中国 可持续能源项目 威廉 与佛洛拉 休斯 基金会 能源基金会 项目 资助号 G-1307-18652 内河 和近海船舶排放特性及排放清单研究 Research of Emission Inventory and Emission Character of Inland and Offshore Ships 北京理工大学 汽车 动力性及排放测试国家 专业实验室 2014 年 4 月 致 谢 感谢 能源基金会中国可持续项目为本 报告 提供基金支持，同时也诚挚 地感谢 为本 报告 提出宝贵意见与建议的业内专家与 同事 。 报告 作者 宋亚楠 ，葛蕴珊 报告 声明 本 报告所有观点、解释、结论均属作者个人意见，不 代表 项目 资助 方。报告 仅限 于研究、个人学习或某个组织的内部传阅，逼得翻印或者用于商业目的。如有 不妥 与 谬误 之处，敬请读者不吝批评和指正。 联系方式 北京市海淀区 中关村南大街 5 号邮编 100081 电话 010-68912035 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 I 目录 1 项目背景调研 .1 1.1 研究背景 1 1.1.1 我国航运现状 1 1.1.2 船用柴油机常见污染物 1 1.2 国内外船舶排放法规现状 3 1.2.1 国际船舶法规 IMO 法规和 MARPOL 公约 . 3 1.2.2 美国环保局 EPA 对船舶的 NOx 和 SOx 的法规限制 5 1.2.3 欧盟标准 5 1.2.4 中国防治船舶大气污染法规 6 1.3 国内外研究现状 . 8 1.3.1 国外船舶排放研究现状 8 1.3.2 我国现有针对船舶排放的研究现状 9 1.4 研究目的、意义及内容 10 1.4.1 研究的目的和意义 11 1.4.2 主要内容 11 2 实验研究及方法 . 12 2.1 测试仪器介绍 . 12 2.1.1 气态污染物测试仪 12 2.1.2 ELPI 颗粒物测 试仪 13 2.1.3 EFM 尾气质量 流量计 14 2.1.4 数据采集 16 2.1.5 其他设备 16 2.2 船舶测试方案 . 16 2.2.1 测试区域和路线 16 2.2.2 测试内河船舶 19 2.2.3 测试设备安装及实验过程 22 2.3 船舶排放研究方法 23 2.3.1 直接测量法，排气分析仪 排气流量计 23 2.3.2 排气分析仪 油耗仪 24 2.3.3 排气分析仪 排气流速测量仪 25 2.3.4 发动机台架实验法 26 2.3.5 基于 AIS 的研究方法 . 26 3 内河船舶排放因子及排放清单计算 29 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 II 3.1 内河船舶瞬时排放特征 29 3.1.1 航行工况介绍 29 3.1.2 CO 瞬时排放特征 30 3.1.3 NOx 瞬时排放特征 32 3.1.4 HC 瞬时排放 特征 33 3.1.5 PM 瞬时排放特征 35 3.2 不同工况下内河船舶的排放因子 . 37 3.3 与国外研究结果的对比 38 3.4 内河船舶排放清单计算方法 . 40 3.5 内河船舶耗油量 . 40 3.5.1 内河运输船舶耗油量 40 3.5.2 近海渔船耗油量 41 3.6 内河运输船舶排放清单 结果 . 41 3.7 本章小结 42 4 基于 AIS 的船舶排放清单计算方法 . 43 4.1 排放清单计算基础 43 4.2 船舶主机负荷功率计算 44 4.3 船舶辅机负荷功率计算 45 4.3.1 船舶类型 45 4.3.2 船舶航行状态 46 4.3.3 船舶辅机负荷比例系数 48 4.4 锅炉负荷功率 . 49 4.5 船舶运行时间 . 50 4.6 船舶主机排放因子 51 4.7 船舶辅机排放因子 52 4.8 锅炉排放因子 . 53 4.9 船舶主机低负荷修正 54 4.10 燃油修正系数 . 57 4.11 减排措施修正因子 58 4.12 数据处理 59 5 基于 AIS 计算渤海湾港口排放清单 . 61 5.1 唐山港 61 5.1.1 计算区域 61 5.1.2 结果 62 5.2 秦皇岛港 63 5.2.1 计算区域 63 5.2.2 结果 64 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 III 5.3 黄骅港 66 5.3.1 计算区域 66 5.3.2 结果 66 5.4 渤海湾结果分析 . 