH4+. The organic carbon was mainly consist of OC1 and OC2, while the proportion of OC4 was the leaest. The main element carbon of particle was EC2, while the proportion of EC1 is slightly higher than that of EC3.(4) This paper calculated the emission factors by three normal evaluation methodologies basing on the result of the real ship emission test and established another calculation method for emission factors basing on distribution characteristics of main engine power and navigation conditions. (a) Different evaluation methodologies emphasized differently, but the method established in this paper is the relatively best one. It can not only reflect the emission under real world navigation conditions, but can also compare with regulations to determine whether the emissions exceeded convenietly. (b) The trends of emission factors of CO2, SO2 and NOx in different engine load conditions were similar, while those of THC and CO were alike. The emission factors of PM and PN were the lowest under medium engine load.Keywords: ship emission; ship diesel engine; real world ship emission test method; emission factorsIII同济大学 硕士学位论文 目录目录摘要IABSTRACTIII第1章 绪论11.1 船舶尾气排放及其危害11.2 国内外船舶排放法规发展及趋势41.2.1 国际和发达国家船舶排放法规51.2.2 国内船舶排放法规91.3 国内外船舶排放研究现状121.3.1 船舶排放清单研究121.3.2 仿真评估区域船舶排放研究131.3.3 船舶排放测试技术研究141.4 本文主要研究内容17第2章 船舶排放实船测试工况与航行参数测试方法192.1 船舶排放实船测试工况设计192.2 船舶航速与主机转速测试系统222.2.1 航速与主机转速测试方法222.2.2 船舶航速与主机转速测试系统及设备布置方案232.2.4 航速与主机转速的试验数据处理方法252.3 船舶排气流量测试262.3.1 排气流量测试方法262.3.2 便携式排气流量测试系统及设备布置方案292.3.3 排气流量试验数据的处理方法302.4 船舶油耗测试322.4.1 船舶油耗测试方法322.4.2 船舶油耗测试系统及设备布置方案332.4.3 船舶油耗试验数据的处理方法342.5 本章小结35第3章 船舶气态物排放实船测试子系统研究设计373.1 船舶气态排放物生成机理及测试方法373.1.1 CO生成机理及测试方法373.1.2 NOx生成机理及测试方法393.1.3 HC生成机理及测试方法403.1.4 SO2生成机理及测试方法413.2 便携式船舶气态物排放测试子系统及设备布置方案433.3.1 便携式船舶气态物排放测试系统433.3.2 测试设备布置及安装473.3 船舶气态物排放试验数据的处理方法483.4 本章小结49第4章 船舶颗粒物排放实船测试子系统研究设计514.1 颗粒物生成机理及采样测试方法514.1.1 颗粒态排放物生成机理514.1.2 颗粒物排放测试方法524.2 便携式船舶气态物排放子系统及设备布置方案574.2.1 便携式船舶颗粒物排放测试系统584.2.2 测试设备布置及安装594.3 船舶颗粒物排放试验数据的处理方法604.4 本章小结62第5章 基于实船排放测试平台的船舶排放特性研究635.1 试验船舶、燃油、工况及航线635.2 航行工况对船舶尾气瞬态排放特性的影响研究655.2.1 航行工况对CO瞬态排放特性的影响655.2.2 航行工况对CO2瞬态排放特性的影响675.2.3 航行工况对THC瞬态排放特性的影响685.2.4 航行工况对NOX瞬态排放特性的影响705.2.5 航行工况对SO2瞬态排放特性的影响725.2.6 航行工况对PM瞬态排放特性的影响745.2.7 航行工况对PN瞬态排放特性的影响755.3 航行工况对船舶颗粒态排放物粒径分布特性的影响研究775.3.1 不同日常航行工况的颗粒物粒径分布特性775.3.2 主机负荷对颗粒物粒径分布特性的影响805.3 试验船舶颗粒态排放物成分特性研究835.4.1 颗粒物离子排放特性835.4.2 颗粒物OC/EC排放特性845.4 试验船舶大气污染物排放因子研究865.4.1 基于航行时间的排放因子865.4.2 基于航行距离的排放因子875.4.3 基于船舶油耗的排放因子885.4.4 基于船舶主机功率的估算排放因子905.4.5 基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子915.5 本章小结93第6章 全文总结及展望956.1 全文总结956.2 研究展望97致谢99参考文献101个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果107109第1章 绪论第1章 绪论1.1 船舶尾气排放及其危害在经济快速发展且不断全球化的背景下，航运业在世界范围内保持高速发展，船舶在全球运输服务贸易中的份额占比不断加大。虽然2015年全球航运总量发展受经济增速下降的影响而有所放缓，但全球航运总量仍然增长约107.4亿吨，同比增幅达1.9%1。据统计，全球目前约80%的运输贸易由海运完成12。我国已发展成为亚洲乃至全球领先的航运大国，不仅港口数量多、港口个体规模大、船舶保有量大，而且各方面仍在持续快速发展。2015年世界十大集装箱港口中，我国占据7个，占全球吞吐量的四分之一以上（我国参与水上运输的船舶约16.59万艘，沿海港口货物吞吐量达到91772.45亿吨公里）；若按货物周转量计算，世界十大港口中有8个在我国。这些大港口大多位于长三角、珠三角和京津冀等人口密集地区（唐山，大连，天津，青岛，上海，宁波-舟山，苏州，广州），船舶及港口排放已经成为了这些沿海沿江城市的重要大气污染源之一。表1.1所示为2015年我国港口万吨级及以上泊位数量和发展情况：截止2015年末，全国拥有31259个生产用码头泊位，总计2221个万吨级泊位，同比增加111个。而沿海港口共1807个万吨级泊位，同比增加103个；内河港口414个万吨级泊位，同比增加8个27。表1.1 全国港口万吨及以上级别泊位数量（单位：个）泊位吨级全国同比增加沿海同比增加内河同比增加1万-3万吨级793386193317453万-5万吨级36942665103-15万-10万吨级7284460042128210万吨级及以上331253222392合计222111118071034148图1.3所示为交通运输部“2015年交通运输行业发展统计公报”发布的2011-2015全国水上运输船舶保有量。截止2015年末，我国拥有16.6万艘水上运输船舶，船舶净载重量为272.44百万吨，平均船舶净载重量为1642.16吨/艘，集装箱箱位总计260.40万标准箱（每标准箱的配货毛重一般为17.5吨），船舶功率达到7259.68万千瓦1。值得注意的是，各项均处于稳步增长状态。图1.3 2011-2015全国水上运输船舶保有量随着航运业的持续发展，船舶尾气带来的环境污染问题逐渐被人们意识到。船舶的尾气排放物可分成气态物和颗粒物两类，具体为CO2（二氧化碳）、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）、SO2（二氧化硫）、HC（碳氢化合物）、VOCs（挥发性有机化合物）以及吸附了有害化合物的PM（颗粒物）Error! Picture switch must be first formatting switch.-Error! Picture switch must be first formatting switch.，其中PM根据粒径大小还可分为PM0.1，PM2.5和PM10。NOx、SO2和PM是船舶排放中的最主要污染物20。船舶废气对生态环境有较大的破坏作用。CO2、CO和HC都是温室气体，能加剧温室效应，而CO2排放总量尤其巨大。据估计，2007年全球船舶CO2排放总量为10亿吨，占全球CO2排放总量3.3%，研究者预计在2050年将增长近5倍，占比将增长到18%。此外，船舶排放的NOx和SO2会对气候造成影响：NOx和SO2在光照条件下会在大气中反应形成气溶胶，以颗粒物的形式出现在大气环境中，即加剧了PM2.5的生成；NOx还会与空气中的氧气反应生成臭氧，进而引起温室效应，破坏植被和生态系统；NOx和SO2与大气中的水反应分别会生成硝酸和硫酸，形成酸雨腐蚀建筑、造成土地与河流酸化（有研究证实，海洋酸化可对全球海洋生态系统造成多种负面影响，如破坏鱼类的嗅觉、影响鱼类脑神经和视神经等，也会导致农作物减产并影响环境硫循环21。值得指出的是，研究表明每年全球仅远洋船舶排放的SO2便多达约470650万吨，占全球SO2排放总量8%，而远洋船舶的NOx排放总量则约为500690万吨，占全球NOx排放总量15%14。船舶废气对人体健康的影响同样不容忽视23。大量研究表明，船舶和港口设备的废气排放（主要是柴油发动机的尾气）可导致过早死亡以及其他严重的人体健康问题Error! Picture switch must be first formatting switch.-Error! Picture switch must be first formatting switch.。船舶排放的NOx、SO2，以及间接形成的臭氧易引发哮喘和中风；而当人体暴露在SO2超标的环境中，则会导致各类炎症，如咽炎、支气管炎、结膜炎和沙眼等。相对SO2和NOx对环境气候的影响，船舶排放物中的PM对人体健康造成的影响更加直接且更加严重。船舶排放物中的PM由挥发性和半挥发性物质凝结在碳核上形成，会导致哮喘、心血管疾病和心肺疾病等2425。相关研究人员发现，柴油机排放的PM毒性很强，包含了多达40余种有毒污染物，且其中的15种已被世界卫生组织（World Health Organization，WHO）确认为致癌物质26；此外，船舶排放的PM的90%为PM2.5，其颗粒非常小，极易随呼吸进入人体。因此，2012年6月12日，WHO下属国际癌症研究所认定包含船舶主机在内的柴油发动机尾气与癌症（肺癌、膀胱癌）有明确关联，和石棉、烟草、烈酒和砒霜等并列为1级致癌物26。据估计，目前全球仅远洋船舶每年排放的PM10便达到约120160万吨，这些与船舶相关的PM可能导致每年约60000例肺癌或其他心血管疾病死亡2425。此外，船舶的废气排放物中的PM吸附了较多有毒物质PAHs（多环芳烃），可随颗粒物进行远距离输送（最远可达10000公里）12。而大部分远洋船舶的尾气中还含有大量的重金属和挥发性有机化合物（VOC）等大量有害污染物。成年人若长期处于VOC浓度较高的环境下，可引起人体慢性中毒、损害肝脏和神经系统，还可能引起内分泌失调、影响性功能、引发白血病等；而孕妇长期暴露在VOC含量较高的环境，可能造成胎儿畸形，并且有对儿童今后的智力发育造成影响。图1.1 基于劳氏船舶数据的全球2016年某时刻船舶分布图1.1为船讯网基于劳氏船舶数据的2016年某时刻全球船舶分布图，图1.1显示了全球船舶总量大、分布范围广、集中于沿海港口地区和主要航道的空间分布特点。船舶的空间分布特点导致船舶废气排放成为港口和近岸地区环境空气重要污染源。船舶排放近70%发生在离海岸线400km内的区域25，船舶废气受海陆风的作用会向内陆地区扩散。图1.2所示为通过模型预估2020年美国境内船舶颗粒物排放空间分布，结果显示海上船舶的排放逐渐扩散至港口和沿海地区，一定程度地影响内陆地区空气质量、生态环境和人体健康。综上，船舶废气排放对港口和沿海地区造成的大气环境污染很严重24。图1.2 模型预估2020年美国船舶颗粒物排放空间分布由于缺乏先进的尾气后处理技术和严格完善的尾气排放监管系统10，船舶对大气污染的贡献率呈现出快速增长的趋势。Heitman等11，通过模型计算发现船舶CO2排放从1990 年5.62亿吨增长到2007年的10亿吨，占全球总CO2排放的3.3% ；预计2050年，船舶CO2排放将继续增长1.52倍。同时，全球船舶排放水平将在2020年上升到全球陆地排放水平12。航运作为贸易的基础性和服务型行业，在促进经济发展与人类社会进步中的作用是不可替代的。随着我国对外贸易的持续增长和“一带一路”战略的深入实施，我国的航运业还将不断壮大，船舶和港口活动水平仍将进一步提升。然而，随着航运业的持续发展，船舶整体排放总量以及对大气环境污染的排放贡献率也势必继续升高，如何科学评估和有效控制船舶排放已经成为了一个国际性的环保研究课题。本文以寻求高效且具有实用性的船舶实船排放测试方法为目的，基于对各类排放物生成机理及测试方法（主要包括船舶航行状态参数测试、颗粒物排放、气态物排放测试）、船舶航行特点的研究，设计搭建船舶实船测试平台和科学的实船排放测试工况；并采用本文设计搭建的测试平台，对选取的上海港典型船舶进行实船排放测试，研究分析试验船舶的排放特性，研究建立一种基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子算法以实现与现行法规排放限值进行对比并评判船舶是否排放超标。1.2 国内外船舶排放法规发展及趋势研究表明，船舶与车辆同为全球空气污染的重要来源Error! Picture switch must be first formatting switch.-Error! Picture switch must be first formatting switch.。车辆尾气排放问题很早就得到了重视，针对车辆排放控制的法规与标准得到不断的发展，世界范围内逐渐形成了以美国、欧洲、日本为主流的三大汽车排放法规体系。不同排放体系根据各自当地路况的特点各有侧重，但是所有排放标准的发展都有相同的特点，即日趋严格89。随着排放法规的不断加严以及排放控制手段的不断加强，机动车尾气排放得到了很大程度的改善，机动车尾气排放对全球排放污染物的贡献率正在逐渐下降。