KR Webzine Vol.111

1. 概要

国际海事组织(International Maritime Organization, 以下简称 IMO)分委会之一的污染预防与响应分委会(Pollution Prevention and Response, 以下简称 PPR)从2014年开始对船舶柴油机排放的颗粒物质(PM: particulate matter)成分之一的黑碳(BC: black carbon)进行了讨论，并计划到2019年2月为止结束对该议题的讨论。与此相关对试验结果一起进行分析来验证排气内黑碳测量方法的重要性

2. 船舶排放的颗粒物质，黑碳与气候变化

经报告指出，船舶排放的黑碳与陆地上汽车，铁道，建筑机械，农机械等排放的量相对较少。但是航行于北极圈及高纬度地区的船舶排放的黑碳会附着在冰河，雪的表面，从而促进由反射率降低引起的雪冰的融化。并且美国，加拿大，挪威等为中心持续提出黑碳以浮游状态游离于大气中直接接受太阳光或者与大气层进行相互作用促进极地的气候变化加速地球温室化。因此国际海事组织为了船舶起因的防止大气污染和气候变化引起的地球环境保护，正式进行了对该议题的讨论。

一般船舶柴油机等内燃机排放的颗粒物质像图1所示由煤烟(soot)，灰(ash)，硝酸盐(nitrate)，硫酸盐(sulfate)，有机成分(organic component)等组成。根据燃油的种类，燃烧温度，火焰扩散速度及反应时间，燃料微粒物等因素会发生物理化学特性的变化。其中与黑碳最为类似的成分是煤烟，但是微观的角度看的话煤烟也不仅仅是由碳元素组成的物质，因此很难看做是与黑碳同等的物质。

[Fig. 1. The components of PM from a diesel engine]

与图2的TEM(Transmission Electron Microscopy)照片一样很难将各个种类的碳元素聚合体与柴油机排放的颗粒物质进行可视性比较。与陆地上汽车，海洋平台不一样，为了讨论使用硫含量高重油的船舶排放黑碳引起的气候变化影响评估，测量及减排技术，对黑碳进行明确的定义是非常重要的。

[Fig. 2. The TEM images of carbon agglomerates and PM]

IMO经过多数会员国之间的意见和议论在MEPC 68中决定同意使用将邦德等人提议的物理特性为基础的黑碳的定义。

黑碳是
1) 550nm波长中至少拥有5 m2/g以上的质量吸收断面，可以很好的吸收可视光线
2) 大约在4000K中蒸发，在非常高的温度中保持基本形态的耐火性物质
3) 不被水，甲烷及丙酮等有机溶剂，大气悬浮微粒中的其他成分所溶解的物质。
4) 以球型碳粒子的聚合体存在的物质

3. 船舶排放黑碳的测量及特性

PPR中为了测量船舶排放的废气内黑碳审核了各种各样的测量方法。在汽车领域使用的先前的颗粒物质质量测量方法不同，重点考虑了非对象物的特性相异。FSN测量法(FSN: Filter Smoke Number)，光声光谱法(PAS: Photo-Acoustic Spectrometry)，激光诱导炽光法(LII: Laser Induced Incandescence)是目前为止最终审核的测量方法，其中FSN测量方法是最为广泛使用。

 

 

 

[Fig. 3. Selectivity of different instruments and measurement methods (AVL GmbH)]

如图3所示根据测量方法测量结果中会有可能重叠包含煤烟(soot)，碳水化物(hydrocarbon), 硫酸盐(sulfate)，灰(ash)，硝酸盐(NOx), 水分等。与陆地上的汽车柴油机相比使用硫含量相对较高的燃油船用柴油机排放的颗粒物质会随着航行条件， 煤烟(≈黑碳), 硫酸盐, 溶解性有机物(SOF: soluble organic fraction)等的组成比例将会不同，并通过下列试验进行了分析。