68 5.4.1 结果分析 68 5.4.2 渤海湾地区空间分布 69 5.5 本章小结 71 结论 72 参考文献 . 74 附录 ARCGIS 操作方法 . 80 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 IV 表 目录 表 1.1 2012 年我国船舶结构组成 1 表 1.2船舶污染防治国际公约附录 Ⅵ 中的 NOX 排放限值（ G/KWH） . 4 表 1.3EPA TIER2 对 1 类和 2 类发动机排放限值 5 表 1.4 拟定的船用柴油机排气污染物限值 [19]（ I 阶段） 7 表 2.1SEMTECH-DS 性能参数 . 13 表 2.2ELPI 测量粒径分级 单位 ΜM 14 表 2.3EFM 流量计技术规格 . 15 表 2.4 其他设备型号规格 . 16 表 2.5 内河船舶主要类型 . 20 表 2.6 大连 -丹东附近海域渔船参数 20 表 2.7 江苏段测试船舶参数 . 21 表 2.8 广东段测试船舶参数 . 21 表 2.9 长江流域测试船舶类型及参数 . 22 表 3.1 各研究得出的排放因子 G/KG FUEL 39 表 3.2 内河船舶污染物排放清单 . 42 表 4.1 船舶辅机负荷比例系数 [67] . 48 表 4.2 锅炉负荷功率 [71]（计量单位 KW） 49 表 4.3 船舶主机污染物排放因子 [70, 71]（计量单位 G/KWH） 52 表 4.4 船舶主机温室气体排放因子 [73]（计量单位 G/KWH） . 52 表 4.51 船舶辅机污染物排放因子 [72, 73]（计量单位 G/KWH） 53 表 4.6 船舶辅机温室气体排放因子 [75]（计量单位 G/KWH） . 53 表 4.7 锅炉排放因子 [71]（计量单位 G/KWH） . 53 表 4.8 船舶主机低负荷排放因子计算公式的变量值 [73] . 54 表 4.9 船舶主机低负荷排放因子（计量单位 G/KWH） 55 表 4.10 船舶主机低负荷调整系数 . 56 表 5.1 唐山港口 2013 年船舶污染物排放清单（ T） . 62 表 5.2 秦皇岛港 2013 年船舶污染物排放清单（ T） . 64 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 V 表 5.3 黄骅港 2013 年船舶污染物排放清单（ T） . 67 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 VI 图 目录 图 1.1MARPOL 附录 Ⅵ 中规定的国际船舶运输燃油硫含量下降时间表 [1] . 4 图 2.1SEMTECH-DS 分析仪外观图 . 12 图 2.2 ELPI 主机示意图 . 14 图 2.3EFM2 尾气质量流量计外观图 15 图 2.4 大连近海渔船测试路线 . 17 图 2.5 货船测试路线 . 18 图 2.6 集装箱测试路段 . 18 图 2.7 广东测试路线 . 19 图 2.8 长江宜昌至重庆段测试路线 . 19 图 2.9 游船测试仪器安装实物图 . 23 图 2.10 集装箱船测试仪 器安装实物图 . 23 图 2.11 使用排气分析仪和排气流量计的实物测试图 . 24 图 2.12 使用排气分析仪和油耗仪的实物测试图 . 25 图 2.13 排 气分析仪和排气流速测量仪实物测试图 . 26 图 2.14 台架实验法实物测试图 . 26 图 2.15 船舶 AIS 信息示意图 . 27 图 2.16 船舶污染物排放 空间分布图 . 28 图 3.1 船舶实际航速示意图 . 29 图 3.2 CO 瞬时排放浓度示意图 31 图 3.3 NOX 瞬 时排放浓度示意图 33 图 3.4 HC 瞬时排放浓度示意图 35 图 3.5 PM 排放速率示意图 36 图 3.6 船舶基于燃油消耗 的排放因子 . 38 图 3.7 油品抽样检测结果 . 39 图 4.1 排放清单计算流程图 . 59 图 5.1 唐山港口船舶类型及功率分布 . 61 图 5.2 唐山港口船舶航行状态对污染物的分担率 . 63 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 VII 图 5.3 唐山 港船舶机型对污染物的分担率 . 63 图 5.4 秦皇岛港船舶类型及功率分布 . 64 图 5.5 秦皇岛港船舶航行状态对污染物的分担率 . 