2012年12月31日，欧盟对机动车开始实行欧VI排放标准，重型柴油机NOx、PM限值仅为0.4g/kWh、0.01g/kWh，相对欧V排放标准分别下降80%和50%，标志着机动车尾气排放正在向零排放不断迈进。与车辆不同，船舶的废气排放可谓“被忽视”的大气污染源7。1.2.1 国际和发达国家船舶排放法规随着人们逐渐把越来越多的目光转移到船舶尾气排放对大气环境的污染和人体健康的危害上，各国环保部门加紧制定相关的法规和标准。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）是联合国设立的专门机构，其职能是防止船舶造成海洋污染并负责海上航行安全，该组织的原名是“政府间海事协商组织”，最早成立于1959年1月6日，截止目前IMO已有171个正式成员。1997年9月，英国伦敦召开IMO第43次会议暨MARPOL73/78缔约国会议，大会通过了1997议定书。此次会议批准修订的MARPOL73/78公约添加了附则VI“防止船舶造成大气污染规则”，希望通过制定船舶柴油机排放控制标准（主要提出了对NOX的排放限值要求）的手段，降低大型船舶在公海造成的大气污染。表1.2 MARPOL公约附则VI中NOx各阶段限值船舶建造日期排放标准NOX限值（g/kWh）（按NO2总加权排放量计算）n130r/min130r/min n2000r/min2000年1月1日2011年1月1日Tier I17.045n-0.29.82011年1月1日以后Tier II14.444n-0.237.72016年1月1日或以后（ECAs）Tier III3.49n-0.21.96注：1 建造日期介于1990年1月1日2000年1月1日的船舶，且主输出功率（指额定功率)超过5000kW、每缸排量在90升或以上的船用柴油机，应达到Tier I排放极限值。2 建造日期晚于2016年1月1日的船舶，当船航行于排放控制区内时，必须达到Tier III标准，而航行在排放控制区外时应至少达到Tier II标准。另外需要指出的是，Tier III标准可能延期至2021年开始执行。3 Tier III标准目前仅对排放控制区（Emission Control Area，ECAs）有监管效力。自2000年1月1日起，MARPOL73/78公约附则VI在国际海域范围内全面生效。在2008年10月，IMO第58次会议上，再一次批准修订了附则VI，称为“MARPOL73/78公约附则VI修正案”。图1.4所示为公约规定的不同阶段船舶柴油机NOX排放限值，主要对发动机在不同转速工况的NOX排放提出了限值要求（如表1.2所示）。相比附则VI，附则VI修正案对第二阶段NOX排放标准有了更高的要求，NOX限值降低15.3%21.4%；第三阶段相比第一阶段下降了80.0%。然而MARPOL 73/78公约附则VI仅对功率大于130kW的新造船舶柴油机有排放限值要求，对于其他船舶并不具备监管效力。图1.4 MARPOL73/78公约规定的各阶段船舶柴油机NOX排放限值值得指出的是，虽然MAROL公约附则VI没有对船舶颗粒物排放提出限值要求，却对燃油的硫含量提出了限值要求。通过对燃油硫含量的控制，可有效地控制船舶SOx排放，并间接控制颗粒物排放。MARPOL公约附则VI中对不同排放控制阶段的燃油硫含量限值如表1.3所示。但是IMO的研究表明，未来1015年通过船舶运输的货物将以每年1.5%3%的数量递增，即使在MARPOL公约附则VI顺利执行的前提下，船舶排放的SOx将至少增加40%、NOx排放量将增加约65%28。表1.3 MARPOL公约附则VI 燃油硫含量限值日期燃油中硫含量限值（% m/m）排放控制区非排放控制区2000年1月1.5%4.5%2010年7月1.0%2012年1月3.5%2015年1月0.1%2020年1月0.5%ECA（船舶排放控制区）是早前由北美以及欧洲发达国家设立的32，ECA由部分指定港口及其周围的水域组成，用以治理船舶尾气排放污染的措施。如图1.5所示，目前全球共有4个ECA，包括北美、加勒比海、波罗的海和北海四个排放控制区。图1.5 全球四个排放控制区ECA区域范围四大排放控制区均是SOX排放控制区。图1.5所示为2008-2025年期间IMO船用燃料油含硫量标准及欧盟和美国加州海域燃油含硫量限值对比，图中所示为船用柴油的含硫量限值。从2015年1月1日起，北欧（包括波罗的海、北海和英吉利海峡）和北美（沿美国和加拿大海岸200海里）的ECA将开始采用新的法律规定。该法律规定将ECA中燃油的含硫量上限从现在的1.0% 降低至0.1%32。此举虽然会增加的燃油成本：根据目前每吨260美元的差价，预计马士基航运公司每年的额外成本将达2亿美元左右；但是，在这些控制区内的的货船SOX排放将同比降低 90%，这会在整体上为环境和人类健康带来显著的积极影响。然而，目前为了尽可能降低燃油成本，几乎所有船东都会在船舶驶离排放控制区后换用低价的高硫燃油，由图1.6可知全球的船用油硫含量限值远高于其他排放控制区内的燃油硫含量限值，同时由于排放控制区所占全球航道的比重并不大，因此船舶废气排放对大气污染还是相当严重。为了进一步控制船舶废气排放，全球船用油硫含量限值将在2020年大大加严，从3.5%更改为0.5%，基本达到各排放控制区的燃油硫含量水平30。图1.6 IMO 船用燃料油含硫量标准及欧盟和美国加州海域燃油含硫量限值2016年1月1日起，北美和加勒比海ECA开始强制执行对NOx和PM排放的双重控制；而波罗的海和北海ECA将于2021年1月1日起，也开始强制执行NOx排放控制。目前，IMO建议的降低船舶NOx排放的措施包括假装尾气后处理装置对排放的气体进行后处理（如选择性催化还原和EGR系统），或者改用气LNG（液化天然）作为船用发动机的燃料31。此外，有些国家把船舶发动机划分到非道路机械内燃机，以进行统一的排放控制和监管。2004年开始，EPA对美国境内的船用发动机按照单缸排量作出了分级，要求单缸排量小于30L的发动机满足美国相关非道路发动机排放要求，而对单缸排量大于30L的发动机则统一执行IMO的法规。其中，按照功率不同，EPA对单缸排量小于30的柴油机分别制定了针对CO、HC、NOx和PM排放的4阶段排放法规。Tier4法规如表1.4所示，由表1.4可知柴油机NOx排放限值为1.8g/kWh，对比后发现比重型车用柴油机的欧V法规更加严格。而EPA还要求各船舶主机制造商对所生产的船用柴油机进行颗粒物排放测试，以控制主机颗粒物排放水平。表1.4 EPA单缸排量小于30L的非道路排放Tier4功率（kW）NOx(g/kWh)HC(g/kWh)PM(g/kWh)时间3700220620162000-3700420141400-200042016600-140042017欧盟则基于IMO排放法规，制定了针对包括船机在内的非道路柴油机排放法规，相关法规从1999年起开始被执行。后来，欧盟开始进一步重视船舶排放问题，专门针对内河船舶柴油机制定了排放法规并于2007年起开始执行。除了通过制定船舶排放的相关法律法规来控制和降低船舶废气排放污染外，部分欧美发达国家还通过税收政策来对船舶废气排放进行控制。2001年起，美国联邦环保局制订的有关减少船舶污染大气的税收政策规定强制生效，开始向船舶运营商征收NOx排放税，约1万美元/吨，政府部门所收的这部分税金将被贴补用于支持船舶排放相关的科研和有望降低船舶废气污染的技术。无独有偶，瑞典海事管理局于1998年取消了原有的以载货量为基础的航道税和低额入港税，取而代之的是因环境而异的航道税和港口税。此外，德国、法国、丹麦、挪威和芬兰等欧洲国家也正积极地构筑船舶排放税收制度的框架。1.2.2 国内船舶排放法规目前，我国已经制定了相对完善的机动车和其他非道路机械发动机排放标准和法规，并能够做到严格执行相关法律法规，总体已经达到欧美和其他发达国家的水平。但是针对船舶大气污染物排放控制的法规还不够完善，执行力度也不够严格。1983年，我国颁布了船舶污染物排放标准（GB3552-83），但该标准仅针对污水排放和垃圾处置提出规定，并未涉及船舶尾气排放的监管控制。2007年10月1日起，我国实施的针对非道路机械的排放标准GB 20891-2007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、阶段），对包括船舶发动机在内的额定功率小于 37kW 的柴油机明确了尾气排放限值和相应的测试方法，如表1.5所示。2014年，该文件被更新为GB 20891-2014非道路移动机械用柴油排气污染物放限值及测量方法（中国 三、 四阶段），如表1.6所示。表1.5 非道路移动机械用柴油发动机排气污染物限值（第阶段）额定净功率Pmax（kW）CO(g/kWh)HC(g/kWh)NOx(g/kWh)HC+NOx(g/kWh)PM(g/kWh)18Pmax3-1.08Pmax188.4-12.9-0Pmax812.3-18.4-表1.6 非道路移动机械用柴油发动机排气污染物限值（第阶段）额定净功率Pmax（kW）CO(g/kWh)HC(g/kWh)NOx(g/kWh)HC+NOx(g/kWh)PM(g/kWh)18Pmax3-0.88Pmax186.6-9.50.80Pmax88.0-10.51.0表1.7 船机排气污染物第一阶段（2018年7月1日起）排放限值船机类型单缸排量SV（L/缸）额定净功率P（kW）CO(g/kWh)HC+ NOX(g/kWh)CH4（1）(g/kWh)PM(g/kWh)第1类SV0.9P375.000.9SV1.25.001.2SV55.00第2类5SV155.0715SV20P33005.00P33005.0020SV255.0025SV305.011.02.00.50（1）仅适用于NG（含双燃料）船舶发动机表1.8 船机排气污染物第二阶段（2021年7月1日起）排放限值船机类型单缸排量SV（L/缸）额定净功率P（kW）CO(g/kWh)HC+ NOX(g/kWh)CH4（1）(g/kWh)PM(g/kWh)第1类SV0.9P375.05.81.00.300.9SV1.25.05.81.00.141.2SV55.05.81.00.12第2类5SV15P20005.042000P37005.04P37005.0715SV20P20005.07.01.50.342000P33005.00P33005.0020SV25P20005.07P20005.0025SV30P20005.011.02.00.27P20005.011.02.00.50（1）仅适用于NG（含双燃料）船舶发动机国家环保部针对额定功率37kW及以上船用柴油机尾气排放标准长期空白的情况，先后于2014年6月和2015年6月两次公开征求船舶压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）意见稿。2016年11月，国家环保部公布了如表1.7和表1.8所示的我国船机排气污染物排放限值及测量方法，计划分两阶段共计六年时间来提高我国船机排放标准并加强船舶排放控制。该标准结合我国整体船机排放水平现状，并参考了欧盟内河船机的第阶段（Tier III A）排放控制标准及美国EPA内河沿海船机的第阶段（Tier II）排放控制标准后31，是我国首个正式的船机排放标准。目前为止，相对车辆发动机排放法规而言，船机排放法规在针对NOX排放的控制要宽松许多。由于船舶主机的运行特点和缺乏有效船舶NOX后处理技术的现状，船舶单位燃料NOX排放量远高于车辆。图1.8所示为我国现阶段与未来几年重型柴油车NOX排放限值，以及我国船机排气污染物排放限值的对比。需要指出的是，船机排放限值因单缸排量不同而各异，因此船机排放限值有一定浮动范围。由图1.6可知：（1）我国船舶NOX排放限值远高于机动车；（2）我国即将执行的船机排气污染物排放标准对NOX的限值是目前柴油车国五排放标准的2.573.92倍33。图1.8 中国重型柴油车各阶段NOX排放限值与船机NOX排放限值对比在排放控制区的设立方面，我国也已经开展了大量的研究。由于我国船舶大气污染物的排放主要区域为珠三角、长三角和环渤海等沿海港口地区以及长江、京杭运河等内河水域，国家交通运输部于2016年2月1日发布了珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案，这是我国设立的第一个ECZ（船舶排放控制区）34。方案指出：（1）2016年1月1日起，ECZ内有条件的港口可以实施高于现行船舶排放控制的措施，如规定靠岸停泊时燃用硫含量不超过0.5%的燃油等；（2）2017年1月1日起，进入ECZ核心港口的船舶应靠岸停泊实施此措施；（3）2018年1月1日起，进入ECZ内所有港口的船舶于靠岸停泊期间实施此措施；（4）2019年1月1日起，进入ECZ水域的船舶应实施此措施。此外，实施方案允许采用LNG等清洁替代燃料、采用岸电及加装尾气后处理装置等措施以达到排放标准3435。多年以来，我国除了针对船舶尾气排放限值制订了法规外，同样重视船舶燃油标准的制定。船舶燃油品质直接影响船舶尾气排放水平。在我国，以压燃式发动机作为动力装置的船舶所用的燃料主要为普通柴油（轻柴油），其油品按要求应符合GB252-2009普通柴油。该标准规定：（1）2013年7月1日起，普通柴油硫含量不超过0.035%；（2）2017年7月1日起，硫含量不超过0.005%。除普通柴油外，我国船舶用油还有另外3种：船用馏分燃油，船用渣油或燃料油，以及混合油（由轻质油和重质油按照一定的比例混合而成）。目前，GB/T 17411-1998船用燃料油对这三类船用油提出了要求：（1）对船用馏分燃油硫含量要求在1%2%；（2）船用渣油硫含量要求在3.5%5%。1718我国作为国际航运大国，船舶保有量大，港口数量多，航运业为我国经济快速发展做出了巨大贡献，但船舶尾气排放物对人体健康和环境的巨大危害不可忽视。研究显示，目前我国船舶SO2年排放量约占全国SO2年排放总量8%，NOX则占约10%。我国在针对船舶尾气排放控制方面的法规制定工作起步相对较晚，还需进行更多研究和工作以完善相关的法规和标准。1.3 国内外船舶排放研究现状船舶排放清单和计算机仿真预测目前船舶排放研究领域的最主要研究内容。船舶排放清单是环保部门定量研究船舶排放对大气环境影响的重要基础，也是评估区域船舶排放水平的主要方法，可以对制定区域船舶污染物防治策略提供理论依据，在有效改善地区空气质量的工作中具有重要意义；计算机仿真预测就是根据船舶种类分布、吨位分布、运行工况等数据建立计算机模型后，通过计算机仿真来预测区域船舶排放水平。此外，作为提供关键支持性数据的船舶排放测试技术也得到了较多的研究。1.3.1 船舶排放清单研究Psaraftis56等研究了全球范围内商业船舶的CO2排放情况。基于2007年的劳氏世界船舶数据库，对货船、油轮、集装箱船舶、LNG船舶、LPG船舶、轮渡船舶均进行了排放统计，并单独地分析了小型客船。结果表明，船舶类型以及船舶吨位是每公里CO2排放量的主要影响因素。Corbett37等以国际航运船舶包括货船、商业船舶和军用船舶作为研究对象，研究了船舶排放清单的不确定性。结果表明，国际航运船舶年均燃油消耗为2.89亿吨，超出预计燃油消耗量两倍。由于国际航运船舶燃油消耗主要分配在国际航运和国内航运，因此推测出船舶国内航行燃油消耗或者国际航行燃油消耗数据偏低。