近日，由中国海洋试点国家实验室联合俄罗斯科学院太平洋海洋研究所组织的"2018中俄北极联合科学考察"活动在俄罗斯海滨城市符拉迪沃斯托克（海参崴）港正式启航。此次中俄北极联合科考，将进一步加强对北极海洋环境变化的研究，助力"冰上丝绸之路"建设。
受全球气候变化的影响，北极航行与资源开发变得现实可行，北极地区的海洋环境变化等问题正日益引起全球科学家的重视和关心。对船舶工业特别是船用发动机厂商而言，应该如何应对北极黑碳排放控制问题？《中国船舶报》邀请中船重工第七一四研究所范维、 青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司李守彪阐述他们的观点。
--编者
受全球气候变暖影响，北极航行和资源开发已变得现实可行。然而，北极有着独特的地理和气候特征，对人类活动作用下的环境敏感性较强和生态修复能力相对脆弱。为减少人类活动所产生的影响，国际海事组织（IMO）出台了《极地水域国际运营船舶规则》，并在Ⅰ-B和Ⅱ-B中针对环境保护问题分别进行了强制性和建议性规定。其中，值得业界重点关注的是北极黑碳排放控制问题。目前，加拿大、德国、芬兰、挪威、荷兰、日本和韩国等国家已经开展了有关研究项目，并不约而同将其初步研究成果和结论的提交至IMO进行审议，如果未来一旦形成强制要求，将对船舶主机设计和减排控制技术产生新一轮的影响。
2018年1月26日，中国政府发表首份北极政策文件--《中国的北极政策》白皮书，展现了中国面向全世界开展北极合作、共建北极"冰上丝绸之路"的积极态度。船舶作为开发和利用北极航道的硬件单元和区域互联互通的重要保障，需要进一步满足有关立法要求和应用需求，不断加快技术创新，以支撑北极经济科学、合理、可持续发展的迫切需要。
航运黑碳对极地的影响
黑碳是含碳燃油不充分燃烧、仅在火焰中而形成的细微黑色颗粒物，是仅次于二氧化碳（CO2）的全球第二大导致气候变化的人为贡献源。黑碳对环境的最大影响是其存留期间带来的温室效应。黑碳在大气里的寿命大概为 5～12天，但由于其可吸收太阳辐射中的可见光，特别是沉降在冰雪表面时，能够直接将太阳能转化为热能释放至地表大气，温室效应十分明显。根据国际清洁运输理事会（ICCT）最新发布的《2015年全球航运黑碳排放与燃油使用》，等量的黑碳在极地的温室效应近乎于中纬度地区的5倍。随着全球航运需求的持续增长、北极航线活跃度的不断提升，预计2050年全球船舶黑碳排放量将是2004年的3倍，对极地冰川消融作用尤为突出。
基于全球航运燃油消耗等数据做出的初步评估结果显示，三大主力船型油船、散货船、集装箱船的黑碳排放量可达全球的60%，邮轮则是单船平均黑碳排放量最多的船型。以20年为时间单位，以等效CO2排放量为单位进行折算，黑碳占所有航运温室气体CO2等效排放总量的21%；若按100年计算，比例为7%。这一结果说明，由于黑碳在环境中寿命周期短于其他类型温室气体，积累效应较弱，对短期内缓解、改善温室效应贡献度明显。因此，控制和减少船舶黑碳排放是航运业短、中期内应对气候变化的一项有效手段。
船舶黑碳的测量与研究
目前，关于船舶黑碳测量方法尚未形成标准化的统一方案，这也给业界进一步研究黑碳成因及控制措施增添了困难。黑碳颗粒浓度测量可采用激光诱导炽热（LII）、过滤烟数法（FSN）、光声光谱法（PAS）和多角吸收光度计法（MAAP）共4种方法，这些方法均不同程度上利用了光学和热解学原理。通过多维度对比不同燃油、不同工况、不同方法下的测量结果发现，前3种方法重复性较好，MAAP在某些情况下较差；前3种方法的测量结果之间呈现良好的关联关系；MAAP测量数据取决于外部稀释装置类型，因此在此种方法下，外部稀释效果会引起结果的不确定性。
2017年10月4～5日，在ICCT第四次船舶黑碳排放研讨会上，23名与会专家对黑碳排放测量方法进行了进一步讨论。通过梳理，得出初步结论显示，前3种方法均能够用于试验台和实船的黑碳排放测量，较为符合实践应用要求，其中，FSN可靠性和全面性较高、PAS可靠性和全面性处于中高评级、LII可靠性和全面性处于中低评级；MAAP可靠性和全面性较差，程序复杂不易使用，且由于其稀释系统需要在黑碳高浓度条件下使用，因此不适用于实船主机的黑碳排放测量。此外，ISO 8178-3对可靠性和全面性较高的FSN使用提供了国际标准参考，ISO 10054也对该方法对应的测量仪器设备提出了标准化要求，因此，FSN已经得到黑碳学术研究团体和海事业的广泛使用。