65 图 5.6 秦皇岛港船舶机型对污染物的分担率 . 65 图 5.7 黄骅港船舶类型及功率分布 . 66 图 5.8 黄骅港船舶航行状态对污染物的分担率 . 67 图 5.9 黄骅港船舶机型对污染物的分担率 . 68 图 5.10 渤海湾船舶排放污染物空间分布 . 71 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 1 1项目背景 调研 1.1研究背景 1.1.1我国航运现状 海上运输是世界各国文化交流的重要手段，也是天然的交通大道，随着工业技术 的 极大发展以及人口 的 快速增长，海上货运量 每年都在 大幅度增长， 船舶尺寸不断增加， 世界船舶总吨位也 在 不断增加。 随着船舶数量的日益增加 ， 船舶对大气造成的污染也日趋严重 。 船舶大气污染 到了不可 忽视 的地步，特别在 一些航 线密集、船舶流量大的海区 和 港口、海峡 等区域 ，船舶排放的 污染物 甚至成为 这些 地区的主要 污染源 [2]。 自上世纪 70 年代 起 ，我国海运业经过短暂而充实的起步期、奠定基础期、快速发展期，进入了 21 世纪的繁荣期，取得了举世瞩目的成就。 但是 与世界船舶构成 情况 相比，我国船舶结构组成 （见 表 1.1） 存在着比较明显的缺陷散货船 所 占 比例较高，而集装箱 船 比例相对偏低， 且船龄老， 船舶平均吨位小，平均船龄 较老 ， 船舶的大型化、集装箱化与国际水平相比还存在较大差距 [3]。 表 1.12012 年我国船舶结构组成 船舶类型 数量（艘） 运力 船龄（年） 运力增幅（ ） 干散货船 1618 4940 万吨 8.2 15.2 集装箱船 149 44.8 万标准箱 12.5 油船 1290 982 万吨 6.9 11.4 化学品船 261 99.7 万吨 6.1 17.9 液化气船 67 17.5 万吨 9.3 13.7 1.1.2船用柴油机常见污染物 随着各国对道路柴油机动车研究的不断深入， 先进的燃烧策略及排 气后处理技术相继得到 广泛 应用，使其污染 物 排放 得到了有效的控制。 然而 ， 由于 船舶柴油机工作条件 恶劣，负荷大，工况变化剧烈，对发动机的可靠性 和 加速性 等都有较高的北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 2 要求，再加上空间分布广， 实施 尾气控制难度较大。因此， 船舶 柴油机械的排放问题日显突出 [4]。 国际海事组织（ IMO）的统计表明，全球以柴油机为动力的船舶每年向大气排放的 NOX 约为 1000 万吨， SOX 约为 850 万吨 [2]。 船舶废气中的 SOX 和NOX 等对大气环境造成的污染已引起国际社会广泛关注。 当今大气污染的最主要污染源之一 就 是内燃机的有害排放物，其尾气中含有颗粒物、 氮氧化物、 一氧化碳、苯、硫化物、芳烃和烯烃等有害气体，严重威胁着人类的身体健康 [5]，其中最主要的是 PM 和 NOx。颗粒物 一般由 上百种挥发 性 和半挥发 性 物质凝结在碳核上 形成的 [6]， 能够导致身体炎症，并引起哮喘和心肺疾病 [7, 8]。柴油机排放的颗粒主要由燃油中的 碳产生，并受燃油种类、燃料中的碳原子数量及碳氢比的影响。 柴油机颗粒的生成机理为燃油分子经过其氧化中间产物或热解产物形成初始凝聚相物质，通常包括各种不饱和碳氢化合物和芳香烃，它们被认为是火焰中形成颗粒的前驱体，这些气态物质的凝聚反应导致了初始可辨认颗粒（通常称晶核）的出现。颗粒生长包括表面积生长、凝结和聚合等作用。表面积生长使固态物块生成，包括气态物质附着到颗粒表面与它们结合成为粒子相。表面积生长导致颗粒直径增加，但颗粒数量保持不变。颗粒还能通过凝结生成链状或簇状的聚合物，该过程通过碰撞使颗粒长大。在颗粒的形 成和生长过程中同时发生碳和初始颗粒的氧化，形成如 CO 和 CO2 等气态产物，柴油机最终的颗粒排放取决于形成过程和氧化过程之间的平衡 [9]。而且颗粒数量及其粒径分布在废气冷却以及稀释过程中仍会不断变化。 NOx 能导致人的 咳嗽 、呼吸道感染和 气喘 等症状， 同时使肺功能下降 。尤其是儿童，即使短时间接触 NOx 也可以造成咳嗽、喉痛。更 严重 的是，尾气中的 NOx在一定条件下会生成二次污染 -光化学烟雾，对人体造成更大的危害， NOx 已经成为当今城市空气的主要污染源之一 [10]。 氮氧化物包括许多 种，如 NO， NO2， N2O3，N2O， N2O5 等，通称 NOx。