此外，计算得到的最新的排放清单增加了船舶各污染物的排放量，其中全球NOx排放增长超两倍。宋亚楠19利用对大连近海和南京长江流域等地去的多艘船舶进行了实船排放测试，并利用船舶自动识别系统（AIS）的船舶航行状态数据计算了船舶的排放清单。结果表明，在进港和离港工况下CO、HC和PM的排放因子均大于巡航工况，而NOX排放因子在各个工况下差别不明显。从排放污染的空间分布来看，距离港口15海里范围内，是船舶排放最密集的区域。伏晴艳20以常规大气污染物和温室气体为研究对象，采用由下而上的动力法对进出上海港船舶排放进行了研究。通过对上海港船舶进出签证数、船舶种类、吨位分布、运行工况、排放因子和燃油校正因子等多要素开展调查和分析，获得了上海港外港和内河9种船种和4种运行工况条件下大气污染物和温室气体排放总量，并结合船舶自动识别系统(AIS)确定了1km1km网格精度的大气污染物和温室气体的排放空间分布。结果表明，2010年上海港船舶的各类大气污染物排放总量如下：0.37万吨PM2.5，0.46万吨PM10，0.44万吨柴油颗粒物（DPM），5.73万吨NOx，3.54万吨SOx，0.49万吨CO，0.21万吨碳氢化合物（HC），288.55万吨CO2，0.01万吨N2O，0.004万吨CH4。此外，还与上海市排放清单总量进行了对比，发现上海港船舶排放对SO2、NOx和PM2.5的排放影响最为显著，分担率分别达到12.0%、9.0% 和5.3%。结果表明远洋船为首要船舶污染源，其排放量对上海市排放清单的分担率分别为12.0%、8.4%和5.1%。1.3.2 仿真评估区域船舶排放研究Schrooten38等建立了名为Ex-TREMIS的模型并计算了全球海洋运输带来的污染物排放。模型是基于一个船队模型，一个运输活动模型和一个排放模型。模型能根据船型和船舶大学计算出主机和辅机的综合排放因子。运用模型研究西班牙的船舶排放，结果表明船舶主机燃烧产生的污染物占船舶总排放污染物超过90%。巡航工况下主机排放占全程主机排放的99%，辅机排放占全程辅机排放的80%。主机燃油消耗占船舶总燃油消耗的95%。另外，研究表明99%的燃油消耗是重油。停泊工况下辅机排放更为重要。其他国家船舶排放研究结果与西班牙类似。尽管Ex-TREMIS模型可以用来估计排放，但需要使用更详细的模型计算海岸线区域的排放物浓度。Schrooten39等使用MOPSEA基于活动水平的排放模型来估计远洋船舶排放。模型考虑了巴尔干地区远洋船舶活动水平，同时考虑单个船舶的特性。并运用此模型研究了最近国际上为降低船舶排放的减排措施在巴尔干地区的效果。研究结果表明，大部分船舶的主机排放仍将继续增加。由于船舶活动水平的增加20042010年间CO2排放将持续增长2%9%；而由于IMO和欧洲船舶法规的实施，NOx排放预计将增长1%8%；SO2排放预计将至少降低50%；辅机从使用重油到普通柴油将导致PM大幅度降低33%，同时导致CO2、NOx、CO和HC降低4%5%。1.3.3 船舶排放测试技术研究船舶排放测试是获取船舶各类排放物排放因子的唯一手段。目前，船舶排放测试技术方法主要有3种：遥感测试，台架试验，以及实船测试。其中，遥感测试法测量船舶排放是目前国内外研究者的重点研究内容，台架试验则是国内外船舶排放因子的主要获取方法，实船排放测试由于测试难度大而处于技术停滞状态。马林才40等对YC6JI9柴油机进行了燃用船用生物柴油的发动机台架试验，探究了多种不同工况下，不同混合比例柴油-生物柴油船用混合燃料在该船舶发动机上的动力性与排放性能。研究结果表明，船用生物柴油的掺混比例控制在0-20%较合适；采用船用生物柴油时，发动机功率小幅降低，但是HC、颗粒物排放显著降低。Kasper41等采用发动机台架试验对一台船用二冲程慢速柴油机进行了颗粒物排放测试，探究了燃用船用柴油、重柴油对船舶发动机颗粒物排放的影响，该研究中仅对发动机5个不同工况点进行了测试。测试结果表明，相对机动车发动机，船用二冲程慢速柴油机排放的颗粒物粒径的颗粒物粒径较小，平均粒径为2040nm。Hallquist42等对一台四冲程船用柴油机进行了台架试验。试验结果表明，当试验船机燃用低硫燃油且配备SCR系统时，颗粒态排放物的数量浓度呈双峰分布，峰值粒径分别为10nm和3040nm，质量浓度峰值出现在20nm及5060nm。以上为国内外针对船舶排放的台架试验的一些研究现状。台架试验的优点是能够较好地控制变量，如仅改变不同后处理设备、燃油品质，测试不同因素对船舶发动机排放的影响Error! Picture switch must be first formatting switch.-Error! Picture switch must be first formatting switch.。然而，台架试验具有一定的局限性，一是由于通常只能对有限数量的工况点进行测试，因此无法模拟实际运行；二是随着船龄的增长，其发动机老化、船体的老化，发动机实际参数、船舶航行阻力等均发生了较大的变化，因此船舶实际航行时的排放水平普遍和台架试验所测排放水平有较大偏差。董刚43等利用遥感测量技术测量了某货车实际行驶过程中的污染物排放。根据遥感测量结果，使用回归分析的方法对NOx，HC，CO等典型排放污染物的排放因子进行了估算。结果表明，车辆实际行驶工况对各污染物排放浓度均有明显的影响，同时提出了对不同类型车辆进行测量和估算以建立城市机动车尾气排放因子数据库的建议。Cappa44等将烟羽测试设备安装在NOAA（美国国家海洋和大气管理局）的Miller Freeman号工作船舶上，进行了排放遥感测试。试验采用了四种不同的采样测试方法，结果表明，在进行船舶排放测试的工作中要重点关注仪器设备的测试限值和测试进度和偏差；由于SO2排放量非常少，因此要尽量使用高精度的测试设备。Balzan45等在2009至2011年利用多种遥感测试技术段对同一艘船舶的SO2以及NOx排放进行了对比测试。结果表明，当使用移动试验车进行遥感测试时，调整车辆的测试位置以接近船舶排气管和下风处，能达到最高的测试精度和准确度；移动试验车的测试结果受风速、风向等气象条件影响较大，同时也容易受附近污染源的排放干扰，影响数据的准确性。Pirjola46等在2010至2011年，利用移动试验车在4条航运通道分别对11艘在波罗的海水域航行船舶的进行了排放遥感测试。试验车上配备了较多的排放测试设备及环境参数测试设备。采用GPS记录试验车的车速以及行驶路线，同时采用激光测距仪实时测量与测试船舶的距离。研究发现，配备不同尾气后处理和燃油系统的船舶的排放特性存在一定差异：装备选择性催化还原系统（SCR）的船舶NOX排放较低，而装备油水复合型喷油系统（DWI）和湿空气动力系统（HAMS）系统的船舶SO2排放较低、PM排放较高。以上为国内外针对船舶排放的台架试验的一些研究现状。遥感测试技术的优点是测试仪器的安装较方便，可以在不影响船舶正常航行以及作业的情况下，对几乎所有类型的船舶进行测试。遥感测试的缺点是不能精确测试单一船舶的排放水平；此外，通过遥感测试船舶排放的手段得到的测试结果受环境及其他排放源的影响较大，导致测试结果精确度相对较低。Error! 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switch.吕代臣47分析了实船测试NOx的必要性，由于实船测试时隔废气成分浓度的精确测量难度较大，因此提出了实船排放简化测试的概念。通过多次实例计算，证明了实船测试忽略CO、HC、C颗粒的浓度测试对NOx浓度测试的准确度影响较小，所以在实际测试条件受限时实船测试方法可以进行一定简化。刘涛48等利用“简化的氮氧化物排放量计算方法”及相关误差理论研究了油耗测量误差对船舶排放NOx排放计算结果的影响，并通过试验进行了验证，证明了油耗测试精度在实船测试中是至关重要的。此外，还对目前常用的船舶油耗的实船测量方法日用油柜法和燃油流量计法，进行了系统的分析比较，分析认为不同情况的船舶，应分别选用容积式或超声波流量计进行油耗的测量。同时，通过试验进论证了超声波流量计测量方法具备一定的可行性。尹自斌49等针对实船NOx排放测试的特点和要求，探讨了主要测量参数的测量方法和测试设备。结果表明，对燃油系统未安装合适流量计的船舶，可参照台架试验的测量结果，并根据燃油品质和环境条件按照法规进行修正；对于经过改装、调整的柴油机，油耗测量课通过安装容积式流量计进行测试。此外，应在船舶处于试航状态时进行排放测试，同时建议在63%、80%、91%、100%标定转速下进行测试。Anderson50等对一艘燃用LNG和轻柴油的双燃料渡轮进行了实船排放测试，结果表明，相比船用轻柴油，使用LNG能够显著降低颗粒物、NOx和CO2排放，但导致THC和CO排放显著升高。此外，颗粒排放中挥发性颗粒物占比大，颗粒物粒径大多小于50nm，在9nm10nm粒径范围内出现数量排放浓度峰值。付明亮51等对京杭大运河上的7艘内河船舶进行了实船排放测试。结果表明基于距离的CO、HC和PM排放因子在进港和离港时相对较高，而巡航时NOx平均排放因子最高。粒径分布分析结果显示，粒径小于0.01m的超细颗粒主要集中在进港和离港时。此外，研究表明CO、HC、PM和NOX基于距离的排放因子随着航行速度的增加而变大。尹航52等对京杭运河江苏段具有代表性的12艘船舶进行了实际排放测试，分析了离港、巡航、进港三种工况下CO、HC、NOX和PM的排放。试验结果表明，巡航工况中NO占NOx比例最大。三种工况下颗粒物数浓度的粒径分布呈双峰分布，分别对应核模态颗粒物与积聚模态颗粒物，粒径小于20nm的PN浓度占99.84%以上，PM2.5数浓度占PM10比例超过99.9%。刘红坤53等对京杭运河内的3艘船舶进行了冷、热起动工况的排放测试。试验结果表明，冷起动时CO、HC和PM排放率远高于热起动，而NOx排放率则低于热起动时。此外还发现，起动离港时颗粒态排放物中的核态颗粒的数量占比远高于巡航等其他工况，达到90%以上。Fridell54等对三艘采用低速、中速柴油机的船舶进行了实船排放测试，研究了船舶在实际工况下的颗粒态排放物的粒径分布特性。结果表明，粒径大小为8m处出现颗粒物数量峰值；不同船舶以及不同发动机负荷下的粒径分布显著不同；安装SCR系统后，颗粒物数量浓度大小可降低一半；此外，随着发动机负荷、油品、发动机种类的变化，颗粒比排放最大变化幅度为3g/kWh。Lack55等对船舶黑碳排放的影响因素进行了实船测试研究。研究表明，低负荷（25%）时黑碳排放相对高负荷(85%100%)增加36倍。若燃用硫含量相对较低的普通柴油代替重油，黑碳排放可降低30%80%。同时，采用尾气洗涤海水系统可以降低25%70%黑碳排放。Winnes56等对两艘船舶进行了排放实船测试，研究了船舶燃用不同硫含量燃油（1.0%重油、0.5%重油、0.1%普通柴油）时超细颗粒物的数量浓度变化。试验结果表明，重油中的硫含量对颗粒数浓度的影响较小，使用两种不同硫含量的重油时，颗粒粒径分布相似。而将重油换成普通柴油，颗粒数浓度及质量浓度下降显著。此外，还论证了全球硫含量0.5%的限值对预期健康威胁的降低并不明显，重油中其他的燃油成分也会对排放恶化，在沿海地区完全禁用重油是更有效的船舶排放控制手段。Fridell57等对一艘装备海水废气洗涤装置的船舶进行了实船排放测试，该船装备的是额定功率21.06MW的二冲程主机。试验结果表明，废气经海水洗涤后，SO2排放显著降低，相当于燃用硫含量小于0.1%的超低硫燃油；同时，颗粒物质量浓度降低约75%，数量浓度降低92%，固态颗粒物数量浓度降低48%，而多环芳烃排放也得到改善。以上为国内外针对船舶排放实船测试的研究现状。采用实船测试技术对船舶排放进行测试的优点是精度高，但受限于船舶类型、船舶仪器的安装等因素，因此实际操作难度相对较大。1.4 本文主要研究内容本文基于船舶排放实船测试的特点和需求，结合对发动机各类排放物的测试方法和技术现状的研究，设计适用于我国典型船舶的便携式船舶排放实船测试平台，并选取一艘典型船舶进行实船排放试验以验证便携式船舶排放实船测试平台的实际使用效果。此外，文章还基于船舶排放实船试验结果，研究分析试验船舶的尾气排放特性。主要研究内容如下：(1) 研究并设计科学的实船排放测试工况和船舶航行参数测试方案。把船舶航行工况划分为离港、巡航、进港、作业等不同类型，研究典型船舶的实际航行的工况分布特点，结合IMO的相关测试要求，设计适用于我国典型船舶的船舶排放实船测试工况；研究实船测试中关键的航行状态参数（排气流量，航速，主机转速等）测试方法，选用科学的测试方法并设计相应的航行状态参数测试子系统。(2) 研究并设计船舶气态物排放实船测试子系统。研究各类气态排放物（一氧化碳CO、二氧化碳CO2、总碳氢THC、氮氧化物NOX、二氧化硫SO2等）的生成机理和测试方法，结合IMO对船舶尾气排放的测试要求并借鉴目前流行的车辆排放车载测试方法，研究设计适用于我国典型船舶的便携式船舶气态物排放测试子系统。(3) 研究并设计船舶颗粒物排放实船测试子系统。研究船舶颗粒物的生成机理和测试方法（尾气采样，排放浓度测试，化学组分测试）进行研究，参考IMO的测试要求并借鉴目前流行的车辆排放车载测试方法，研究设计适用于我国典型船舶的便携式船舶颗粒物排放测试子系统。(4) 选取典型船舶进行实船排放试验，考察本文设计搭建的便携式船舶排放实船测试平台的实际使用效果。此外，基于实船试验结果，研究分析试验船舶的尾气排放特性，主要包括气态物、颗粒物瞬态排放特性，颗粒粒径分布特征以及船舶颗粒排放物的化学组分特征等；采用多种不同评价标准的排放因子计算方法计算试验船舶的排放因子，同时研究建立一种基于主机功率的实船测试船舶排放因子计算方法。第2章 船舶排放实船测试工况与航行参数测试方法第2章 船舶排放实船测试工况与航行参数测试方法我国大部分水域（如上海港内河）对船舶有限速要求，而船舶实际航行时的尾气排放和航行速度有较大的相关性，因此需要设计科学的实船排放测试工况。科学的实船测试工况不仅应具有实际测试可行性，还要对船舶各类典型航行工况的排放水平进行全面测试。本章主要针对我国典型船舶，研究设计了科学的实船排放测试工况。此外，由于船舶航速、主机转速、排气流量和油耗等参数表征了船舶航行状态，是实船排放测试中不可省略的测试项目，因此本章对实船排放测试中多项船舶航行状态参数的测试方法进行了研究并设计了相应的测试系统和方案。2.1 船舶排放实船测试工况设计目前，国际上已有多套完善的车辆排放测试标准，确定了法规测试工况，以轻型车为例，主要有日本的JC08测试工况，欧盟的NEDC测试工况，以及美国的FTP75测试工况5859。但是，目前在船舶排放测试领域还没有规范的测试法规和标准，因此并无统一的测试工况，探究并设计科学的船舶排实船测试工况具有重要意义。船舶主要以柴油发动机机（简称柴油机）作为主机，发动机按照推进特性工作：柴油机与螺旋桨转速成倍乘关系，系统稳定运行时发动机的各项性能取决于螺旋桨的特性60。按照推进特性工作时，柴油机的功率与转速存在如式(2.6)所示的理论关系，推导过程如式(2.1)式(2.5)所示。 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6)式中，-水的密度（kg/m3），D-螺旋桨直径（m），vp-航速，np-螺旋桨转速（r/s），hp-螺旋桨每一转的进程（m），p-螺旋桨进程比（每转一圈实际产生的位移和D之比），KF-推力系数（是p的函数）螺，KM-转矩系数（是p的函数）。