船舶黑煙管控與監管研究

劉海英,張翰林,唐海田,彭士濤,胡健波,鄧孟濤

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程研究中心 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室,天津 300456;2.國家海洋局煙臺海洋環境監測中心站,煙臺 264006)

船舶大氣污染防治是綠色航運發展的重要組成部分,是航運業貫徹落實黨中央、國務院關于加快推進生態文明建設和打贏藍天保衛戰的重要舉措,涉及的相關標準包括SOx排放相關的GB17411《船用燃料油》和其他污染物排放相關的GB15097《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)》[1]。前者按船舶類型設定了船用燃料油的硫含量限值[2],后者按發動機等級設定了一氧化碳CO、碳氫化合物HC、氮氧化物NOx等污染物的排放限值[3]。為持續改善沿海和內河港口城市空氣質量,交通運輸部在珠三角、長三角、環渤海(京津冀) 水域船舶排放控制區(簡稱“排放控制區”)實施取得了明顯的成效后,于2018年印發了《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》[4],嚴控SOx、NOx、PM和VOCs等污染物排放,并規定了使用低硫燃油、靠港使用岸電等措施[5-6]。

然而,由于船舶運營期間的大氣污染物排放標準缺失,船舶大氣污染防治仍面臨巨大的壓力,尤其是老舊船舶的冒黑煙現象。當下航運企業對于船舶大氣污染防治的主動責任意識不強,只把船舶冒黑煙現象視為發動機性能下降導致的經濟、安全問題的一個表征[7],“帶病航行”附帶產生的船舶大氣污染問題長期被忽視。英美等發達國家已將船舶冒黑煙控制納入當地執法體系,我國香港特別行政區的《船舶及港口管制條例》、臺灣地區的《交通工具空氣污染物排放標準》和上海市的《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為,并制定了相應的罰則[8]。

HC和PM排放污染嚴重的船舶黑煙現象應是我國船舶大氣污染防治的重要工作內容,但目前船舶運營期的船舶黑煙管控要求尚未在全國推開,配套的監管技術研究與應用也較少[8-11],導致已經在機動車黑煙治理中成熟應用的柴油機氧化催化器(DOC)和顆粒物捕集器(DPF)等尾氣后處理裝置未能在船舶上應用。而機動車黑煙治理取得成效的關鍵在于存在運營期的排放管控政策與監管措施,包括機動車尾氣排放年檢制度、尾氣遙測技術和黑煙車抓拍技術等。有必要借鑒陸地上的固定污染源與移動污染源的黑煙治理經驗,推動船舶黑煙管控政策與監管技術的發展。

本文通過介紹船舶黑煙的成因與危害、國內外船舶黑煙管控要求、國內陸上黑煙監管的經驗,提出了我國船舶黑煙管控與監管的展望與建議。

1 船舶黑煙的成因與危害

1.1 船舶黑煙的成因

黑煙是燃油不完全燃燒的產物,沒有形成確切的定義,但有通俗的視覺判定標準。美國環境保護署(EPA)對黑煙的定義是“沒有主色調、視覺上較暗的煙霧”,而我國一些城市對機動車黑煙的定義是“有明顯可見煙度或煙度值超過林格曼1級”。鑒于林格曼黑度也是一種基于視覺的黑度判定標準,因此黑煙的定性或定量的判定標準是基于視覺,可以視黑煙為HC和PM污染嚴重至肉眼可見的尾氣排放現象。

黑煙產生的具體原因十分復雜,可以分為燃油質量問題和發動機系統問題兩大類。燃油質量問題相對簡單,主要是因為使用的燃油粘度過大(特別是重質燃油)或者質量太差,導致不易著火,使得排氣冒黑煙[12]。發動機系統問題相對復雜,又可分為產品問題和運維問題。產品問題源自標準缺陷,GB15097《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)》只規定了發動機產品在穩工況下的排放限值,未考慮變工況的排放情況,使得船舶在靠離泊、提速時幾乎必然冒黑煙。運維問題源自發動機多年運行甚至是超負荷運行后引起產品劣化,供油、燃燒、進氣和排氣這4個子系統和環節運維不當均會引起冒黑煙現象[7]。供油系統的問題包括供油提前角不正確、噴油泵堵塞或出油閥嚴重磨損、噴油器(嘴)霧化不良或卡死、噴油泵調速器彈簧力不足、噴油泵供油量太大等問題。燃燒系統的問題包括活塞頂間隙偏大、氣閥密封線嚴重變形或磨損、氣閥座圈凹入太深、氣閥間隙不正確、活塞與缸套磨損過大等問題。進氣系統的問題包括空氣濾清器臟污或使用了劣質空氣濾芯、堵塞或管道太長等導致的進氣阻力增加等問題。排氣系統的問題包括排氣管過細、過長或消音器不合適等導致的排氣阻力增加等問題。

