KR Webzine Vol.149

1. 研究背景

目前，国际海事组织（IMO）正在逐渐加强对氮氧化物、硫酸化物、二氧化碳等大气污染物的限制。与此同时，在MEPC旗下的PPR（Pollution Prevention and Response）中，对粒子状物质的主要成分中具有与Soot相似特性的黑色碳素（Black Carbon）的规制引进进行了讨论。对此，可以应对引进规制的黑色碳素降低技术的研究开发在国内外进行，特别是，由于这种后处理装置受到设置空间的制约，可以同时减少各种大气污染源的同时低处理系统开发正在积极进行。

为了对开发出来的后处理装置的减低性能进行定量的性能评估，需要包括测量方式和测量设备要求事项、测试方法等明确的测量测试标准。例如，氮氧化物的NOX Technical Code中明确规定了相关内容，硫酸化物减排排放气体清洗装置的条件是通过Res.MEPC。259（68）制定了相关标准。但是，对于黑色碳素，目前还没有制定相关的技术标准，因此为了保障性能评估结果的可靠性，需要制定另外的技术标准。对此，KR为了对船舶排放黑色碳素低感冒技术的性能评估，进行了包括测量方法和测量设备要求事项、测试方法等内容的性能评估程序开发的研究。

氮氧化物的情况下，NOX Technical Code上明示了定量判断测量方式及排放量的计算等排放量的内容。如黑色碳素的情况下，为了对排放量进行定量评估，必须选择适当的测量方式，PPR正在进行相关研究和讨论。鉴于本研究尚未确定测量方式，在PPR第5次会议上，掌握了作为黑碳测定方式候补提出的Filter Smoke Number（以下简称FSN）方式和采用Photo-Acoustic Spectroscopy（以下简称PAS）方式的黑碳减排后处理系统性能测试方法及制定程序所需的事项。

2. 研究内容及测试方法

FSN、PAS方式都是利用粒子吸收光的特性来测量粒子的质量浓度（单位：mg/m3）的方式，FSN方式则制定了对测量设备要求事项的国际标准（ISO 10054）。但是两种方式都没有制定测试条件、安装及测量程序等考试的国际标准。对此，KR通过作为政府R&D的一环进行的研究，进行了后处理系统（DPF）适用前/后的测量试验，并以结果为基础制定了试验程序。

试验中利用了小型船舶用主/视图搭载的550kW（@1800rpm）发动机和负荷及转数控制的动力系统，为了减少从发动机排出的粒子状物质，利用了内燃机用DPF系统。测试周期采用了定速查看用测试周期D2 cycle，利用FSN方式和PAS方式比较了各负载条件下DPF的黑色碳素低减特性，识别了测试程序中需要反映的事项。

3. 研究结果及分析

为了制定可信度高的试验程序，通过反复试验获取数据，通过分析得出了反映在测定试验程序中的事项。首先，FSN方式不是通过实时测量，而是通过测量仪内部控制系统，以一定的间隔（ex.6秒内采集和测量）反复测量5次，获得1个平均数据的方式，反复测量中发现的平均数据对比偏差较大的数据导致信任度下降。为了弥补这一点，增加了反复测量次数，获得了平均数据，制定了取得有效数据的程序。PAS方式是可以实时测量的方式，为了测量样品和空气稀释，适当的稀释费设置很重要。另外，在发动机运行条件的稳定化时间之后，为了获得均匀的数据，需要通过测量时间的充分稳定化时间和一定时间内测量的数据的平均值进行分析。考虑到各测量方式的测量原理和运用方式等，设计并适用了最小化错误的程序。

但是，对于以同一单位测量的两种方式的DPF前/后段的黑碳排放浓度，FSN、PAS方式的测量值进行了比较，结果显示，即使采用了最小化错误的程序，也和图1有所差异。比较DPF传单的测量值，倾斜和相关系数（R2）接近1，两个设备的测量值有线性相似的关系，FSN方式的测量值比PAS方式有所提高。相反，DPF后端的测量结果显示，两种方式之间没有线性关系。这些测量值及相关性的差异可能是由于两种测量方式测量原理不同、样品是否稀释、测量范围的差异或排放气体样品的组成等多种因素造成的

图 1. DPF 前/后端的测量方式间相关性对比曲线

特别是，随着DPF后端FSN方式的测量值接近下限值（0.02mg/m3），两个测量设备之间的线性相关性会下降。

4. 结论

通过本研究，虽然根据黑色碳素的测量方式，制定了最小化数据误差的程序，但确认了测量方式之间的测量值和相关性存在差异。另外，根据PPR第8次会议上提交的研究结果显示，如图2所示，即使是同一发动机，根据使用燃料的不同，黑色碳素的排放特性和测量设备之间的相关性也有所差异。

图 2. 各燃料FSN/PAS相关性对比曲线

(Source : PPR 8-5-1 Final results of a Black Carbon measurement campaign
with emphasis on the impact of the fuel oil quality on Black Carbon emissions)

因此，在引进对黑色碳素的限制之前，需要对发动机、燃料、后处理系统的适用等多种因素对黑色碳素测定的影响进行广泛的研究。与此同时，为了脱碳（Decarbonization），正在进行将多种替代燃料应用到船舶上的研究，为了制定出黑色碳测定方式的选定及排放量的定量评估的测量协议，还需要考虑这些替代燃料的使用带来的影响。KR为了引进IMO的黑碳规定，将继续研究使用各种替代燃料（LNG、LPG、氨等）的发动机及后处理系统，以建立黑色碳素排放量的定量评估程序。