对按推进特性工作的新造船舶主机，ISO-8178规定按表2.1所示的E3测试循环进行相应的台架试验。由表2.1可知，台架的E3测试循环涉及较广的发动机负荷，并明确了不同测试负荷的加权因子，测试结果可反映新造主机的排放水平。关红翔61等对三台柴油机，选用包括E3在内的不同测试循环进了对比台架试验，研究发现采用E3测试循环的用时短、测试结果与其他测试循环差距不大。尹自斌49等直接采用E3测试循环对在用船舶进行了实船测试，结果发现主机转速无法达到测试转速，主要原因是发动机长期使用后产生的机械磨损会造成发动机各项参数的改变，同时也导致船舶主机无法稳定在标定功率点（如全负荷点）进行测试。综上，科学的测试工况应综合考虑船舶的类型、船龄与航行特点等多个因素。本文设计的实船测试工况是基于对上海港内船舶类型及数量占比，以及船舶的日常航行特点、工况分布特点的调研结果。表2.2所示为上海港内河水域航行的内河船舶分类调研结果62，其中GRT（Gross Registered Tonnage）表示船舶总吨位。通常将船舶按照不同GRT区间分为5个等级，进出上海港外港的内河船舶以四等船舶占比最高，达到65.0%；其次则是三等船舶，占总量26.9%。上海地方海事局的2016年统计结果表明，上海港内河水域航行的普遍为中小型内河船舶，船型分布较集中，主要是干货运输船，占内河船舶总量99.9%。表2.2 2014年上海港内河水域的内河船舶分布情况分类类别分类标准数量占比（%）船舶种类客船载客船舶0.1非客船载货船舶99.9船舶等级一等GRT16001.1二等600GRT16002.0 三等200GRT60026.9 四等50GRT20065.0 五等GRT505.0 表2.3所示上海市环境监测中心随机调查的283艘上海港内河船舶信息62。由表2.3可知，其中四等船舶（GRT1000的大型船舶燃用4号普通柴油。表2.3 2013年上海港内河船舶分类统计结果GRT（总吨）1000 典型船舶航次1834555平均载货量（吨/航次）249.3 639.7 824.0 5304.0 典型发动机类型613561606160XCW6200ZC主机平均功率（千瓦/艘）127.1 220.6 308.0 903.8 平均行驶时间（小时）12.2 12.7 11.4 11.5 燃油类型0号柴油0号柴油0号柴油0号/4号柴油本文选取上海港内7艘不同类型短途船舶分别进行了各个航行状态持续时间的调研63，如图2.1和图2.2所示。结果表明，对没有水上作业工况的普通船舶而言，巡航时间占航行过程70%或更多，而进出港所用时间占比仅5%15%。由于调研过程还对船舶不同航线状态时的主机转速进行了记录，根据式(2.6)计算后发现，小型船舶（内河垃圾处理船等）和中大型船舶（砂石运输船等）的日常最大主机负荷分别为85%90%和40%60%。因此，实船排放测试中最大测试负荷不应超过90%，而对于中大型船舶不应超过65%；巡航工况的加权因子应相对较高。图2.1 调研船舶实际航行工况分布情况1图2.2 调研船舶实际航行工况分布情况2综合上海港内河船舶类型和分布特点、典型船舶实际航行工况分布特点和其他信息，并参考ISO-8173中E3测试循环，设计如表2.4所示的适用于上海港内河船舶的实船排放测试工况。由表2.4可知，本文设计的船舶排放实船测试的主要测试工况分为典型日常航行工况与准稳态主机负荷测试工况，前者包括离港、巡航、巡航、港口怠速停泊，后者主要为不同主机负荷下的准稳态巡航工况。为保证测试结果具有较高的有效性，要求各测试工况点的测试时间应保持10min或以上（除离岗、进港）。此外，为了有效反应船舶日常航行时的排放水平，还要求测试时船舶的各项运行参数（如货物装载量等）处于日常工作状态。表2.4 船舶排放实船测试工况小型船舶（GRT1000nm）。颗粒物瞬态排放特性测试项目主要有3项：数量排放浓度，质量排放浓度，颗粒粒径分布。在车辆排放车载测试中，颗粒物数量排放浓度、质量排放浓度及粒径分布均是常规测试项目，主要采用不透光烟度计、电子低压冲击仪（Electriacal Low-pressure Impactor，ELPI）和颗粒物粒径谱仪（Engine Exhaust Particle Sizer）等设备进行测试8990。ELPI由芬兰DIKATI公司生产，用于测试颗粒物粒径分布及数量浓度，可以识别空气动力学直径7nm10m范围内的颗粒物，仪器按照颗粒物粒径大小共分12各通道（即12个颗粒物粒径区间）。ELPI的结构和工作原理如图4.6所示。通过内置的气泵，ELPI从稀释后的混合气中抽取样气，样气被电晕充电器充电后，通过12级串联的低压冲击仪。在内部电场的作用下，样气中带正电的颗粒物按粒径大小被分级收集并产生微电流，通过电位计测量各级电流，电流值经修正后，根据式4.1即可计算得到相应粒径范围内的颗粒物数量浓度。此外，由于ELPI的采样气溶胶温度规定在60以下，因此使用ELPI时需要搭配稀释采样系统85。 (4.1)式中，N-颗粒数浓度（#/s），I-校正电流（mA）；P-通道内颗粒在的带电效率（%），n-粒径范围内颗粒基本电荷数（c），e-基本电荷电量（c），Q-进气流量（L/min）。图4.6 ELPI结构及工作原理EEPS由美国TSI公司生产，是用于测试发动机颗粒物排放浓度和粒径分布的专业仪器，可以识别空气动力学直径5.6nm560m范围内的颗粒物，仪器按照颗粒物粒径大小共分32各通道（即32个颗粒物粒径区间）。EEPS结构和工作原理如图4.7所示。EEPS抽取恒定流量的样气，颗粒经电晕充电器充电后通过由中心电极和外缘静电计形成的环形通道，在电场的作用下带正电的颗粒物按粒径大小被收集到不同的通道，采用多级静电计测量不同粒径范围内的粒子总电量，便可计算得到相应径范围内的颗粒物数量。图4.7 EEPS结构及工作原理 颗粒物化学特征测试方法发动机颗粒态排放物的化学特征主要包括OC/EC（有机碳/元素碳）、阴阳离子、金属元素等。目前，发动机颗粒态排放物的化学特征测试一般采用滤膜分析法，即使用滤膜采集颗粒物后送专业实验室分析颗粒物化学成分特征。（1）颗粒物滤膜采样方法颗粒物的滤膜采样中常用的滤膜按功能不同分为石英滤膜与特氟龙滤膜。石英膜用于检测颗粒物的OC/EC及有机组分（PAHs、烷烃和脂肪酸等），由超纯石英纤维制作，耐高温；特氟龙膜（即聚四氟乙烯薄膜）用于采样并检测颗粒物的阴阳离子，由悬浮聚四氟乙烯树脂经模压、烧结、冷却成毛坯，再经车削，压延制成。目前，与滤膜配合使用的采集器一般有两种，分别是微孔均匀沉积式多级碰撞采样器（Mircro-Orifice Uniform Deposition Impactor，MOUDI），以及多通道滤膜采样器等。MOUDI采样器由美国MSP公司生产，是目前应用最广泛的多级气溶胶（颗粒物）碰撞采样设备之一。MOUDI由真空抽气泵、压差表、惯性冲击器及其他附件组成。尾气经稀释后，由气泵抽取恒定流量的样气进入采样器，并通过内部11级滤膜，可采集对应历经范围内的颗粒物。多通道滤膜采样器通常用于采集大气环境中的气溶胶并进行检测分析。通过气泵和调压阀抽取固定流量的被测气体通过滤膜，采集器的多个通道按测试要求分别设置石英膜或特氟龙膜。可采集发动机颗粒态排放物并检测其中OC/EC、阴阳离子、金属元素浓度等项目。综上并经过调研，本文选用多通道滤膜采样器并搭配石英膜和特氟龙膜进行颗粒物采样。主要原因是：多通道滤膜采样器价格便宜，同时工作稳定性高。（2）颗粒物化学特征分析方法颗粒物的化学特征分析项目主要为：OC/EC浓度和阴阳离子浓度等。目前，颗粒物OC/EC分析主要采用国际公认最成熟的光热法，测试原理：OC与EC在不同温度下的挥发性不同，滤膜被加热到不同的温度时OC和EC的溢出速率不同。如图4.8所示，样品在热光炉中通入He气流，首先被连续阶段式升温（分别为140C、280C、480C和580C），即对应得到OC1、OC2、CO3和OC4，使样品中有机碳挥发，之后通入含2%氧气的氦氧混合气体，持续升温580C、740C、840C，即分别对应EC1、EC2和EC3，含碳气体在二氧化锰催化剂的条件下被氧化成为CO2，之后CO2在充填有Ni催化剂的还原炉中被还原为CH4，并被火焰离子化检测器（FID）测定。其中，多数颗粒样品中未发现热解碳信号，因此有机碳OC计算选择为OC1+OC2+OC3+OC4，元素碳计算选择为EC1+EC2+ EC3，而没有热解碳OPC的含量。光热法的测量范围为0.20750gC/cm2。86图4.8 光热法OC/EC分析原理简图颗粒物阴阳离子主要采用离子色谱法（IC）进行检测，检测对象包括：氟离子（F-）、氯离子（Cl-）、硝酸根离子（NO3-）、亚硝酸根离子（NO2-）和硫酸根离子（SO42-）、钠离子（Na+）、铵根离子（NH4+）、钾离子（K+）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+），共10类颗粒阴阳离子。检测时，先将特氟龙滤膜背面朝上放入抽提瓶中，加入10mL超纯水，超声抽提20min，然后经0.45m水相滤膜过滤后转入5mL进样管中，用离子色谱仪进行分析。804.2 便携式船舶气态物排放子系统及设备布置方案本文设计的便携式船舶颗粒物排放测试系统的主要功能包括：对实船进行颗粒物瞬态排放浓度测试，颗粒物粒径分布测试，以及颗粒物化学组分采样分析。测试系统采用车载排放测试领域内权威的专业设备，兼具便携性和测试精度，非常适合进行实船排放测试。4.2.1 便携式船舶颗粒物排放测试系统目前，IMO对船舶颗粒物排放测试设备没有提出明确的技术规格要求。因此，本文基于船舶排放实船测试的需求和特点，参考目前相对成熟的车载排放测试方法，确认选用芬兰DEKATI公司生产的DI-2000射流稀释器，芬兰DEKATI公司生产的ELPI（或美国TSI公司生产的EEPS-3090）进行颗粒物瞬态排放特性测试，采用多通道滤膜采集器+石英膜+特氟龙膜进行颗粒物化学成分特征分析。图4.9 便携式船舶颗粒物物排放测试系统简图表4.1 便携式船舶颗粒物排放测试系统主要设备试验设备测试参数DI-2000射流稀释器稀释样气EEPS-3090粒径谱仪颗粒浓度和粒径分布ELPI静电低压撞击器颗粒浓度和粒径分布多通道滤膜采样器+石英膜+特氟龙膜颗粒物化学组分不透光烟度计排气烟度图4.9所示为便携式船舶颗粒物物排放测试系统简图。表4.1所示为测试系统采用的核心设备，主要包括DI-2000射流稀释器，ELPI静电低压撞击器（或EEPS-3090颗粒物粒径谱仪），不透光烟度计，以及多通道滤膜采样器。此外，本测试系统选用便携式小型发电机为仪器设备进行供电。表4.2所示为颗粒物瞬态排放特性测试设备ELPI的颗粒粒径通道划分，共分为12个粒径通道。ELPI的测试频率为1Hz，颗粒数测量误差小于0.5%。ELPI可测量空气动力学直径为7nm10m间的颗粒物，划分区间如表2.7所示。可非常表4.2 ELPI颗粒粒径通道划分级别粒径下限(m)粒径上限(m)中位直径(m)10.0070.0280.02120.0280.0540.03930.0540.0920.07040.0920.1540.11950.1540.2600.20060.2600.3800.31470.3800.6090.48180.6090.9430.75890.9431.5901.224101.5902.3801.945112.3803.9703.074123.9709.8606.257综上，本文设计的便携式船舶颗粒物排放测试系统主要包括ELPI或EEPS-3090，多通道滤膜采样器，不透光烟度计。测试系统的主要功能：（1）测试颗粒物瞬态数量排放浓度、质量排放浓度、粒径分布；（2）颗粒物阴阳离子排放特性、OC/EC排放特性。结合船舶排放实船测试的需求，本测试系统采用了在车载排放测试领域内最具权威的设备，兼具测试精度、可靠性和便携性，非常适合进行实船排放测试。4.2.2 测试设备布置及安装本章研究设计的船舶颗粒物排放测试子系统为便携式船舶排放测试平台的一部分。由于ELPI和便携式发电机等设备需要占用一定空间，需要船舶有较开阔的甲板平台才能方便的布置和安装，备布置简图如图4.10所示。图4.10 试验设备布置简图与本文第三章3.3.2所述相同。船舶受风浪等环境因素影响，航行时会产生船体颠簸晃动，影响仪器测试精度，因此进行实船测试前应采用捆扎带将设备固定牢靠，并采用吸振海绵降低设备所受震动。为了保证试验精度，在试验前后都需要对测试仪器进行标定。对于试验前后两组标定值相差较大的数据可以判定为无效数据。4.3 船舶颗粒物排放试验数据的处理方法船舶颗粒物排放试验数据的处理工作主要由两部分组成：（1）根据排气采样点的压力修正稀释比；（2）对ELPI或EEPS-3090的颗粒物瞬态排放测试结果做粒径归一化处理。图4.11 DI-2000射流稀释器标定表本文设计的船舶颗粒物排放测试系统采用DI-2000射流稀释器进行稀释采样，其稀释比由进排气口压力决定，图4.11所示为DI-2000稀释器的标定表。利用局部线性插值法计算获取正确的稀释比。稀释器的进排气口压力均为1013.3mbar下标定稀释比为8.21。假设由OBS-2200测得排气采样点的排气压力值为1013.7mbar，环境压力为1014.7mbar，则排气口压力与标定工况的差值为1014.7-1013.3=1.4mbar。此时修正后的进气口压力为1013.7-1.4=1012.3mbar，最后代入式(4.2)计算得到修正后的稀释比为8.25。 (4.2)颗粒物瞬态浓度的归一化处理的原因是：颗粒物粒径分布一般呈对数正态分布，但由于不同分析仪器的通道数不同（即颗粒的分级不同），因此即使测试同一个对象也会产生“不同”的结果，如图4.12和图4.13所示。图4.12 64通道颗粒物粒径分析仪的测试结果图4.13 32通道颗粒物颗粒物粒径分析仪的测试结果颗粒物瞬态浓度的归一化处理的原因是：颗粒物粒径分布一般呈对数正态分布，但由于不同分析仪器的通道数不同（即颗粒的分级不同），因此即使测试同一个对象也会产生“不同”的结果，如图4.12和图4.13所示。归一化公式如式(4.3)所示，图4.12和图4.13中数据经归一化处理后如图4.14所示。 (4.3)式中，dN-颗粒数浓度（#/s），Dp-中位粒径（nm），Dp，u-上级通道粒径（nm），Dp，l-下级通道粒径（nm）。图4.14 归一化处理后不同通道数的颗粒物粒径分析仪测试结果4.4 本章小结本章主要完成了船舶颗粒物排放测试子系统的研究设计，对船舶颗粒态排放物生成机理和测试方法进行了研究，结合调研设计了适用于实船测试的船舶颗粒物排放测试系统：(1) 研究了船舶颗粒态排放物的生成机理和测试方法。确认在实船排放测试中进行颗粒物瞬态数量排放浓度、质量排放浓度和粒径分布测试，进行颗粒物滤膜采样并离线分析颗粒化学特征。(2) 借鉴目前成熟的车载排放测试方法后研究确认采用芬兰DEKATI公司的DI-2000射流稀释器作为稀释采样器，采用芬兰DEKATI公司的ELPI作为作为颗粒物瞬态浓度、粒径分布测试设备，采用多通道滤膜采样器+石英膜+特氟龙膜作为颗粒物化学特征分析设备。(3) 研究了本章设计的便携式船舶颗粒物排放测试系统的试验数据的主要的处理工作（稀释比修正、瞬态测试结果的粒径归一化等）。第5章 基于实船排放测试平台的船舶排放特性研究第5章 基于实船排放测试平台的船舶排放特性研究为考察和验证船舶排放实船测试平台的实际使用效果，本章基于前文所设计的便携式船舶排放实船测试平台，选取上海港某典型内河干货船进行了实船排放试验。