柴油机排气中的氮氧化物绝大部分是 NO，少量是 NO2。NO 是无色气体，本身毒性不大，但在大气中会缓慢氧化成 NO2。 NO2 是一种棕色的刺激性气体 [11]， 这种气体被吸入肺部时，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，有刺激作用，严重时会引起肺气肿。 NO2 在强烈的日光下会发生光化学反应，形成二次污染 [12]。 海洋船舶是全球氮氧化物 NOx的主要排放源 [13]。 2007 年，海洋船舶约排放 NOx2500 万公吨，占全球 NOx 排放量的 15-30[14]。 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 3 内燃机燃料中的硫燃烧后产生 SO2，它在空气中缓慢氧化为 SO3。 SO2 是一种无色的气体， 亲水性 很强，与水结合形成亚硝酸，对人的口鼻粘膜有强烈的刺激性，若空气中 SO2 浓度过高，会引起呼吸困难、呼吸道红肿、胸闷等症状。一般燃烧排出的 SO2 在大气中只停留一周左右，但当它遇到水汽，变成硫酸烟雾后，就能长时间停留在大气中， 这对人和环境有极大危害。 1.2国内外船舶排放法规现状 1.2.1国际船舶法规 IMO 法规和 MARPOL 公约 国际海事组织 IMO International Maritime Organization 是联合国 一个 负责海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的专门机构， 也 是一个促进各国政府和各国航运业改进海上安全，防止海洋污染 及海事技术合作的国际组织。国际海事组织 IMO在 1997 年 9 月 26 日的缔约国大会上通过了 “ 防止船舶造成空气污染规则 ” MARPOL 73/78 1997 议定书， MARPOL 是国际防止船舶造成污染公约（ The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships）的简称（中文简称为 “防污公约 ”）。 MARPOL 公约是世界上最重要的国际海事环境公约之一 [15]。该公约旨在将向海洋倾倒污染物、排放油类以 及向大气中排放有害气体等污染降至最低水平。它 设定 的 目标是通过彻底消除向海洋中排放油类和其他有害物质 来保持海洋 环境，并将意外排放此类物质所造成的污染降至最低。所有悬挂缔约国国旗的船舶，无论其在何海域航行都需执行 MARPOL 公约的相关要求，各缔约国对在本国登记入级的船舶负有责任。 MARPOL 公约有六个附则，分别对不同类型的船舶污染做出了相关规定，其中附则 Ⅵ 为防止船舶造成大气污染规则。 1 MARPOL 公约对 NOx 排放的限制 MARPOL73/78 附 则 Ⅵ 第三章条例第 13 条规定了船舶柴油机氮氧化物的排放限制值。该条例共有三个阶段， TierⅠ 是在 1997 年版的附则 Ⅵ 中修订的， Tier Ⅱ /Ⅲ在 2008 年附则 Ⅵ 的修正案中做了规定 ， 最新的公约附录 Ⅵ 管理要求 [1]详见 表 1.2。 Ⅰ 阶段 Tier Ⅰ 标准适用于 2000 年 1 月 1 日 后 至 2011 年 1 月 1 日前安装于船上的柴油主机；或者 1990年 1月 1日后 2000年 1月 1日 前 安装的输出功率为 5000kW，单缸排放为 90L 及以上的柴油发动机 。 Ⅱ 阶段（ TIER Ⅱ ）标准适用于 2011 年 1 月 1 日之后生产的或在 2011 年 1 月 1北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 4 日以后主体 进行过 重大 改造的船用柴油发动机。 Ⅲ 阶段（ TIER Ⅲ ）标准适用于 2016 年 1 月 1 日之后生产的或在 2016 年 1 月 1 日以后主体 进行过 重大 改造的船用柴油发动机 。 Ⅲ 阶段（ TIER Ⅲ ）标准将只对航行于排放控制区（ ECA 区）的船舶实施 。 目前，经过国际海事组织（ IMO）批准的 ECA 区共有 3 个波罗的海、北海和北美地区（美国及加拿大）。 表 1.2船舶污染防治国际公约附录 Ⅵ 中的 NOx 排放限值（ g/kw h） 阶段 实施日期 NOx 限值 n2000 Ⅰ 阶段（ TIERⅠ ） ** 2000 17 45*n-0.2 9.8 Ⅱ 阶段（ TIERⅡ ） 2011 14.4 44*n-0.2 7.7 Ⅲ 阶段（ TIERⅢ ） *** 2016 3.4 9* n-0.2 1.96 *不包括 130千瓦以下的船用柴油发动机或仅用于应急情况的船只。 **附录 Ⅵ 2004年才正式纳入公约，但其对 2000年 1月 1日以后运行的 300千瓦以上的新发动。 ***Ⅱ I阶段（ TIERⅡ I） 标准仅在排放控制区内实施。表中的 “ n” 表示发动机额定速度（ r/min）。 2 MARPOL 公约对 SOx 排放的限制 MARPOL73/78 附 则 Ⅵ 第三章条例第 14 条规定了船舶柴油机硫氧化物的排放限制值。该条例主要通过柴油机的运行来实现，而条例 13 则通过控制柴油机的性能来实现。 在世界范围内， 从 2012 年 1 月 1 日起，硫含量上限从 4.5（ 45000 ppm） 降低 至 3.5（ 35000 ppm） 。 到 2020 年 1 月 1 日进一步减小到 0.5（ 5000ppm） 。 IMO 组织管理规定中允许各国设立排放控制区（ ECA），在 ECA 区域内航行的船只需要遵守更加严格的燃油硫含量标准。自 2010 年 7 月 1 日起，要求进入 ECA 区域的船只使用硫含量上限 1（ 10000 ppm） 的燃油。到 2015 年 1 月 1 日，限值将进一步降低至 0.1（ 1000 ppm） 。 图 1.1MARPOL 附录 Ⅵ 中规定的国际船舶运输燃油硫含量下降时间表 [1] 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 5 MARPOL 附录 Ⅵ 中的燃油硫含量限值降低时间表见 表 1.1。目前，北美（美国和加拿大沿岸 200 海里范围）已经被划定为 NOx 和 SOx 的 ECA 区域，欧 洲（波罗的海和北海海域）已经被划定为 SOx 的 ECA 区域。 1.2.2美国环保局 EPA 对船舶的 NOx 和 SOx 的法规限制 美国环境保护 局 Environmental Protection Agency,EPA颁布了发动机排放限制Tier2，此标准适用于 在美国注册的气缸扫气容积 Vd 为 2.5-30dm3 的船舶，并于 2007年开始生效执行。该限值相对 IMO Tier1 来说， NOX 大约要降低 25-40， 而且限值中 还 包括 NOXCnHm、 CO、 PM 等 污染物 。 表 1.3 列出 EPA Tier 2 的所有限值。 表 1.3EPA Tier2 对 1 类和 2 类发动机排放限值 扫气容积 Vd/dm3 类别 NOxCnHm g/kW h PM g/kW h CO g/kW h 2.5≤ 5.0 1 7.2 0.20 5.0 5.0≤ 15.0 2 7.8 0.27 5.0 15.0≤ 20.0 2（ 3.3MW 9.8 0.50 5.0 20.0≤ 25.0 2 9.8 0.50 5.0 25.0≤ 30.0 2 11.0 0.50 5.0 类别 1 是指单缸排放 D 5 dm3； P ≥ 37 kW 的船用发动机；类别 2 是指单缸排量 5 dm3 ≤ D 30 dm3 的船用发动机。 对 SOx 控制方面，北美加入 SOx 的 ECA 区域 ， 要求从 2007 年开始使用硫含量不超过 0.05（ 500ppm）的柴油 ， 到 2012 年，这部分船舶还将转换使用超低硫柴油（ 0.0015或 15ppm）。这和美国对道路车辆燃油品质的要求是一致的。 1.2.3欧盟标准 欧盟标准是 将 发动机按单缸排量和净功率分类， 其标准要求 与美国船用发动机标准一致。 另外， 瑞典除了接受国际海事组织的相关规定外，又制定了一些 辅助的鼓励和惩罚手段 。例如，从 1998 年起，瑞典当局对进入其海域的船舶，根据船舶上柴油机北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 6 的实际 NOx 和 SOx 排放值大小征收不同比率的污染税。大于 12g/kW h的全额征收 ;在 12g/kW h和 2g/kW h之间的按比例缴纳 ； 小于 2g/kW h的征收最少 [16]。 1.2.4中国防治船舶大气污染法规 为防治大气污染，保护和改善生活环境，保障人体健康，促进我国经济和社会的可持续发展， 2000 年 9 月 1 日，我国制定实施 了 中华人民共和国大气污染防治法第三十二条，机动车船向大气排放污染物不得超过规定的排放标准 [17]。 