黑煙現象始終存在的外部原因是缺少相關的管控政策與監管措施。船舶黑煙的成因與柴油車黑煙十分相似,區別僅在于發動機功率、轉速等。因此,船方重視發動機的運維和使用燃油的品質,有利于減少船舶黑煙現象。另外,加裝氧化催化器(DOC)和顆粒物捕集器(DPF)等尾氣后處理裝置可大幅度減少船舶黑煙排放。根據筆者向上海海事局的調研獲悉,《上海市大氣污染防治條例》將船舶黑煙列為違法行為后,黃浦江上船舶冒黑煙現象明顯減少。另根據筆者向多家機動車和船舶尾氣后處理企業調研獲悉,均擁有較為成熟的船舶黑煙處理裝置,但因缺少管控政策,因此沒有大規模的市場需求。

1.2 船舶黑煙的危害

船舶黑煙的危害根據危害成分和影響區域大致分為兩大類,一類是船舶黑煙中的碳黑在北極航道加速冰川融化,另一類是船舶黑煙中的大量顆粒物排放在穿城河道給沿線居民帶來的視覺惡感和空氣污染。

北極航道船舶黑煙加速全球氣候變化[13]。船用重質燃料油或劣質柴油中雜質較多,釋放出的黑煙通過降雪的方式覆蓋在冰川的表面,加速太陽輻射的吸收,以致冰川加速融化,加劇了全球氣候變暖對北極的負面影響。南北兩極水域均受國際海事組織(IMO)極地組織的管轄,2011年通過了在南極禁止使用重質燃油的禁令,目前正在推動2024年后全面禁止在北極使用和運輸重質燃料油。

穿城河道船舶黑煙加重城市空氣污染[14]。船舶黑煙是一種極為嚴重的HC和PM排放現象,也是穿城河道沿線居民對船舶大氣污染反映問題最多的現象之一。理論上,船舶大氣污染物減排的第一步應是管控船舶黑煙,因其是肉眼可見的嚴重污染現象。該問題屬于國內環境問題,對我國長江、西江、京杭運河等內河航運發達的省市空氣質量影響較大,尤其是在穿城河道段。我國香港特別行政區、臺灣地區和上海市對船舶黑煙管控走在全國的前列,已取得了“為民辦實事”的良好反響。

2 國內外船舶黑煙管控要求

國內外關于船舶黑煙管控的共同點都是采用林格曼黑度法這一視覺黑度指標作為判定依據。雖然林格曼煙氣黑度與煙氣中的HC和PM沒有準確的對應關系,但是這一方法具有成本低、可操作性強的優點,被國內外普遍采用。國內外船舶黑煙管控的嚴格程度與處罰力度則有所不同,本文分國外和國內分別展開詳細的介紹。

2.1 國外船舶黑煙管控要求

美國多個州對船舶黑煙排放出臺了管控標準。美國阿拉斯加州《船舶可見污染物標準》規定：船舶在本州海岸線3 min之內排放的煙氣不透光度不能高于20%(林格曼黑度1 級)。德克薩斯州規定：船舶煙氣的不透光度不能連續5 min超過30%(林格曼黑度1.5級)。美國《加利福尼亞健康與安全法典》第41701條規定：所有排放源(包括船舶)的煙氣林格曼黑度不能連續3 min及以上超過2級,否則視為違法。

英國在《清潔空氣法案1993》第1部分第3條中對黑煙做了明確定義,即煙氣的林格曼黑度2級及以上。船舶如果在英國領海水域違反此項規定,可能面臨高達5 000英鎊的罰款處罰。

迪拜政府于2014年7月2日發表聲明,呼吁所有船舶確保在港口期間嚴格遵守其關于空氣排放的規定。所有?？康习莞劭诘拇岸急仨氉袷禺數氐腜CFC-EHS 港口和海事法規,以遏制該地區的空氣污染,包括船舶黑煙。