基于试验记过，研究分析了试验船舶在不同实际工况下的排放特性：离港、进港、巡航等典型实际航行工况以及不同准稳态主机负荷测试点的气态物、颗粒物瞬态排放特性，颗粒排放物粒径分布和化学特征。此外，还研究并建立了基于主机功率、基于主机功率与航行工况分布的全程加权排放因子计算方法。5.1 试验船舶、燃油、工况及航线课题组成员对上海港进出船舶进行了调研，结果表明干货船是上海港的典型内河船舶，干货船数量大、进出港频繁。因此，选取一艘300吨级干货船，采用前文设计的便携式船舶排放测试平台进行实船排放试验。测试船舶如图5.1所示。图5.1 试验船舶试验船舶吨位（总重/净载重）为30/17t，主机为2台自然吸气式直列6缸柴油机，主机型号R6160A-2，单机排量27.14L，单机额定功率90kW，额定转速750r/min。表5.1 试验船舶所用燃油的部分理化特性检测项目密度/kgm-3十六烷值/-低热值/ mJkg-1硫含量/ mgkg-1氧含量/ %检测结果833.649.842.3245-检测方法ASTM D4052ASTM D613ASTM D240ASTM D5453ASTM D4815试验船舶燃用符合标准的普通柴油，其具体理化特性如表5.1所示。由于试验船舶日常主要营运任务为运输砂石等货物，该船共有4种不同的的典型实际工况：离港，巡航，进港，以及港口怠速停泊。根据对该船日常航行状态的调研，制订了如表5.2所示的试验工况，包括离港、不同发动机转速的巡航、自由巡航、进港、港口怠速停泊工况。为了便于研究，本文定义离港工况为试验船舶从主机起动到离开港口达到稳定航速为止；巡航工况为试验船舶以稳定航速航行；进港工况为试验船舶从巡航航速减速并停靠于港口为止。此外，根据前文第二章所述关于船舶航速与发动机转速之间的理论关系，结合实测主机转速估算主机运行负荷值，如表5.2所示。表5.2 试验工况序号工况类型主机转速(r/min)主机负荷(%)主机负荷类型(低、中、高)1离港5006003060中高2.1准稳态巡航4001015低2.2准稳态巡航5001030中2.3准稳态巡航5801045中2.4准稳态巡航6301060高3自由巡航4005501540中低4进港3806001355-5港口怠速停泊3801013低1-离港； 2-稳定转速巡航（2.1：400r/min，2.2：500r/min，2.3：580r/min，2.4：630r/min）； 3-自由巡航； 4-进港； 5-港口怠速停泊图5.2 实际试验中的工况分布图图5.2所示为实际试验时的工况分布情况。由图5.2可知，试验实际总计用时约160分钟，试验涵盖8种不同试验工况，对船舶在不同测试工况下的实际排放进行了的船载测试。图5.3 测试航线图5.3所示为试验航线，试验航线为船舶日常航行的黄浦江的一段水域，测试航线的起点和终点分别为上海市油墩港码与丰收河闸口码头。测试航段河道宽阔、弯道较少，适合进行实船测试。前文所设计便携式船舶排放实船测试平台采用的仪器设备包括GPS、气态物排放测试设备、颗粒物排放测试设备以及其他辅助设备。测试项目包括：船舶航行状态参数(航速、加速度)，环境参数(气温、湿度、气压)，气态物排放特性(CO、CO2、THC、NOx、SO2)，颗粒物排放特性(数量浓度、质量浓度、粒径分布，化学特征)。5.2 航行工况对船舶尾气瞬态排放特性的影响研究5.2.1 航行工况对CO瞬态排放特性的影响与NOx等相比，船舶CO排放并不严重，CO主要是燃料在发动机缸内由于局部缺氧等原因而产生的不完全燃烧产物。图5.4和图5.5分别为试验船舶CO瞬态排放特性和试验循环中不同航速及加速度下的CO平均排放浓度分布特征。 图5.4 试验船舶CO瞬态排放特性由图5.4和图5.5可知，船舶CO排放浓度在不同航行工况下波动很小，其中CO排放浓度峰值出现在船舶主机起动并离港阶段，大小为1935.5010-6，而港口怠速停泊时CO平均排放浓度也较高。图5.5 试验循环中不同航速及加速度下的CO平均排放浓度分布特性表5.3所示为不同试验工况下CO平均排放浓度。四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的CO平均排放浓度最低，仅204.0910-6；港口怠速停泊时的CO平均排放浓度最高，达到499.3810-6，相比自由巡航工况升高144.69%。不同主机负荷工况下，CO平均排放浓度差异较大，并且随着负荷的增大，CO排放出现先降低再升高的趋势；15%负荷时CO排放浓度最大，30%负荷时最小。表5.3 试验船舶在不同试验工况下的CO平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(10-6)：400.77204.09337.44499.38不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(10-6)：486.92178.57253.85291.79试验船舶CO瞬态排放特性如上所述的主要原因是：不同工况下的燃料燃烧充分程度不同。（1）自由巡航状时动机在中低负荷范围内稳定运行，转速适中，燃油与空气混合较好，因而燃烧充分且CO排放浓度低；（2）离港等需要加减速的高负荷工况下，循环喷油量大且与空气混合较差，转速较高、燃料燃烧时间短，造成燃料燃烧不充分，CO排放浓度高；（3）怠速等超低负荷工况下，发动机转速低，缸内残余废气多，而缸内吸入的新鲜空气量少，为保证燃烧需要加大喷油量，因此混合气较浓，导致CO排放浓度高60。5.2.2 航行工况对CO2瞬态排放特性的影响图5.6和图5.7分别为试验船舶CO2瞬态排放特性曲线和试验循环中不同航速及加速度下的CO2平均排放浓度分布图。图5.6 试验船舶CO2瞬态排放特性由图5.6和图5.7可知：（1）在巡航及港口怠速停泊等工况，船舶CO2排放浓度波动很小；（2）在主机转速不稳定的工况下，如进出港等，船舶CO2排放浓度波动较大；（3）在主机负荷转换点，CO2排放浓度出现局部极小值或极大值；（4）CO2排放浓度峰值出现在离港阶段，大小为8.20%。图5.7 试验循环中不同航速及加速度下的CO2平均排放浓度分布特性表5.4所示为不同试验工况下CO2的平均排放浓度。在四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的CO2平均排放浓度最高，达到5.15%；港口怠速停泊时的CO2平均排放浓度最低，仅为1.18%。不同主机负荷工况下，CO2平均排放浓度差异较大，低负荷（15%负荷）时仅1.17%，而中高负荷（30%、45%、60%负荷）时均大于4.94%，且浓度随负荷增大而升高。表5.4 试验船舶在不同试验工况下的CO2平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(%)：3.945.152.371.18不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(%)：1.174.945.505.94试验船舶CO2瞬态排放特性如上所述的主要原因是：不同工况下，发动机燃油喷射量差异较大。（1）自由巡航时，发动机在中低负荷范围内稳定运行，燃油喷射量适中，CO2排放浓度稳定；（2）离港等需要加减速的变负荷工况下，喷油量大小变化频繁，导致CO2浓度出现峰值且波动大；（3）怠速等超低负荷工况下，发动机燃油喷射量最少，CO2排放浓度低；（4）稳定的中高负荷工况下，发动机单位时间内燃油喷射量较高，CO2排放浓度保持在较高值。5.2.3 航行工况对THC瞬态排放特性的影响THC即总碳氢化合物，船舶排放的HC主要是未完全燃烧的燃油及润滑油。图5.8和图5.9分别为试验船舶THC瞬态排放特性曲线和试验循环中不同航速及加速度下的THC平均排放浓度分布图。 图5.8 试验船舶THC瞬态排放特性由图5.8和图5.9可知：（1）巡航时，试验船舶THC瞬态排放浓度波动很小；（2）试验船舶在低航速与高加速度的航行状态下（即离港时），THC排放浓度较高，出现整个试验循环中的THC排放峰值，为460.8210-6；（3）试验船舶使用主机反转来减速时，THC浓度较高；（4）当试验船舶切换主机转速进行巡航时，THC浓度出现波峰或波谷。图5.9 试验循环中不同航速及加速度下的THC平均排放浓度分布特性表5.5所示为不同试验工况下THC的平均排放浓度。在四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的THC平均排放浓度最低，仅为225.4010-6；港口怠速停泊与离港时THC平均排放浓度较高，尤其怠速停泊时，达到288.6110-6，相比巡航时升高28.04%。不同主机负荷工况下，THC平均排放浓度差异较小，但是呈现出随负荷变大而先降低后升高的趋势，15%负荷时最高（282.7010-6），30%负荷时最小（221.1510-6），45%和60%负荷时分别为236.0110-6和238.9210-6。表5.5 试验船舶在不同试验工况下的THC平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(10-6)：256.55225.40228.16288.61不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(10-6)：282.70221.15236.01238.92试验船舶THC瞬态排放特性如上所述的主要原因是：THC主要是未燃燃油和机油，而不同工况下燃油喷射量与燃烧充分程度存在一定差异。（1）自由巡航时，发动机在中低负荷范围内稳定运行，燃油喷射量与发动机转速适中，燃料有充足的燃烧时间，因此THC排放浓度较低且波动很小；（2）离港等需要加减速的变负荷工况下，燃油喷射量时大时小，主机转速不稳定，燃料不能充分燃烧，导致THC浓度出现峰值且波动大；（3）怠速等超低负荷工况下，虽然发动机燃油喷射量少，但是缸内吸入的新鲜空气量少，因此燃料不能得到充分燃烧，直接导致THC排放浓度高；（4）稳定的中高负荷工况下，发动机单位时间内的燃油喷射量较大，并且高转速转速运行时燃料没有足够的燃烧时间以充分燃烧，导致THC排放浓度高。5.2.4 航行工况对NOX瞬态排放特性的影响船舶排放的NOx对大气环境的破坏很严重，同时也是目前国际和发达国家船舶大气污染排放物的首要控制对象。我国内河船舶主要动力源为柴油发动机，排放的NOX主要是空气中的氮气参与燃烧生成的热NOx。图5.11和图5.12分别为试验船舶NOx瞬态排放特性曲线和试验循环中不同航速及加速度下的NOx平均排放浓度分布图。由图5.10和图5.11可知：（1）试验船舶在进出港时，处于低航速与高加速度的航行状态，NOx排放浓度波动剧烈，并出现整个试验循环中的浓度峰值，为2254.8810-6；（2）自由巡航时，试验船舶NOx瞬态排放浓度波动很小，且基本维持200010-6。 图5.10 试验船舶NOx瞬态排放特性图5.11 试验循环中不同航速及加速度下的NOx平均排放浓度分布特性表5.6所示为不同试验工况下NOx的平均排放浓度。在四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的NOx平均排放浓度最高，达到1905.3010-6；离港与进港时，NOx浓度略低，分别为1223.8010-6和836.3310-6；港口怠速停泊时NOx平均浓度最低，仅为249.3810-6。不同主机负荷工况下，THC平均排放浓度差异较大，以15%负荷为例的超小主机负荷下，NOx浓度仅为250.1210-6，当负荷达到30%后，NOx排放浓度激增至1859.1210-6，随着负荷继续增大，NOx不断升高，在60%负荷时达到2091.4710-6。此外，通过比较前文CO和THC的瞬态排放特性可知，试验船舶的NOX的排放浓度显著高于CO、THC，证明了NOX是船舶尾气中的最主要气态污染物。表5.6 试验船舶在不同试验工况下的NOx平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(10-6)：1223.801905.30836.33249.38不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(10-6)：250.121859.122003.752091.47图5.12 试验循环中不同航速及加速度下的排气温度分布特性试验船舶NOx瞬态排放特性如上所述的主要原因是：不同工况下，发动机缸内温度差异较大。（1）试验循环内的发动机尾气温度分布特性如图5.12所示，超低负荷（加速度低、航速低）区域的排气温度显著低于其他工况，因此15%主机负荷与港口怠速停泊工况时的NOx排放浓度远低于其他工况；（2）随着主机负荷增大，发动机在单位时间内的燃油喷射量增加，缸内温度不断升高，NOx生成速率加快，NOx排放随负荷增加而升高。5.2.5 航行工况对SO2瞬态排放特性的影响由于船舶的燃油品质相对较差，而且含有一定的硫元素，燃料中的硫元素经燃烧反应生成SO2。图5.14和图5.15分别为试验船舶SO2瞬态排放与航速、排气流量的相关特性曲线。需要指出的是，该次船舶排放实船试验中的SO2测试设备每分钟测量一次SO2平均浓度。图5.13 试验船舶SO2瞬态排放特性(1)由图5.13可知：（1）SO2排放浓度峰值出现在试验船舶巡航时，排放浓度达到32.37mg/m3；（2）当试验船舶减小油门并进行减速时，SO2浓度出现下降的现象；（3）试验船舶加大油门以更高的主机转速进行巡航时，出现SO2浓度局部峰值。图5.14 试验船舶SO2瞬态排放特性(2)由图5.14可知，试验船舶的SO2排放浓度大体上随排气流量的增加而升高，而排气流量一定程度上与发动机负荷和转速正相关，因此可推知SO2排放浓度随发动机负荷变大而升高，与谭丕强95等针对柴油机SO2排放特性的研究结果相符。表5.7所示为不同试验工况下SO2的平均排放浓度。在四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的SO2平均排放浓度最高，达到21.16mg/m3；离港和进港时，SO2浓度略低，分别为12.10 mg/m3和11.50mg/m3；港口怠速停泊时SO2平均浓度最低，仅10.21mg/m3。不同主机负荷工况下，SO2平均排放浓度差异较大，且呈现随负荷增大而不断增大的趋势，以15%负荷为例的超小主机负荷下，SO2浓度仅为11.67mg/m3，而以60%为例的高负荷下，SO2浓度达到31.82 mg/m3，相比15%负荷提高了172.73%。表5.7 试验船舶在不同试验工况下的SO2平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(mg/m3)：12.1021.1611.5010.21不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(mg/m3)：11.6724.0228.2931.82试验船舶SO2瞬态排放特性如上所述的主要原因是：不同工况下，发动机喷油量不同，即缸内硫含量不同。