我国国家检疫检验总局在 2008 年 7 月 30 日发布了 GB/T15097- 2008船用柴油机排气排放污染物测量方法标准，该标准于 2009 年 2 月 1 日实施，代替GB/T15097-94船用柴油机排气排放污染物测量方法标准。该标准适用范围为船用柴油机排气污染物的台架测量，船上测量可参照使用。 GB/T15097- 2008 属于测试方法推荐标准，在标准中没有给出排放限值要求。 GB/T15097- 2008 中的测试循环为对恒速船用主机，包括柴油机电力驱动和调距浆装置，采用 ISO8178-4 1996 中的 E2 循环进行排放测试；对按推进特性运行的船用主机和辅机，采用 ISO8178-4 1996 中的 E3 循环进行排放测试；对恒速运行的船用辅机，采用 ISO8178-4 1996 中 D2 循环进行排放测试；对变速、变负荷运行的船用辅机，采用 ISO8178-4 1996 中 C1 循环进行排放测试。 同时我国作为 IMO 缔约国成员，严格执行 MARPOL 公约附则 Ⅵ 的规定，实施针对船舶氮氧化物 NOx 排放限值标准。为了贯彻执行 73/78 国际防止船舶造成污染公约新增附件防止船舶造成空气污染规则的第 13 条及其附件船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则的规定 ， 中国船级社 CCS 在 2000 年公布了船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南。检验所依据的方法有试验台实验、船上实验、船上柴油机参 数检查法、船上简化测量法和船上直接测量和监测共 5 种方法。与已经发布的车用柴油机或者非道路移动机械排放标准不同的是，该标准不但采用发动机族的概念，还采用发动机组的概念。发动机组的概念适用于具有相似用途的小批量生产的柴油机，该柴油机在船上安装或使用过程中需要进行轻微调整或者改造，通常用于大功率的主机。试验采用的循环和欧盟、 EPA、 MAPOL73/78 的规定均相同，采用 了 E2、 E3、 D2 和 C1 循环。 另外，我国除了执行 MARPOL 公约附则 Ⅵ 的氮氧化物排放标准外，对额定净北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 7 功率不超过 37 kW 的非道路移动机械用柴油机 用于船舶驱动，则参照 GB20891-2014非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值测量方法（中国 Ⅲ 、 Ⅳ 阶段）排放标准执行， 自 2014 年 10 月 1 日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必 须符合本标准第三阶段要求 [18]。 自 2015 年 10 月 1 日起，停止制造和销售第二阶段非道路移动机械用柴油机，所有制造和销售的非道路移动机械用柴油机， 其排气污染物排放必须符合本标准第三阶段要求。自 2016 年 4 月 1 日起，停止制造、进口和销售装用第二阶段柴油机的非道路移动机械，所有制造、进口和销售的非道路移动机械应装用符合本标准第三阶段要求的柴油机。 虽然我国各相关部门先后颁布了各类船用柴油机排放标准，但由于这些标准大多都属于推荐或者行业标准，不属于强制标准，因此迄今为止，事实上我国对船用柴油机的排放还没有严格的管理。 环境保护部环境标准研究所正在制定船用柴油 机大气污染物排放标准 。 表 1.4 是拟定中的船用柴油机排放标准限值。 表 1.4 拟定的船用柴油机排气污染物限值 [19]（ I 阶段） 一些地方政府也已经开始寻找减少港口和船舶空气污染的解决方案 。 今年 2 月，广东省交通运输厅颁布了广东省绿色港口行动计划（ 2014-2020）。这一计划设定了能效和 CO2 减排目标，确保到 2015 年，全市有 5 个或更多的港口成为绿色星级码头；到 2020 年， 100 个以上的码头成为绿色星级码头 [20]。 船机类型 单缸排量（ SV）（ L/缸） / 额定净功率（ P）（ kW） CO g/kW h HCNOx g/kW h PM g/kW h SO2 g/kW h 第一类 SV0.9， 且 P≥37 5.0 7.5 0.40 1.5 0.9 ≤ SV 1.2 5.0 7.2 0.30 1.2 ≤ SV 5 5.0 7.2 0.20 第二类 5 ≤ SV 15 5.0 7.8 0.27 15 ≤ SV 20 且 P3300 5.0 8.7 0.50 15 ≤ SV 20 且 P≥3300 5.0 9.8 0.50 20≤ SV 25 5.0 9.8 0.50 25≤ SV 30 5.0 11.0 0.50 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 8 1.3国内外研究现状 1.3.1国外船舶排放研究现状 船舶运输支 撑着绝大部分的全球国际贸易。