新加坡海事和港口管理局(MPA)于2019年3月發布通函,要求船東采取所有必要的措施,以防止船舶在其整個港口停留期間排放過量的黑煙。如果未能遵守這項規定,可能會被起訴,一旦被定罪,可能面臨高達5 000新元的罰款處罰。

2.2 國內船舶黑煙管控要求

香港特別行政區的《船舶及港口管制條例》(第313章)及《商船(本地船只)條例》(第548 章)規定：船舶(包括非本地船舶和本地船舶)在香港水域內排放黑煙屬于一種犯罪行為。但是,該規定對黑煙排放限值未做明確定義,且沒有根據船舶類型及其違規歷史制定不同的罰款標準。香港政府于2014年出臺的《船舶黑煙管制條例》修訂版規定：若船舶3 min及以上時長連續排放的煙氣黑度為林格曼黑度2級及以上,則視為違法行為,本地船舶和遠洋船舶可分別處以10 000～25 000港幣和25 000～50 000 港幣的罰款。

臺灣地區于2006年出臺的《交通工具空氣污染物排放標準》第8條規定：允許主機功率3 000 kW以上的船舶啟動時20 s內和3 000 kW以下的船舶啟動時10 s內,排煙目測透過率不超過60%(相當于林格曼黑度3級);其他時段的排煙目測透過率不超過40%(相當于林格曼黑度2級)。

上海市制定實施的《上海市大氣污染防治條例》第38條第5款規定：在本市行駛的機動車、船不得排放明顯可見的黑煙。第85條第2款規定：違反本條例第38條第1款、第5款規定,在本市行駛的機動船向大氣排放污染物超過規定的排放標準或者排放明顯可見黑煙的,由海事部門責令改正,可以處1 000～10 000元罰款;情節嚴重的,處10 000～50 000元罰款。

江蘇省第十三屆人民代表大會常務委員會第三十三次會議通過《江蘇省長江船舶污染防治條例》,于2023年3月1日起施行。條例明確規定：船舶應當加強主機、輔機設備維修保養,使用符合國家標準或者要求的燃油。尾氣排放應當符合國家大氣污染物排放控制要求,且不得排放明顯可見的黑煙。

3 我國陸上黑煙監管的經驗

隨著我國對改善空氣質量的不斷重視和污染治理攻堅戰的持續開展,陸上固定污染源和移動源的冒黑煙現象已經得到了有效的根治,這離不開強有力的監管措施保障。船舶黑煙監管與固定污染源和移動源黑煙監管的共同點是都采用同樣的視覺判定標準,特點在于船舶是移動源且在水上航行。船舶黑煙的觀測背景與固定污染源相同,都以天空為背景,但船舶是移動目標,增加了觀測難度。船舶與機動車都是移動污染源,黑煙監管技術都需要適應目標移動狀態下的觀測,但是移動車黑煙的觀測背景是路面,無法直接照搬用于船舶。因此,船舶黑煙監管技術研發與應用的進展也相對滯后,可借鑒陸上黑煙監管經驗,并研發獨有的黑煙監管技術。

3.1 固定污染源黑煙監管

針對固定污染源冒黑煙現象,我國曾經在工業鍋爐、電廠鍋爐、工業爐窖、垃圾焚燒爐等排放標準中,對煙氣黑度都規定了具體限值,但當時尚未制定標準的檢測方法[15]。2003年,環境保護總局組織編寫的《空氣與廢棄監測分析方法》(第四版)對煙氣黑度的檢測方法做了規定,把林格曼煙氣黑度圖法作為統一推薦的方法,但還存在技術細節不嚴謹、操作隨意性大、結果可靠性不足等問題,對后續的監管與執法帶來了困難。

為了健全環境監測技術規范體系,促進環境監測的規范化和科學化,我國于2007年制定了HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》[16],對觀測位置和條件、觀測方法、計算方法、質量保證措施等予以規定,統一了固定污染源煙氣黑度檢測要求。

3.2 移動污染源黑煙監管

隨著經濟的發展,我國機動車保有量與日俱增,機動車尾氣在大氣污染中的占比不斷攀升;其中,柴油車的NOx和PM在機動車中的占比高達80%。為深入貫徹《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》的要求,2019年1月,我國多部委聯合印發了《柴油貨車污染治理攻堅戰行動計劃》[17],制定了柴油貨車NOx和PM排放總量明顯下降的目標,就黑煙而言,具體目標是“基本消除柴油車排氣口冒黑煙現象”。該計劃除了加大抽檢力度,同時推進監控體系建設和應用,采用道路遙感監測、年檢機構聯網、車上遠程排放監控以及隨機路檢等手段,建設“天地車人”一體化的機動車排放監控體系。