（1）自由巡航时，发动机一般在中低负荷范围内稳定运行，燃油喷射量保持在中等水平，SO2排放浓度适中，且波动不大；（2）离港等需要加减速的变负荷工况下，燃油喷射量时大时小，导致SO2浓度出现局部峰值，并伴有一定的波动；（3）怠速等超低负荷工况下，发动机在单位时间内的燃油喷射量较少，SO2浓度低；（4）稳定的中高负荷工况下，发动机单位时间内的燃油喷射量较大，导致SO2排放较高。5.2.6 航行工况对PM瞬态排放特性的影响PM即颗粒物质量，颗粒物是船舶尾气排放物中的重要组分之一。船舶排放的颗粒物对大气环境和人体健康具有重大的危害。颗粒物排放常常以碳烟的形式直观地展现在我们面前，但是还有一部分微小颗粒物是不可见的，如PM2.5等。图5.15所示为试验船舶PM瞬态排放特性。由图5.15可知：（1）离港、进港时，由于发动机处于高低负荷交替的变负荷工况，PM浓度出现峰值且波动较大，最大值达到4746.21mg/m3，试验过程中可观察到尾气呈现黑烟状态；（2）巡航时，发动机负荷相对稳定，PM浓度波动较小，但是PM值保持在较高水平。表5.8所示为各工况下PM的平均排放浓度。在四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的PM平均排放浓度最低，为551.42mg/m3；离港和进港时，PM浓度略高，分别为932.27mg/m3和831.67mg/m3；港口怠速停泊时，PM平均浓度最高，达到1189.39mg/m3。不同主机负荷工况下，PM平均排放浓度差异较大，且呈现随负荷增大而先降低后增高的趋势，以15%负荷为例的超小主机负荷下，PM浓度最高，达到1229.55mg/m3，30%负荷时PM排放浓度达到最低值670.55mg/m3，60%负荷时PM浓度上升至1006.46mg/m3。图5.15 试验船舶PM瞬态排放特性表5.8 试验船舶在不同试验工况下的PM平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(mg/m3)：932.27551.42831.671189.39不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(mg/m3)：1229.55670.55902.731006.46造成上述PM排放特性的主要原因是：不同工况下，发动机单位时间内的燃油喷射量不同，缸内温度及燃油的燃烧充分程度差异大。（1）自由巡航时，发动机一般在中低负荷范围内稳定运行，燃油喷射量保持在中等水平，发动机转速平稳，燃油有足够的时间进行充分的燃烧，PM排放波动小且浓度低；（2）离港等需要加减速的变负荷工况下，燃油喷射量时大时小，导致燃料无法充分燃烧，PM排放出现局部峰值，平均浓度大，并伴有一定的波动；（3）怠速等超低负荷工况下，发动机在单位时间内的燃油喷射量较少，但是局部燃油过浓现象的存在，并且缸内残余废气多，导致部分燃油无法完成充分燃烧，因此PM排放波动小，但是平均浓度高；（4）稳定的中高负荷工况下，发动机在单位时间内的燃油喷射量较大，缸内温度高，而高转速运行时燃料的燃烧时间较短，综合导致PM浓度随负荷的增大而升高。5.2.7 航行工况对PN瞬态排放特性的影响由于PM值不能反应颗粒物的数量，因此在对颗粒物排放进行研究时还需要进行颗粒物数量排放（PN）试验。图5.16为试验船舶PN瞬态排放特性。图5.16 试验船舶PN瞬态排放特性由图5.16可知：（1）PN排放浓度对主机工况的变化非常敏感，当航行工况发生改变时，普遍出现局部峰值；（2）离港时，由于发动机处于高低负荷交替的变负荷工况，PN浓度出现局部峰值且波动剧烈，试验循环中的最大值出现离港时，为19.35107/cm3；（3）巡航时，负荷变化小，发动机转速和循环喷油量保持相对稳定，PN浓度波动小，PN平均浓度较低；（4）港口怠速停泊时，发动机负荷小，循环喷油量小，但是由于缸内局部富油区的存在，PN排放浓度较高。表5.9所示为各工况下PN的平均排放浓度。在四种典型的日常航行工况中，自由巡航时的PN平均排放浓度最低，为3.13107/cm3；进港和怠速停泊时，PN排放浓度略高，分别为5.02107/cm3和7.91107/cm3；离港时，PN平均浓度最高，达到8.62107/cm3，相比巡航提高了175.40%。不同主机负荷工况下，PN平均排放浓度差异较大，且呈现随负荷增大而先降低后增高的趋势，以15%负荷为例的超小主机负荷下，PN浓度最高，达到6.63107/cm3，30%负荷时PM排放浓度达到最低值3.95107/cm3，60%负荷时PM浓度上升至5.35107/cm3。表5.9 不同试验工况下，PN平均排放浓度不同航行状态航行状态：离港自由巡航进港怠速停泊排放浓度(107/cm3)：8.623.135.027.91不同主机负荷主机负荷：15%30%45%60%排放浓度(107/cm3)：6.633.955.055.35综上，本节针对试验船舶瞬态排放特性度最低，为3.13107/cm3；进港和怠速停泊时，PN排放浓度略高，分别为5.02107/cm3和7.91107/cm3；离港时，PN平均浓度最高，达到8.62107/cm3，相比巡航提高了175.40%。不同主机负荷工况下，PN平均排放浓度差异较大，且呈现随负荷增大而先降低后增高的趋势，以15%负荷为例的超小主机负荷下，PN浓度最高，达到6.63107/cm3，30%负荷时PM排放浓度达到最低值3.95107/cm3，60%负荷时PM浓度上升至5.35107/cm3。综上，本节基于便携式船舶实船平台对试验船舶的实船排放试验结果，研究了航行工况（航行状态及主机负荷）对船舶尾气中类排放物瞬态排放特性的影响，结果表明：（1）进出港时，由于主机处于交变负荷状态运行，因此各类排放物浓度出现剧烈波动，巡航和怠速停泊时则相对稳定；（2）以不同主机负荷进行巡航时，各类排放物浓度分别处于不同的稳定值，仅在切换负荷时出现浓度波峰或波谷；（3）随主机负荷增大：（a）CO浓度先降低后升高，低负荷时浓度较高；（b）CO2浓度迅速升高后基本保持稳定，低负荷时浓度较低；（c）THC浓度先降低后升高，低负荷时浓度较高；（d）NOx和SO2浓度迅速升高后缓慢上升；（e）PM和PN浓度先降低后升高。5.3 航行工况对船舶颗粒态排放物粒径分布特性的影响研究5.3.1 不同日常航行工况的颗粒物粒径分布特性对于颗粒物排放而言，PM和PN值分别体现了颗粒物质量和数量浓度，但无法体现不同粒径范围内的颗粒物浓度水平。结合文献91，本文将船舶颗粒态排放物按照动力学直径划分为3种不同粒径范围的颗粒物：超细颗粒物PM0.1 ，细颗粒物PM2.5，以及可吸入颗粒物PM10，动力学直径DP分别为00.1m，02.5m和010m。试验船舶在不同日常航行工况的3类典型颗粒物数量浓度如表5.10所示。由表5.10可知：（1）试验船舶的PM0.1、PM2.5和PM10数量浓度均在离港时最大，分别为7.89107/cm3、8.42107/cm3、8.62107/cm3；（2）PM0.1、PM2.5和PM10均在自由巡航时数量浓度最低，分别相对离港时降低92.26%、70.71%和63.69%。表5.10 不同日常航行工况下，3类典型颗粒物数量浓度测试结果工况颗粒数浓度(107/cm3)PM0.1PM2.5PM10离港7.898.428.62自由巡航0.612.523.13进港3.674.755.02港口怠速停泊6.457.667.91图5.17 不同日常航行工况下，3类典型颗粒物数量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5占比分布特点按照颗粒物粒径大小不同分成3段粒径区间，分别为PM0.1、PM2.5-PM0.1和PM10-PM2.5。图5.17所示为不同日常航行工况下，3类典型颗粒物数量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5的数量浓度占比分布特点。由图5.17可知：（1）在典型的日常航行工况中，离港、进港和港口怠速停泊时，PM0.1数量浓度占比最大，分别为91.58%、73.11%和81.55%，而PM10.0-PM2.5是占比最小的，分别为2.26%、5.50%和3.16%；（2）巡航工况时颗粒物粒径分布较特殊，占比最大的是PM2.5-PM0.1，为60.77%，而PM0.1和PM10.0-PM2.5的占比接近，分别为19.56%和19.67%。图5.18 不同日常航行工况下，颗粒物对数数量粒径分布特性图5.18为不同日常航行工况下，颗粒物对数数量粒径分布特性曲线。由图5.18可知：（1）各工况的颗粒粒径分布呈双峰分布：第一峰值粒径大小为40nm，第二峰值粒径为200nm；（2）离港、怠速停泊、进港和巡航工况的第一峰值粒径的PN浓度逐次降低，而第二峰值处的PN浓度逐次升高。试验船舶在不同日常航行工况的3类典型颗粒物质量浓度如表5.11所示。由表5.11可知：（1）与颗粒数量浓度的粒径分布规律不同，离港时PM0.1平均质量浓度，达到6.36 mg/m3，怠速时次之，而巡航时最小，仅1.02 mg/m3；（2）巡航时，PM2.5的平均质量浓度最高，达到49.71mg/m3；（3）港口怠速停泊时，PM10的平均质量浓度最高，达到1189.39 mg/m3。表5.11不同日常航行工况下，3类典型颗粒物质量浓度测试结果工况颗粒质量浓度(mg/m3)PM0.1PM2.5PM10离港6.3617.89932.27自由巡航1.0249.71551.42进港1.5330.81831.67港口怠速停泊3.9631.281189.39图5.19 不同日常航行工况下，3类典型颗粒物质量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5占比分布特点图5.19所示为不同日常航行工况下，3类典型颗粒物质量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5的质量占比分布特点。为了便于观察分布特性，此处采用了对数纵坐标轴。由图5.19可知：（1）在典型的日常航行工况中，离港、进港、巡航和港口怠速停泊时，PM0.1都是质量浓度占比最小的，分别为0.68%、0.18%、0.18%和0.33%；（2）PM10.0-PM2.5是质量浓度占比最高的，离港、进港、巡航和港口怠速停泊时分别为98.08%、90.99%、96.29%和97.37%。说明试验船舶在日常航行时，其尾气排放中PM10.0-PM2.5对颗粒质量排放的贡献率最大。图5.20所示为不同日常航行工况下，颗粒物对数质量粒径分布特性曲线。由图5.20可知：（1）各工况的颗粒对数质量的粒径分布特性基本一致，呈双峰分布：第一峰值粒径大小为310nm，第二峰值粒径为626nm；（2）根据曲线走势，推测试验船舶在大于626nm的粒径范围内仍然有较高的颗粒物质量排放，因此建议对内河中大型船舶采用可测粒径范围更广的颗粒物排放设备进行测试。图5.20 不同日常航行工况下，颗粒物对数质量粒径分布特性5.3.2 主机负荷对颗粒物粒径分布特性的影响试验船舶在不同准稳态主机负荷下的3类典型颗粒物数量浓度如表5.12所示。由表5.12可知：（1）试验船舶的PM0.1、PM2.5和PM10平均数量浓度均在以15%为例的超低主机负荷时时达到最大，分别为5.15107/cm3、6.38107/cm3、6.64107/cm3；（2）试验船舶的PM2.5和PM10平均数量浓度随负荷增大而先降低后上升，而PM0.1则随负荷增大而不断减少。表5.12 不同准稳态主机负荷下，3类典型颗粒物数量浓度测试结果主机负荷颗粒数量浓度(107/cm3)PM0.1PM2.5PM1015%5.156.386.6330%2.693.773.9545%2.464.955.0560%1.324.665.35图5.21所示为不同准稳态主机负荷下，3类典型颗粒物数量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5的数量浓度占比分布特点。由图5.21可知：（1）在15%及30%负荷为例的中低主机负荷时，PM0.1数量浓度占比最大，分别为77.54%和68.10%；（2）在45%与60%为例的中高主机负荷时，PM2.5-PM0.1的数量浓度占比最大，分别为45.61%和62.40%；（3）PM10-PM2.5占比最低，在15%、30%、45%和60%主机负荷时时分别占颗粒物总量的3.87%、4.66%、9.41%和13.02%。图5.21 不同准稳态主机负荷下，3类典型颗粒物数量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5占比分布特点图5.22为不同准稳态主机负荷下，颗粒物对数数量粒径分布特性曲线。由图5.22可知：（1）各工况的颗粒粒径分布呈双峰分布：第一峰值粒径大小为40nm，第二峰值粒径为200nm；（2）随着主机负荷的增加，第一峰值不断降低而第二峰值不断上升，并伴有第一峰值向更大粒径端移动的趋势。图5.22 不同准稳态主机负荷下，颗粒对数数量浓度粒径分布特性表5.13所示为不同准稳态主机负荷下，颗粒物对数质量浓度测试结果。由表5.13可知：（1）主机负荷为15%时，PM0。1和PM10质量浓度最大，分别为3.99mg/m3和1228.65mg/m3；（2）主机负荷为60%时，PM2.5质量浓度最大，为98.15mg/m3；（3）随主机负荷的不断变大，PM0.1、PM2.5和PM10的质量浓度均呈先降低后上升的趋势。表5.13 不同准稳态主机工况下，3类典型颗粒物质量浓度测试结果工况颗粒质量浓度(mg/m3)PM0.1PM2.5PM1015%3.9932.021228.6530%1.3031.34670.3545%1.8775.131102.5760%2.0898.151003.59图5.23所示为不同准稳态主机负荷下，3类典型颗粒物质量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5的质量浓度占比分布特点。由图5.23可知：（1）不同主机负荷下，PM10-PM2.5的质量浓度占比远超其他粒径段的颗粒，15%、30%、45%和60%时分别为97.39%、95.32%、93.19%和90.25%；（2）随着主机负荷变大，PM10-PM2.5的质量浓度占比缓慢降低，而PM0.1、PM2.5-PM0.1则缓慢上升。图5.23 不同准稳态主机负荷下，3类典型颗粒物质量浓度及PM0.1、PM2.5-PM0.1、PM10-PM2.5占比分布特点图5.24不同准稳态主机负荷下，颗粒对数质量浓度粒径分布特性图5.24为不同准稳态主机符合下，颗粒物对数质量浓度的粒径分布特性曲线。由图5.24可知：（1）不同主机负荷下的颗粒物对数质量浓度随粒径呈双峰分布，第一峰值粒径为310nm，第二峰值粒径为626nm；（3）主机负荷60%时颗粒物对数质量浓度的第一峰值最大，为538.55mg/m3，主机负荷为15%时第二峰值最大，为2295.54mg/m3；（4）随着主机负荷变大，颗粒物对数质量浓度第一峰值上升，第二峰值呈先降低后上升的趋势。