虽然船舶运输公认比其他交通运输方式 对环境更友好， 但 其仍然是 人为污染的重要部分，而对船舶排 放的评估也 成了各国研究者研究的重要 问题 。 常见的 船舶排放清单的研究方法 是 基于燃油消耗量进行 估算 。 其中 燃油消耗 有两种 估算方法 一是 基于 船舶 载重量 估算燃油 消耗 量 ， 即利用船舶 的航行距离 和船舶种类（船舶类型、大小、年限、发动机类型、燃油供给方式等） ， 并结合对应的燃油消耗 率估算燃油 的消耗量 ；另一种 方法是 直接调查 燃油的销售量（油品和型号） 。燃油 消耗量 乘以 排放 因子（基于 燃油消耗的排放因子 g/kg）即可得到 船舶排放清单 。 IMO 在 Second Imo GHG Study1990 中提到， 在 1990 至 2007 年间，全球船舶的常规污染 物 （ NOx、 SO2 和颗粒物）和温室气体（主要是 CO2）排放从 5.85 亿吨上升到了 10.96 亿吨 [21]。国际应用系统分析研究所 IIASA研究认为 全 球 船舶的 SO2、NOx 和 PM 排放总量分别是 1650、 2430 和 190 万吨 [22]。 Ernestos Tzannatos[23]根据燃油的销售量 研究 了希腊过去 25 年 （ 1984-2008） 国内 和国际航线船舶排放对的 NOx、 SO2、 PM 和 CO2 贡献 ， 研究发现 过去 25 年希腊船舶 排放 清单 年 平均增长率为 2.85， 2008 年 NOx、 SO2、 PM 和 CO2 的 总排放为 1290 万 吨 ； 通过基于燃油消耗计算方法计算排放清单的研究者有， Endresen[24], OliⅥ er[25], Corbett[14]等人 。希腊与瑞典，挪威和英国依靠将国家的燃油销售分为国内航运供应和国际航线供应来建立自己的排放清单 [26]。希腊 2007 年在联合国气候变化纲要公约（ UNFCCC） 一次年度排放清单 中提到希腊的内河航运及领域内国际航运的 CO2 排放总量分别为 2.1 和 10.1 百万吨。 Kourtidis[27]等人对希腊中东部尤其是爱琴海和爱奥尼亚海域的臭氧和 SO2 排放水平进行了研究，由于该区域是海域由船舶产生的 NOx 和 SO2 很容易被鉴别出来。 另一方面 ， Psaraftis 和 Kontovas[28]， Eyring[29]等人 通过 船舶载重量估算 了 燃油消耗量，并进一步获得全球的 船舶排放的估算结果 21.38 106 吨 NOx， 12.03 106吨 SOx， 812.6 106 吨 CO2， 1.31 106 吨 CO， 1.67 106 吨 PM 和 1.96 106 吨HC； Corbett 和 Kohler[14]以及 Endresen[30]等人 也是通过载重量 得到了全球的排放量北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 9 清单 6.87 106 吨 NOx， 4.72 106 吨 SOx。通过载重量计算典型区域排放清单的还 有 Schrooten[31], Wahlstrom[32],Vestreng[33],Concawe[34]等人 ， 他们的研究范围覆盖了欧洲各大海域；而通过载重量计算方法计算典型的国家排放清单研究者有 Winther[35]对丹麦， Schrooten[36]等人对比利时的研究。此外，通过基于载重量计算方法计算局部地方的排放清单的研究者有， Tzannatos[37]2010 年 对 Piraeus 港口， De Meyer[38]等人 对 比利时的海港和内河港， Deniz 和 Durmusoglu[39]对土耳其的马尔马拉海港，Saxe 和 Larsen[40]对丹麦的港口， Isakson 等人 [41]对瑞典的哥德堡港口， Kesgin 和Vardar[42]对土耳其海峡， Trozzi[43]等人对意大利港口 的 研究 。 应该注意的是 ， 基于 燃油 消耗 计算 船舶排放清单过程 中 ， 需要 多方面 的 数据，如船舶 载重量 、 船舶 航行距离 、 燃油消耗 率 、 排放 因子等 ，这些数据都是统计统计数据得到，不确定性因素很多， 使得研究结果会存在很大的 差异 。 