2018年 12月

对测量船用低速二冲程柴油机排放黑碳的考察

2018年 12月 10日

Im Dongguk (Deputy Senior Surveyor, Future Technology Research Team)

1. 概要

国际海事组织(IMO; International Maritime Organization)正在对占据国际物流中90%以上的国际航运领域实行海洋环境保护的限制排放，最近正在不断强化船舶排放的大气污染源的相关规定。除了限制排放主要大气污染源中的氮氧化物和硫氧化物之外，正在通过海洋防止污染应对分委会(PPR; Pollution Prevention and Response)对通过减少燃油中的硫含量还进行间接限制排放的颗粒物质，局限于其组成成分中的黑碳(BC; Black Carbon)导入规定进行讨论。

海洋环境保护委员会(MEPC; Marine Environment Protection Committee)通过第68届会议，决定了使用由Bond et al. 提案的物理特性为基础的黑碳定义。对于限制排放的预定物质黑碳的定义出来后，为了整理黑碳的测量方法，将要求成员国提交自发进行的黑碳测量结果。

对此，利用KR Greenship器材试验认证中心持有的船用低速柴油机测试平台，想介绍一下主要的船舶推进柴油机低速二冲程柴油机排放的黑碳测量分析结果。

2. 船舶黑碳排放的特性和测量方法

IMO 想要限制排放的黑碳是基于燃油的燃烧过程中，仅仅在火焰中形成的碳元素物质，其物理特性如下所示。
   1)在550nm波长中拥有至少5 m2/g以上的质量吸收断面，很好的吸收可视光线的物质
   2)在4000k下会蒸发，在非常高的温度下拥有可以维持基本形态的耐火性物质(refractory)
   3)不被水，甲醇及丙酮等有机溶剂，大气圈里的其他成分所溶解的物质
   4)以球型碳粒子的凝聚体存在的物质

基于黑碳物理特性的测量方法有FSN测量法(Filter Smoke Number 光声光谱分析法 (Photo-Acoustic Spectrometry), 激光诱导发光法(Laser Induced Incandescence)，这些测量方法中主要以不需要额外稀释空气的FSN测量法和空气稀释比较低的光声光谱分析法进行研究。

[Fig. 1. Principle of Filter smoke number and Photo-acoustic methods]

PPR中对成员国要求提交利用黑碳测量方法的自发进行测量的结果，各国家及欧盟内燃机制造协会(EUROMOT)等利用黑碳测量协议提交了船舶柴油机测试平台及实际船舶测量的数据。

特别是EUROMOT通过PPR议题文件，发表了对31台船舶柴油机(低速，中速)利用FSN方法的黑碳测量结果。其中低速柴油机在0.009至0.179 FSN的黑碳排放特性。

Fig. 2. FSN values from two-stroke diesel engine.png

[Fig. 2. FSN values from two-stroke diesel engine]

3. 船用低速二冲程柴油机黑碳排放的测量

[Fig. 3. Low speed engine test bed and experimental setup,
a) photograph of low speed engine test bench at KR TCC, b) schematic diagram of experimental setup]

根据PPR自发测量黑碳的请求，KR也是利用Greenship器材试验认证中心持有的船用低速柴油机测试平台，对使用在远洋航行船舶上的低速二冲程柴油机排放的黑碳进行了测量。低速柴油机的最大功率是7,400 kW(@ 129 rpm)，通过水力测功器和通过轴相连接的柴油机进行了功率的测量及控制。

对于测量船舶柴油机排放物质的周期，利用了ISO8178及NTC(NOx Technical Code)的E3(驱动螺旋桨的主机和辅机的试验周期)条件。燃油使用了B-A 0.3 %，为了了解黑碳的排放特性，通过适用Filter Smoke Number测量法的测距计(415 SE, AVL)和适用光声光谱分析法(PAS) 的Micro Soot Sensor(MSSplus, AVL)对soot浓度进行了测量。

特别是测距计的FSN测量范围在0~10，因此，FSN较高说明黑碳的排放程度较高。并且利用 (DEED, Dekati)和 SMPS(TSI) 稀释装置测量了低速二冲程柴油机排放的颗粒物质不同尺寸的浓度。

[Table. 1. Experimental conditions]


Power [kW]	7,400	5,500	3,700	1,850
Speed [rpm]	129.0	117.2	102.4	81.3
Torque [kNm]	547.8	452.2	345.0	217.3
Mode	1	2	3	4

Fig. 4. FSN and soot concentration values of 2-stroke marine engine.png

[Fig. 4. FSN and soot concentration values of 2-stroke marine engine]

利用 FSN及PAS的黑碳测量结果在低负荷区间4 Mode(25% load)中展现了最高的排放特性。该结果展示了与EUROMOT结果相类似的特性，这是基于在低负荷区间利用辅助风机提供燃烧空气的船用低速二冲程柴油机的特性。并且EUROMOT的测量结果中部门的结果比该结果展现了更高的黑碳排放特性，这是因为使用的燃油是硫含量较高的高硫燃油(2.4% S)的原因。

并且利用SMPS对低速二冲程柴油机排放的颗粒物质按照不同大小测量浓度的结果，在低负荷区间 Mode 4的运行条件中分布在accumulation mode, Dp > 50nm的微粒物质的数量较其他Mode较高。这与相同的运行条件下利用FSN及PAS方法测量黑碳的结果，低负荷运行条件下FSN测量值及soot浓度较其他运行条件相比较高，是因为粒子在相对较大的领域中浓度的增加导致的结果。造成这样的原因是与其他运行条件相比燃烧室内部喷射的燃油和燃烧空气在燃烧过程中，在相对浓厚的区域会形成调整模式的粒子。

[Fig. 5. Particle size distribution of 2-st marine engine]

对于船舶主推进装置用的低速二冲程柴油机，可以确认比设备能够测量的最大FSN的10%低的测量值(小于0.5)。但是限制排放黑碳实行时，能够安装减少黑碳的处理系统装置，在处理系统的后端进行测量的FSN测量值可以建站测量仪器的最小测量值，测量的可信度将存在质疑声。

对此假如能够确立FSN方法测量黑碳的代表性测量法的话，成员国及测量仪器制造商等相关机构的协商下，对测量领域进行调整或需要对较低的FSN测量值进行详细的校正。

KR Webzine Vol.117