综上，本节基于便携式船舶实船平台对试验船舶的实船排放试验结果，研究了航行工况（航行状态及主机负荷）对船舶颗粒态排放物粒径分布特性的影响，结果表明：（1）进出港和怠速停泊时，PM0.1数量占比最高，而巡航时则PM0.12.5占比最高，即颗粒物数量排放主要集中在中小粒径段；（2）颗粒物对数数量随粒径呈双峰分布，峰值粒径分别为40nm和200nm，且离港、巡航、进港和怠速停泊时第一峰值处PN浓度依次降低，而第二峰值处依次上升；（3）试验船舶颗粒物质量排放中，PM2.510占比最高，在不同航行状态下均达到85%以上，PM0.1占比最低；（4）颗粒物对数质量随粒径呈双峰分布，峰值粒径分别为310nm和626nm，第二峰值处浓度最高，且巡航、进港、离港和怠速停泊时第二峰值处依次上升；（5）随主机负荷增大，PM0.1数量和质量占比不断降低、PM2.50.1数量和质量占比不断上升，主要原因是颗粒物随历经大小呈双峰分布，峰值粒径分别为40nm和200nm，且随负荷增大，数量浓度在第一峰值处降低而在第二峰值处升高，颗粒排放集中区从小粒径段向中粒径段移动。5.3 试验船舶颗粒态排放物成分特性研究颗粒物成分主要包括碳气溶胶、硝酸盐、硫酸盐、铵盐以及矿物元素等89。本节主要分析颗粒物离子排放特性和OC/EC排放特性。5.4.1 颗粒物离子排放特性水溶性离子是颗粒物主要化学成分之一，试验基于本文设计的船舶排放测试平台，采用四通道滤膜采样器中的特氟龙膜采集颗粒物，采用两张膜收集试验全程的的颗粒。取两张膜的检测结果平均值，并换算为单位滤膜面积离子浓度。图5.25所示是试验船舶在试验全程中的尾气颗粒物阴离子排放浓度检测结果。由于不同离子的浓度差异较大，因此柱状图采用对数坐标轴，而折线图则采用传统的线性坐标轴。由图5.25可知：（1）试验船舶的亚硝酸根离子（NO2-）、硝酸根离子（NO3-）和硫酸根离子（SO42-）的浓度显著高于其他阴离子检测项，分别为922.59ng/cm2、359.00ng/cm2、1788.70ng/cm2；（2）氟离子（F-）、溴离子（Br-）浓度占比最低，均不足10 ng/cm2，可以忽略不计。综上，试验船舶尾气颗粒物的阴离子排放主要为NO2-、NO3-和SO42-。图5.25 试验全程船舶尾气颗粒物阴离子浓度分布特性图5.26所示是试验船舶在试验全程中的尾气颗粒物阳离子排放浓度检测结果。由图5.26可知：（1）试验船舶尾气中的铵离子（NH4+）浓度显著高于其他阳离子检测项，达到382.85ng/cm2；（2）锂离子（Li+）、钙离子(Ca2+）浓度极低，检测结果为0。综上，试验船舶尾气颗粒物的阳离子排放主要为NH4+。5.26 试验全程船舶尾气颗粒物阳离子浓度分布特性5.4.2 颗粒物OC/EC排放特性有机碳（OC）是燃料燃烧时生成的一次有机物和经大气环境反应生成的二次有机物，而元素碳（EC）只存在于化石燃料或生物质不完全燃烧直接排放的一次排放物中，都是判断大气环境污染源的重要数据92。试验采用3张石英膜采集试验全程的颗粒，并采用OC/EC分析仪检测，检测结果为3张滤膜的平均结果，已换算为单位滤膜面积浓度。滤膜OC浓度检测采用热电法，检测过程中阶段式升温，在140C、280C、480C和580C时分别获得挥发的OC1、OC2、OC3和OC4。86图5.27 试验船舶颗粒物OC排放特性图5.27所示为试验船舶的颗粒物OC排放特性。由图5.27可知：（1）不同滤膜的OC浓度差异不大，平均值为11.33ng/cm2；（2）不同滤膜的各类OC占比基本保持稳定，OC1占比最高，OC2次之而OC4最少；（3）OC1占比45.66%48.17%，OC2占比34.83%38.88%，OC3占比11.07%11.97%，OC4占比3.43%4.58%。综上，试验船舶尾气颗粒物排放中主要为OC1和OC2。图5.28 试验船舶颗粒物EC排放特性滤膜EC浓度检测同样采用热电法，检测过程中阶段式升温，在580C、740C和840C时分别获得挥发的EC1、EC2和EC3。EC1来自在较低燃烧温度时燃油热解形成的，其含量偏低，而EC2+EC3称之为碳烟EC，来自高燃烧温度时经由气-颗粒转化过程形成的。86图5.28所示为试验船舶颗粒物EC排放特性。由图5.28可知：（1）不同滤膜的EC浓度差异不大，平均值为9.73ng/cm2；（2）不同滤膜的各类EC占比基本保持稳定，EC2占比最高，EC1略高于EC3；（3）试验船舶的颗粒物EC1占比10.68%13.11%，EC2占比83.14%85.50%，EC3占比3.74%4.93%。综上，试验船舶颗粒物EC排放主要为EC2，即颗粒物主要以碳烟形式排出。图5.29所示为试验船舶颗粒态排放物的的OC/EC比值特性。由图5.29可知：（1）不同滤膜的OC/EC比值波动很小，介于1.021.41，平均OC/EC为1.20；（2）不同滤膜的OC+EC总浓度存在较小差异，介于16.14ng/cm224.83ng/cm2，平均值为21.06ng/cm2。综上，试验船舶OC/EC大于1，即尾气颗粒物中有机碳含量略高于元素碳。图5.29 试验船舶颗粒物的OC/EC比值特性综上，本节基于便携式船舶实船平台对试验船舶的实船排放试验结果，研究了试验船舶的颗粒物化学成分特征，结果表明：（1）颗粒物阴离子成分主要为NO2-、NO3-和SO42-；（2）颗粒物阳离子成分中主要为NH4+；（3）试验全程，颗粒物中有机碳主要为OC1和OC2，其中OC1占比最高而OC4占比最低；（4）试验全程，颗粒物中EC2占比最高，EC1略高于EC3，因此颗粒物主要以碳烟形式排出。5.4 试验船舶大气污染物排放因子研究5.4.1 基于航行时间的排放因子基于时间的排放因子，即各排放物的排放率，主要由排放物浓度及排气流量对排放的决定，利用基于时间的排放因子可以较快捷的计算船舶排放清单，计算方法如式(5.1)所示。式中，EF为排放因子(g/h)，ER为排放总量(g)，t为测试持续时间(s)。 (5.1)表5.14 不同工况和主机负荷下，试验船舶基于时间的排放因子工况类型排放因子(g/h)COCO2THCNOXSO2PMPN(1017#)离港98.5216227.1626.66527.693.811500.614.12巡航88.0134793.8026.081342.777.283085.602.55进港102.0511891.4933.96432.112.271711.082.94港口怠速停泊142.605296.2741.02117.222.571759.784.0415%负荷139.875284.4240.42118.232.751777.354.1530%负荷59.9826165.7737.101030.607.011200.324.0445%负荷128.4043572.1559.171657.8911.111450.967.7160%负荷172.4454502.3069.042000.3615.085739.565.12图5.31 基于时间的试验船舶排放因子随工况变化特性表5.14所示为试验船舶基于时间的排放因子，图5.31为排放因子随工况变化特性。由表5.14和图5.31可知：（1）CO和THC排放因子随工况的变化特性相似，不同工况下变化很小，但是巡航等中等负荷时略小，而怠速停泊和进出港等超低负荷与高负荷时则略大；（2）CO2、NOX和SO2排放因子随工况的变化特性相似，随负荷变大而升高，巡航时最大，怠速停泊时最小，主要原因是巡航时浓度高，并且排气流量大；（3）不同工况下，PM的变化相对PN而言较大，主要原因是不同工况下颗粒物粒径分布存在差异，中高负荷时大颗粒的数量占比增加。5.4.2 基于航行距离的排放因子基于航行距离的排放因子主要由平均排放率和航行距离决定，计算方法如式(5.2)所示，式中，EF为排放因子(g/km)，ER为排放总量(g)，v为航速(m/s)，t为航速持续时间(s)96。(5.2)表5.15 不同工况和主机负荷下，试验船舶基于航行距离的排放因子工况类型排放因子(g/km)COCO2THCNOXSO2PMPN(1014#)离港71.0414496.323.81471.411.16729.1284.77巡航9.272337.355.07141.530.7321.319.58进港19.402260.936.4682.160.3752.9020.22港口怠速停泊681.8124579.75190.38544.027.061263.4295.5330%负荷5.482390.493.393.890.6216.577.9945%负荷11.333844.6439.3717.9960%负荷14.014426.825.615.611.1537.8519.52图5.32 基于航行距离的试验船舶排放因子随工况变化特性表5.15所示为试验船舶基于航行距离的排放因子，图5.32 所示为排放因子随工况变化特性。需要指出的是，本次试验的15%主机负荷工况是在港口停泊时进行测试的，所以不适合用于计算15%主机负荷时基于距离的排放因子。由表5.15和图5.32可知：（1）离港和港口怠速停泊时，上述7类排放物基于航行距离的排放因子均显著高于巡航和进港时，主要原因是在污染物排放率差异不大的情况下，离港和怠速时的航行距离相对而言非常小，导致单位船舶位移的排放总量大；（2）不同主机负荷下，基于航行距离的排放因子的变化趋势相似，均随负荷增大而升高。综上可推断，基于航行距离的排放因子适用于评价船舶巡航工况的排放水平，且船舶若以较低负荷巡航，则可以在不考虑燃油经济性的情况下降低排放。5.4.3 基于船舶油耗的排放因子基于船舶油耗的排放因子，主要由单位航行距离内的排放总量和燃油消耗量决定，计算方法如式(5.3)所示，式中，EF为排放因子(g/kg*FUEL)，ER为排放总量(g)，Q为船舶燃油消耗量(kg)。(5.3)表5.16 不同工况和主机负荷下，试验船舶基于油耗的排放因子工况类型排放因子(g/kg*FUEL)COCO2THCNOXSO2PMPN(1013#)离港15.293120.015.12101.460.47673.2815.46巡航7.933134.094.33120.950.60277.942.29进港26.523090.678.83112.310.55444.717.64港口怠速停泊79.762962.4022.9465.570.49984.3115.2615%负荷28.132965.2413.2166.340.84398.235.8430%负荷7.193134.895.13123.480.7498.173.6945%负荷9.233132.284.25119.180.79101.635.5560%负荷9.913132.123.97114.960.78392.843.00表5.16所示为试验船舶基于油耗的排放因子，图5.33为排放因子随工况变化特性。由表5.16和图5.33可知：（1）CO和THC排放因子随工况的变化特性相似，离港和巡航时最小，进港时略高，而以15%主机负荷和怠速停泊为例的典型超低负荷工况下，CO和THC的排放因子最大，分别达到79.76g/kg*FUEL和22.94 g/kg*FUEL；（2）CO2和SO2排放因子随工况的变化特性相似，不同工况下的变化很小；（3）NOx排放因子随主机荷变大而先快速上升，然后缓慢降低，巡航时NOx排放因子最高，达到120.95g/kg*FUEL；（3）PM和PN排放因子均在以30%主机负荷与巡航为例的中等负荷时最小，离港和港口怠速停泊时PM排放因子较大，此外，15%负荷等超低负荷工况下PM和PN排放因子较大。图5.33 基于油耗的试验船舶排放因子随工况变化特性5.4.4 基于船舶主机功率的估算排放因子基于主机功率的排放因子算法是船舶主机台架试验常用的计算方法，能够有效地评价和比较不同船舶发动机的排放水平，计算方法如式(5.4)所示。式中，EF为排放因子(g/kWh)，ER为排放率(g/s)，P为船舶主机功率(kW)。(5.4)需要指出是的是，由于实船测试不同于台架试验，无法直接测量发动机功率。经研究后发现，结合测试工况后，可采用通过主机测试负荷反推估算实际功率的方法进行计算，计算原理基于柴油机的推进特性，与本文第二章2.1节“船舶排放实船测试工况设计”类似。表5.17 不同主机负荷下，试验船舶基于主机功率的排放因子主机负荷(%)排放因子(g/kWh)COCO2THCNOXSO2PMPN(1016#)15 10.36391.442.998.760.20131.663.0730 2.22969.101.3738.170.2644.461.5045 3.171075.861.4640.940.2733.831.9060 3.191009.301.2737.040.28106.290.95表5.17所示为试验船舶基于主机功率的排放因子，图5.34为排放因子随工况变化特性。由表5.14和图5.34可知：（1）CO和THC排放因子随工况的变化特性相似，超低负荷时最大，随负荷增大先下降，然后缓慢上升；（2）CO2、NOX和SO2排放因子随工况的变化特性相似，随负荷变大先升高，然后趋于稳定值；（3）随主机负荷变大，PM排放因子先降低后上升；（5）PN排放因子在超低负荷时最大，高负荷时最低。图5.34 基于主机功率的试验船舶排放因子随工况变化特性5.4.5 基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子前文5.4.1、5.4.2、5.4.3和5.4.4节分别采用了4种在常用的排放因子计算方法，计算了不同航行工况和主机负荷下、不同评价基准的船舶的排放因子。本节主要根据试验船舶的实际航行特点和工况分布特性，研究全程加权排放因子，计算方法如式(5.5)所示。由于目前国内外船舶大气污染物排放法规中，各类排放物的排放限值均以“g/kWh”给出，因此为了便于和法规限值进行比较而选用前文5.4.4“基于船舶主机功率的排放因子”作为研究基准。(5.5)式中EF*为加权排放因子(g/kWh)，EFi为不同测试工况的排放因子(g/kWh)，fi为不同工况的加权系数(01)。表5.18 实际试验工况，以及工况类型与主机转速、负荷的对应特性 工况类型主机转速(r/min)主机负荷(%)离港5006003060巡航4505502540进港3806001355怠速停泊3703901315图5.35船舶在试验全程中的工况分布根据前文第二章2.1节“船舶排放实船测试工况的设计”，试验船舶的实际试验工况如表5.18所示。图5.35和图5.36分别为试验全程中，航行工况类型及航速分布特性。由图5.35和图5.36可知：（1）试验船舶在试验全程中巡航时间占85.48%，进出港分别只占3.95%和4.45%，停泊时间占6.12%；（2）航速主要集中在停泊时的0以及巡航时的9km/h12.6/h范围类。图5.36 船舶在试验全程中的航航速分布基于试验船舶工况和航速分布特点、不同类型工况与主机负荷的对应关系，借鉴船舶主机台架试验的ISO-8178规定的E3测试循环，确定了试验船舶的全程排放因子的加权系数，如表5.19所示。表5.19 基于实际航行工况分布特性的排放因子加权系数工况类型离港巡航进港停泊对应主机负荷(%)45%30%45%15%加权系数0.0750.750.0750.1根据式(5.5)和表5.19所示加权系数，并结合前文5.4.4节基于船舶主机功率的排放因子研究结果，计算得到基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子，结果如表5.20所示。