为了证明船舶燃油的硫含量对颗粒物质排放特性的影响，将下列轻油(以下简称ULSD: Ultra Low Sulphur Fuel, 10 ppm S以下)和含硫量高的高硫轻油(以下简称HSD: High Sulphur Fuel,大约 3,400 ppm S)，在4冲程高速柴油机(斗山 4V158TIH, 403 kW)中使用，根据 ISO 8178-4:2007，以E2,E3 Cycle进行了试验。排气内颗粒物质使用了FSN方法和ISO 8178的颗粒物质质量测量方法，并通过颗粒物质成分分析了解了化学特性。

图4分别在E2 cycle和E3 cycle的Mode下根据测量方法的结果。根据评估的模式HSD燃料的FSN与ULSD燃料相比的话，显示出了相同或者较低的结果。但是颗粒物质的质量测量值在使用ULSD比HSD燃料可以观察到更高的结果。为了理解这样的结果利用颗粒物质分析仪(MEXA-1370PM, Horiba)分析了颗粒物质的化学特性，并在图5将其表示出来。根据两种燃料及评估模式煤烟粒子的质量变化相对较少，但是分析得出对硫酸盐质量的影响还是比较明显的。因此使用含硫量高的燃料的柴油机排放的颗粒物质对硫酸盐和溶解性有机物等颗粒物质的质量产生较大的影响，可以看做是黑碳的煤烟在使用ULSD时比使用HSD排放更多的煤烟。

[Fig. 4. Comparisons between FSN method and weight method for PM measurements]

[Fig. 5. The analysis of chemical components of PM from a 4-stroke marine engine]

[Fig. 6. The analysis of components of PM from a 2-stroke marine engine]

图6中表示的是在功率为7,400 kW的2冲程低速柴油机使用含硫量为0.29%S的船用燃油(bunker-A grade)时排放的颗粒物质的特性进行比较，分析的结果。评估模式适用的是ISO 8178的 E3 Cycle。在本次测量中同时适用FSN和PAS的测量方法，并为了比较两种测量结果，通过制造商提供的公式将FSN值转换成了质量单位。化学成分分析与先前进行的一样。

比较两种测量方法的结果的话，可以看出除了mode 4以外，测量的颗粒物质排放量非常类似。并且颗粒物质的成分分析结果显示溶解性有机物，硫酸盐的比例对比煤烟的比例相对较高，可以推测这样的成分对颗粒物质的质量产生较大的影响。Mode 4中溶解性有机物排放较多，这是因为柴油机在低负荷运行时与高负荷运行时相比未完全燃烧的碳化氢较多有关。

通过这些实验结果可以了解到使用硫含量高燃油的船舶柴油机排放的颗粒物质比使用轻油(ULSD)的柴油机排放颗粒物质的特性具有较大的差异，并且认为在测量颗粒物质时需要特别考虑硫酸盐，溶解性有机物的影响。国际航行船舶一般使用含硫量较高的重油，因此认为使用ISO8178测量颗粒物质的质量计算黑碳排放量是不恰当的，因为这些原因IMO将排气内黑碳的测量方法限定在光的吸收(FSN方法)，颗粒震动(PAS方法)，复制能量(LII方法)原理的方法。但是就如之前试验结果，与煤烟类似的黑碳不是独立存在于排气内而是以颗粒物质的组成成分存在。选择性的测量颗粒物资内的黑碳是有限的，因此需要进行附加的审核。并且船舶排放颗粒物质的FSN值，主要集中在设备的整体测量领域较低的区间内，因此FSN值换算成质量单位的公式，需要确定在其测量区间内具有充分的可信度之后慎重决定。

[参考文献]
- Bond T.C. et al., “Bounding the role of Black Carbon in the climate system: A scientific

  assessment,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118, pp.5380-5552, 2013
- Report to Congress on Black Carbon, Department of the Interior, Environment, and Related

   Agencies, Appropriations Act, 2010
- Bond T.C., Zarzycki C., Flanner M.G., and Koch D.M., “Quantifying immediate radiative forcing by

   black carbon and organic matter with the Specific Forcing Pulse.” Atmospheric Chemistry and

   Physics, 11, pp.1505-1525, 2011
- Sand M., Berntsen T. K., Seland Ø., and Kristjánsson J. E., “Arctic surface temperature change to

  emissions of black carbon within Arctic or midlatitudes,” Journal of Geophysical Research:

  Atmospheres, 118, pp.7788-7798, 2013