近年来，随着船舶自动识别系统 AIS（ universal shipborne automatic identifica- -tion system） 的发展，产生了一种新的计算船舶排放清单的方法，即 自下而上的动力法 ，该方法是 利用 AIS 采集远洋船舶的船速、航行时间、地理位置信息等实时航行数据，对排放清单进行计算，并可 以利用船舶的位置信息做出船舶排放的空间分布状况。 Simon K.W.Ng ,Christine Loh 等人对香港地区的船舶排放做了研究，列出 了香港地区 2007 年的排放清单，并利用 AIS 获得船舶的活动情况，包括船名、船型、呼号，总吨位、船舶位置、船舶速度和船舶运行时间等信息，作出船舶排放的空间分布图形 [44]。 J.-P.Jalkanen ,A.Brink ,J.Kalli 等人对波罗的海的排放情况做了研究，并首 次尝试利用 AIS 系统做排放模型（ STEAM 模型） [45]。此模型利用 AIS 获得的船舶瞬时速度信息以及行驶阻力计算出船舶的瞬时功率。另外，此模型还考虑的波浪对排放的影响。 1.3.2我国现有针对船舶排放的研究现状 我国有关船舶的排放因子研究处于 初期 阶段。目前尚未建立成熟的船舶排放 清单计算 模型。国内科研人员一般 使用尚不成熟的非道路模型， 通过燃料消耗量 估算得到排放总量， 或 是对美国 EPA 的 NONROAD 模型展开了一些基础研究。由于中北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 10 美两国之间发动机技术，活动水平及排放控制的不同，若直接运用 NONROAD 模型计算我国船舶排放因子，将引起较大的偏差。因此，国内 的 船舶排放因子采用调研加估算的方法获得。 南开大学的金陶胜 等 人 对天津港运输船舶的总体情况进行调研，根据其 排放控制 水平合理选择了排放因子 [46]；而后采用基于燃料消耗的方法，对 2006 年天津港运 输船舶排放的 NOx、 HC、 CO 和 PM10 进行了计算，建立了天津港运输船舶大气污染物的排放清单；最后对 2010 年和 2020 年天津港的运输船舶大气污染排放情况进行了预测。 华南理工大学的张礼俊、郑君瑜，广东省环境保护监测中心站的钟流举 等人 根据收集到的珠江三角洲非道路移动源活动水平数据，采用适合各类非道路移动源污染物排 放量的估算方法和排放因子，建立了珠江三角洲地区 2006 年非道路移动源排放清单。 并得出 在船舶排放源中，货轮和散装干货船 是主要排放源，其排放的 SO2，NOx， VOC， CO 和 PM10 分别 占 总 排放量的 89.8， 81.8， 77.3， 79.5和 81.7[47]。 深圳市环境保护监测中心站的李智恒，何龙通过香港详细的船运资料和大气污染物数据库 ， 得到船运统计数据与污染物排放量统计数据的关系，并依据深圳的船运统计数据得到深圳市 2003 年船舶污染物排放清单。结果表明，深圳市船舶排 放的SO2 占全市流动源 SO2 排放量的 58.62[48]。 青岛市环境监测中心站的刘静，王静等人建立了青岛市港口船舶大气污 染排放清单，但其排放因子是参考欧盟 “欧盟港口船舶运输污染物排放量 ”报告中 的研究成果，结合青岛市的实际情况，按船舶航行各个过程的、平均速度、或基于相似类型和船舶信息，由内插法计算，分吨位确定 [49]。 另外，上海环境科学院的伏倩艳等对上海空气中的 NOx 及其分担率进行了研究，计算得到了上海市 1998 年船舶的 NOx 的排放量 [50]。 Yang 等人基于 1988 年船舶活动数据和专家观点得到了上海港口的海洋船舶 2003 年度大气排放 清单 [51]。 Zhang等人（ 2010）对珠江三角洲地区船舶排放清单的类别与使用进行了适当的估计和数据收集活动 [52]。 Yao 人（ 2012 年），制定了详细的海上远洋船舶在香港自底向上的活动为基础的网络模型，在网络模型的基础上建立了 2007 年基准年的排放清单 [53]。 1.4研究目的、意义及内容 北京 理工大学 内河 和近海船舶排放 特性 及排放清单研究 11 1.4.1研究的目的和意义 2012 年底我国内河和近海船舶的保有量在 17.92 万艘左右， 船舶 总功率 6389万千瓦 。 2012 年年末我国渔船保有量 69.56 万艘 ， 渔业机械 348.78 万