表5.20 基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子排放物COCO2THCNOXSO2PMPN(1016#/kWh)排放因子(g/kWh)3.75991.401.6037.300.2746.701.96图5.37 我国船舶主机NOx排放控制限值图5.37所示为我国船舶主机NOx排放控制限值，可见试验船舶的全程NOx加权排放因子未达到我国未来主机排放标准，且超过限值1倍。由于试验船舶为上海港的典型船舶，因此本文推测我国现有船舶排放普遍较差，难以达到即将执行的排放标准，因此必须加快船舶尾气后处理技术的研究和推广应用。综上，本节采用3种常用评价标准的船舶排放因子计算了试验船舶排放因子后发现并不能直接与法规规定的排放限值进行比较，因此进一步研究了基于船舶主机功率的排放因子估算法，以及基于主机功率和航行工况分布特征的加权排放因子估算法，结果表明采用基于主机功率和航行工况的全程加权排放因子不仅能较好地反映船舶实际排放水平，也能便捷地与排放法规规定的具体排放物限值进行比对以快速判定船舶尾气排放是否达标。5.5 本章小结本章主要对前文设计的便携式船舶排放测试平台进行了实际应用，以验证测试平台的实际使用效果，并对试验船舶排放特性进行了研究。基于前文设计的实船排放测试平台，对一艘典型的内河干货运输船进行了排放试验，研究分析了不同航行工况（离港、进港、巡航、停泊、不同主机负荷）对船舶气态物和颗粒物瞬态排放特性、颗粒物粒径分布特征的影响，研究了试验船舶的颗粒化学成分特征；还研究了基于主机功率和航行工况分布特征的加权排放因子估算法，结果表明采用基于主机功率和航行工况的全程加权排放因子不仅能较好地反映船舶实际排放水平，也能便捷地与排放法规规定的具体排放物限值进行比对。具体研究结果如下：(1) 进出港时，由于主机处于交变负荷状态运行，因此各类排放物瞬态排放浓度出现剧烈波动，巡航和怠速停泊时则相对稳定。以不同主机负荷进行巡航时，各类排放物瞬态排放浓度分别处于不同的稳定值，仅在切换负荷时出现浓度波峰或波谷。进出港和怠速停泊时，PM0.1数量占比最高，而巡航时则PM0.12.5浓度最大，即颗粒物数量排放主要集中在中小粒径段；颗粒物对数数量随粒径呈双峰分布，峰值粒径分别为40nm和200nm，且离港、巡航、进港和怠速停泊时第一峰值处PN浓度依次降低，而第二峰值处依次上升。试验船舶颗粒物质量排放中，PM2.510占比最高，在不同航行状态下均达到85%以上，PM0.1占比最低；颗粒物对数质量随粒径呈双峰分布，峰值粒径分别为310nm和626nm，第二峰值处浓度最高，且巡航、进港、离港和怠速停泊时第二峰值处依次上升。(2) 随主机负荷增大，CO浓度先降低后升高，低负荷时浓度较高；CO2浓度迅速升高后基本保持稳定，低负荷时浓度较低；THC浓度先降低后升高，低负荷时浓度较高；NOx和SO2浓度迅速升高后缓慢上升；PM和PN浓度先降低后升高；PM0.1数量和质量占比不断降低、PM2.50.1数量和质量占比不断上升，主要原因是颗粒物随历经大小呈双峰分布，峰值粒径分别为40nm和200nm，且随负荷增大，数量浓度在第一峰值处降低而在第二峰值处升高，颗粒排放集中区从小粒径段向中粒径段移动。(3) 颗粒物阴离子成分主要为NO2-、NO3-和SO42-，颗粒物阳离子成分中主要为NH4+。试验全程，颗粒物中有机碳主要为OC1和OC2，其中OC1占比最高而OC4占比最低；试验全程，颗粒物中EC2占比最高，EC1略高于EC3。(4) 采用3种常用评价标准的船舶排放因子计算了试验船舶排放因子，研究了可以直接和法规规定限值进行比较的基于船舶主机功率的排放因子估算法，以及基于主机功率和航行工况分布特征的加权排放因子估算法，结论如下：a) CO2、SO2及NOx基于时间的排放因子在巡航和高主机负荷时较大，且随工况的变化趋势相同；THC和CO排放因子变化趋势相似，随主机负荷变大而先略微降低后再略微升高；PM和PN排放因子在巡航时最小，PM排放因子在小负荷和大负荷时较高，而PN排放因子在不同负荷下变化不显著。b) 各排放物基于航行距离的排放因子趋势相同，进出港和怠速停泊时较大，主要原因是以上航行工况下的航行速度低；随负荷增大，各排放物的排放因子均不断上升。c) CO2、SO2及NOx基于油耗的排放因子在不同航行工况下变化较小，其中CO2最稳定，SO2及NOx排放因子在怠速时最低、巡航时最高。THC和CO随工况的变化趋势相似，巡航时最低和中高负荷时较低，怠速停泊和超低主机负荷时较高。PM和PN排放因子在巡航时最低，而在怠速停泊时最高。d) CO2、SO2及NOx基于主机功率的排放因子变化趋势相似，低负荷时较低，中高负荷变化不大。THC和CO随工况的变化趋势相似，低负荷时较高，中高主机负荷时较低且变化不大。PM和PN排放因子在中等主机负荷时最低，而低负荷与高负荷时较高。e) 基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子是最优的排放因子计算方法，不仅可以体现不同主机在船舶实际航行时的排放水平，也能非常便捷地与船舶排放法规进行对比以判断船舶排放是否超标。本文试验船舶基于主机功率和航行工况分布特性的全程加权NOx排放因子为37.3g/kWh，超过即将执行的我国船舶主机NOx排放控制限值1倍。第6章 全文总结及展望第6章 全文总结及展望随着经济的快速发展和全球化，船运作为运输行业中不可缺少的重要手段不断得到大力发展。在环境保护受到极大重视的现状下，船舶排放问题逐渐得到越来越多的关注。目前，针对船舶排放的实船测试方法还不完善，因此难以获取精确的船舶排放因子以供相关机构和政府部门开展船舶排放监管作为判断依据。本文研究了船舶排放实船测试方法，设计搭建了适用于我国内河船舶的便携式排放测试平台，并对一艘具有代表性的内河干货船进行了实船排放测试，结果表明本文设计搭建的实船排放测试平台实际使用效果良好。此外，基于实船测试结果，研究分析了离港、进港、巡航、停泊等典型日常航行工况以及不同准稳态主机负荷对船舶气态物、颗粒物瞬态排放特性、颗粒粒径分布特征的影响，分析了颗粒物化学成分特征。本文还研究计算了基于不同标准的船舶排放因子，并且建立了一种基于主机功率的排放因子计算方法，不仅可以体现不同船机的排放水平，还能与法规进行快速对比以判定船舶排放是否达标。6.1 全文总结本文依托于上海市科委科技攻关项目“航道流动源污染检测技术及船舶排放特性研究”，设计搭建了便携式船舶排放测试平台，开展了船舶实船排放测试方法研究。为验证本文所设计实船测试平台的实际使用效果，对上海港内某干货船进行了实船排放测试，并基于实船排放测试结果研究分析了不同航行工况（离港、进港、巡航、停泊、不同主机负荷）对船舶气态物和颗粒物瞬态排放特性、颗粒物粒径分布特征的影响，试验船舶的颗粒化学成分特征，还研究了基于主机功率和航行工况分布特征的加权排放因子计算方法。得到的主要结论有：(1) 基于船舶实际航行工况分布调研结果和船舶主机运行特性的研究结果，分别设计了适合我国内河小型船舶与中大型船舶的测试工况，结论如下：a) 对于小型船舶而言，测试工况主要包括进出港、巡航、作业、怠速停泊等日常典型工况，以及90%、70%、50%和25%主机负荷（对应转速96%、89%、80%、63%额定转速）的准稳态航行工况。b) 对于中大型船舶而言，测试工况主要包括进出港、巡航、作业、怠速停泊等日常典型工况，以及60%、45%、30%和15%主机负荷（对应转速84%、77%、67%、53%额定转速）的准稳态航行工况。(2) 基于对船舶气态和颗粒态排放物生成机理和测试方法的研究，设计搭建了以日本HRIBA公司OBS-2200气态物排放分析仪、芬兰DEKATI公司ELPI静电低压冲击器、多通道滤膜采样器等设备的便携式船舶排放实船测试平台，可测试：船舶航速，环境温度、压力、湿度，排气流量、温度、压力，气态物（CO、CO2、THC、NOx、SO2）和颗粒物瞬态排放浓度，颗粒物粒径分布特性、化学成分特征。(3) 基于本文设计搭建的实船排放测试平台对一艘典型的内河干货运输船进行了实船排放测试，研究分析了不同航行工况（离港、进港、巡航、停泊、不同主机负荷）对船舶气态物和颗粒物瞬态排放特性、颗粒物粒径分布特征的影响，研究了试验船舶的颗粒化学成分特征。研究结论如下：(a) 进出港时，由于主机处于交变负荷状态运行，各类排放物瞬态排放浓度出现剧烈波动，而巡航和怠速停泊时则相对稳定。以不同主机负荷进行巡航时，各类排放物瞬态排放浓度分别处于不同的稳定值，仅在切换负荷时出现浓度波峰或波谷。(b) 颗粒物数量排放主要集中在中小粒径段，且随粒径大小呈双峰分布：进出港和怠速停泊时，颗粒物中PM0.1数量占比最高，而巡航时则PM0.12.5浓度最大；颗粒物对数数量峰值粒径分别为40nm和200nm，离港、巡航、进港和怠速停泊时第一峰值处PN浓度依次降低，而第二峰值处依次上升。(c) 颗粒物质量排放主要集中在大粒径段，且随粒径大小呈双峰分布：在不同航行状态下颗粒物中的PM2.510占比都最高，均达到85%以上，PM0.1占比最低；颗粒物对数质量峰值粒径分别为310nm和626nm，第二峰值处浓度最高，且巡航、进港、离港和怠速停泊时第二峰值处依次上升。(d) 随主机负荷增大：CO浓度先降低后升高，低负荷时浓度较高；CO2浓度迅速升高后基本保持稳定，低负荷时浓度较低；THC浓度先降低后升高，低负荷时浓度较高；NOx和SO2浓度迅速升高后缓慢上升；PM和PN浓度先降低后升高；PM0.1数量和质量占比不断降低，PM2.50.1数量和质量占比不断上升，同时颗粒排放集中区从小粒径段向中粒径段移动。(e) 颗粒物阴离子成分主要为NO2-、NO3-和SO42-，颗粒物阳离子成分中主要为NH4+。试验全程，颗粒物中有机碳主要为OC1和OC2，其中OC1占比最高而OC4占比最低；试验全程，颗粒物中EC2占比最高，EC1略高于EC3。(4) 基于实船测试结果，采用3种常用评价标准的船舶排放因子计算了试验船舶排放因子，研究了基于船舶主机功率的排放因子估算法与基于主机功率和航行工况分布特征的加权排放因子估算法，结论如下：a) CO2、SO2及NOx基于油耗的排放因子在不同航行工况下变化较小，其中CO2最稳定，SO2及NOx排放因子在怠速时最低、巡航时最高。THC和CO随工况的变化趋势相似，巡航时最低和中高负荷时较低，怠速停泊和超低主机负荷时较高。PM和PN排放因子在巡航时最低，而在怠速停泊时最高。b) CO2、SO2及NOx基于时间的排放因子在巡航和高主机负荷时较大，且随工况的变化趋势相同；THC和CO排放因子变化趋势相似，随主机负荷变大而先略微降低后再略微升高；PM和PN排放因子在巡航时最小，PM排放因子在小负荷和大负荷时较高，而PN排放因子在不同负荷下变化不显著。c) 所有排放物基于航行距离的排放因子趋势相同，进出港和怠速停泊时较大，主要原因是以上航行工况下的航行速度低；随负荷增大，所有排放物的排放因子不断上升。b) 各排放物基于航行距离的排放因子趋势相同，进出港和怠速停泊时较大，主要原因是以上航行工况下的航行速度低；随负荷增大，各排放物的排放因子均不断上升。c) CO2、SO2及NOx基于油耗的排放因子在不同航行工况下变化较小，其中CO2最稳定，SO2及NOx排放因子在怠速时最低、巡航时最高。THC和CO随工况的变化趋势相似，巡航时最低和中高负荷时较低，怠速停泊和超低主机负荷时较高。PM和PN排放因子在巡航时最低，而在怠速停泊时最高。d) CO2、SO2及NOx基于主机功率的排放因子变化趋势相似，低负荷时较低，中高负荷变化不大。THC和CO随工况的变化趋势相似，低负荷时较高，中高主机负荷时较低且变化不大。PM和PN排放因子在中等主机负荷时最低，而低负荷与高负荷时较高。e) 基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子是最优的排放因子计算方法，不仅可以体现不同主机在船舶实际航行时的排放水平，也能非常便捷地与船舶排放法规进行对比以判断船舶排放是否超标。本文试验船舶基于主机功率和航行工况分布特性的全程加权NOx排放因子为37.3g/kWh，超过即将执行的我国船舶主机NOx排放控制限值1倍。6.2 研究展望船舶排放是当前环保领域的难题之一，船舶排放实船测试作为有效监控船舶排放的技术基础，具有重要的研究意义和发展前景。本文基于船舶实船测试的特点和需求，结合对船舶排放物生成机理和测试方法的研究，设计搭建了适用于我国中小型船舶的便携式船舶排放实船测试平台。同时，根据船舶实际航行特点的调研及船舶主机运行特性的研究结果，设计了科学的实船测试工况。基于本文设计的便携式船舶排放实船测试平台进行了1艘内河中型船舶的实船测试，验证了本文设计搭建的实船排放测试平台实际使用效果良好，并基于测试结果研究了试验船舶的各项排放特性。此外，在使用不同计算方法计算了多种常规的船舶排放因子后，还研究建立了一种基于主机功率和航行工况分布的全程加权排放因子算法，这种算法不仅能较真实地反映不同船舶主机的排放水平，也能直接与法规限值进行对比以判定船舶排放是否达标。然而，对于船舶实船测试方法和船舶尾气排放特性的研究，在学术与技术方面还有很多值得深入挖掘的研究：(1) 本文针对内河中型船舶进行了实船排放测试并进行了排放特性研究，未来可尝试对排放更差、测试难度更高的近海或远洋船舶进行测试及研究。(2) 本文针对船舶颗粒物试验全程中的颗粒物化学特征进行了测试和分析研究，未来可对不同航行工况和主机负荷时的颗粒物化学特征分别进行测试研究。(3) 本文的研究内容主要基于试验完成，并计算获得了试验船舶的排放因子，但未进行更多的拓展性研究。未来可基于实船测试所得的典型船舶排放因子，进行仿真建模研究以评估或预测区域船舶排放情况。同济大学 硕士学位论文 致谢致谢忙碌让人感觉不到时光的匆匆流逝，虽已临近毕业，但仿佛昨日我还是一名研一新生。回首两年半充实的研究生生涯，不禁感慨万千，脑海中出现了一幅又一幅生动的画面，其中不乏艰辛但充满欢乐。此时此刻，我要衷心感谢这一路上无私地给予我关爱、付出以及一起努力的人。首先，我要感谢我的导师楼狄明教授。楼老师知识渊博、治学严谨，具有高瞻远瞩的大局观，为人诚恳。在您的悉心指导和帮助下，我顺利地开展了一项课题的工作，完成了项目中的较多关键工作；此外，您还教会了我许多做人的道理。您让我在学术和为人处世等多方面均受益颇丰，谢谢您！其次，我要感谢课题组的谭丕强教授和胡志远副教授。虽然平时接触不多，但您们总能在项目和学习中，适时地提供最有建设性的意见并指导我学习和工作。谭老师和胡老师的出色的学术能力及严谨科研的态度深深影响了我。谢谢您们！同时还要感谢上海市环境监测中心的刘登国高级工程师、沈寅工程师，上海市环境科学研究院的黄成高级工程师、胡磬遥工程师。在船舶项目中，你们带我去考察试验船舶，教会我拉动资源和与人沟通的技巧，帮助我顺利地开展了课题的相关工作。谢谢你们！此外，还要感谢课题组车船载研究团队的冯谦博士、张允华博士、顾欣荣老师，包松杰、张烨师兄，我的同窗好友万鹏，赵可心，贺南，刘影，苏芝叶，以及耿小雨、孙瑜泽、赵成志等师弟师妹。感谢你们的无私付出和热心帮助，有了你们我才能顺利完成课题。我想我们都会在将来无比怀念一起苦、一同乐的日子，谢谢你们！最后，我要感谢我的家人和课题组外的好友们，你们的陪伴和支持为我的研究生生活增添了幸福和快乐，谢谢你们！2017年3月同济大学 硕士学位论文 参考文献参考文献1 李源，秦琦，祁斌，等. 2015年世界船舶市场评述与2016年展望J. 船舶，2016，(01):1-15.2 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