2017年7月,環境保護部發布了HJ 845《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術要求(遙感檢測法)》,規定了林格曼黑度1級和不透光度30%的限值。目前,林格曼黑度的檢測方法主要有3種,分別是林格曼標準圖譜法、光電測煙儀法和基于視頻拍攝的遙感檢測法(黑煙車電子抓拍技術)[18]。林格曼標準圖譜法最原始,直接沿用了HJ/T398《固定污染源排放煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》中規定的方法,對于快速移動的柴油貨車,存在觀測難度大(目標不固定)、觀測角度難尋(以天空為背景)、人員需求量大、結果客觀性差的問題。光電測煙儀法利用光的透射率變化反推尾氣的林格曼黑度,具有重復性好、穩定性好、反應時間快等優點,基本可以滿足柴油貨車高速行駛狀態下的檢測需要,但是需要時常維護以減少顆粒物附著的影響?；谝曨l拍攝的遙感檢測法[19]基于采集的一定時長的視頻,運用光流矢量、色彩紋理及動態建模等算法識別柴油貨車排放的煙氣,并將其與林格曼標準圖譜對比,從而量化煙氣的林格曼黑度值,是先進的動態圖像識別技術在該領域中的應用,具有自動化和智能化的特點,目前應用較為廣泛。

4 船舶黑煙管控與監管的展望與建議

4.1 加快制定船舶黑煙管控政策

2021年11月2日,黨中央、國務院發布了《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》,治理污染的決心堅定不動搖。船舶大氣污染防治也在近年來取得了一定的成效,船用燃料油和發動機排氣標準以及排放控制區政策實施后,沿海沿江城市的空氣質量有了一定的改善。但是,相比陸上固定和移動大氣污染源治理進展,船舶大氣污染防治進度與效果相對滯后。尤其是船舶黑煙治理,更是長期處于被忽視的狀態。建議在香港特別行政區、臺灣地區和上海市的船舶黑煙管控經驗的基礎上,參照《柴油貨車污染治理攻堅戰行動計劃》,加快制定國家層面的船舶黑煙管控政策,盡快消除船舶冒黑煙現象。

4.2 加快建立船舶黑煙檢測標準

國內有少量的船舶黑煙檢測研究文獻報道,均采用林格曼黑度法,但尚未有專門的船舶黑煙檢測標準。我國固定污染源和以柴油貨車為代表的移動污染源的黑煙檢測已有成熟的標準,冒黑煙現象的監管有法可依。船舶黑煙的特點介于這兩者之間,與固定污染源的相同之處是宜以天空為觀測背景,與柴油貨車的相同之處是目標處于移動狀態。因此,可以在借鑒HJ/T 398《固定污染源排放煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》和HJ 845《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術要求(遙感檢測法)》的基礎上,根據船舶水上航行的特點和船舶發動機的排放特征,建立船舶黑煙檢測標準,讓針對船舶黑煙監管的具體執法操作有標準可依。

4.3 多部委合作治理船舶黑煙

不同工況下船舶黑煙的產生原因不同,治理的思路和角度也有明顯的差異。在港口的現場觀測可以發現,大部分船舶在變工況的過程中冒黑煙而在巡航過程中不冒黑煙。對于變工況冒黑煙現象,建議修訂船舶發動機排放標準,增加考慮變工況這一情形;對于巡航冒黑煙現象,建議在制定船舶黑煙管控政策和檢測標準的基礎上,加強海事監管,督促船方重視發動機保養與運維。

4.4 推動船舶黑煙治理與監管技術研發應用

建議借鑒柴油貨車黑煙治理經驗,研發并推廣應用船用尾氣顆粒物捕集等尾氣后處理技術,為船舶發動機加裝“口罩”,同時根治變工況和巡航狀態下的船舶冒黑煙現象。建議借鑒林格曼黑度計、黑煙車抓拍系統等陸上成熟產品,研發適用于船舶特點的黑煙檢測工具或抓拍系統,為海事監管提供先進技術支撐。