潜在黑碳减排控制技术
针对黑碳排放问题，发达海事工业国家已经围绕测量方法、影响因素和减排技术开展研究与试验工作。通过比较分析日本、芬兰、加拿大、荷兰、德国及欧洲内燃机制造商协会（EUROMOT）的相关研究，可以初步明确，黑碳的形成与船用燃油中碳氢或氢含量有关，但尚无法结合燃油特性给出有效的黑碳评估计算公式，而现阶段备受关注的液化天然气（LNG）等替代燃料亦被证实能够大幅减少黑碳排放。此外，根据EUROMOT收集的35组试验数据（涉及31种不同型号主机），在使用同类燃料情况下，Tier Ⅱ和Tier Ⅲ主机的黑碳排放水平无明显差异，四冲程主机排放水平相对高于二冲程主机。
尽管船舶黑碳排放水平可能与主机工况、主机冲程数、燃油种类、燃油硫含量、燃油特性等因素相关，但各因素影响程度及相互作用关系尚无定论。因此，上述减排技术措施仅是初步评估的结果，部分结论尚缺乏充分的试验数据论证和支撑，有些科研项目甚至还得出了相反的研究结论。
例如，芬兰于2015年1月～2017年4月启动了SEA-EFFECTS BC项目，分别通过邮轮实船试验和实验室台架试验开展黑碳排放测量分析。其中，实船试验选取的邮轮配备了选择性催化还原装置（SCR）和混合式废气清洁系统（脱硫装置），主机（四冲程）输出功率分别设置为40%和75%，所用燃油硫含量多为0.65%，但有1台主机还使用了0.1%以下的超低硫燃油；台架试验则选取了1台1.6兆瓦的船用主机，主机输出功率分别设置为25%和75%，所用燃油硫含量包括2.2%和0.1%两类。此外，芬兰另选取了1艘装有开式废气清洁系统的滚装客船，采用与SEA-EFFECTS BC相类似的方式进行测量分析。
研究结果表明，主机方面，新型电控主机黑碳排放水平优于旧型机械控制式主机，四冲程船用主机黑碳排放在40%～75%的主机输出功率下处于较低水平；燃油方面，在40%～75%主机输出功率下，电控主机从渣油切换至馏分油，黑碳排放水平未得到有效改善，但机控主机在75%输出功率下从渣油切换至馏分油，黑碳排放水平有明显改善；废气清洁系统方面，无论是开式还是混合式系统，对黑碳排放的改善作用都十分有限。从结果可以看出，燃油切换及尾气处理方面的结论与IMO散装液体和气体分委会发布的《关于国际航运黑碳排放控制措施调查》中提到的相关技术措施存在一定的矛盾之处。
黑碳排放立法渐行渐近
受联合国气候变化框架公约以及海运温室气体减排初步战略影响，黑碳作为仅次于CO2的引发温室效应的船舶排放物质也必将成为IMO船舶温室气体减排体系下重点调控对象之一。
从已有政策规范体系看，技术措施要求和管理措施要求均可影响黑碳排放控制。目前，能够对黑碳排放起到积极调控作用的政策法规主要涉及船舶能效设计指数（EEDI）船舶设计阶段要求、固体颗粒物排放控制要求、船舶岸电使用要求等。根据当前研究结论，船舶低硫燃油及氮氧化物排放控要求尚无法起到直接作用，但可能会通过促进燃油品质的提升改善黑碳排放水平。此外，受IMO压载水管理公约、2020年低硫燃油限值要求、EEDI第二阶段实施因素影响，国际船队将进行新一轮的更新，整体排放水平可以得到进一步优化。
然而，上述政策法规并非直接针对黑碳排放制定的控制要求，调控效果具有一定的局限性。回顾压载水管理等法规发展历程，无不体现发达工业国家在推动上述规则制定过程中的利益诉求，比如当前市场需求火热的废气清洁系统、压载水处理设备等。据此可以预见，在欧美国家推动下，IMO将会开启黑碳排放的立法研究工作，调控模式或机理可能涉及特定油品禁用、极地区域港口岸电强制使用、燃料使用强制标准、主机阶段淘汰等。
环保规则的制定与实施已成为海事工业持续创新发展的新动能，是船舶工业高质量发展、优化供给能力的重要抓手。随着"一带一路"倡议的不断深化以及北极"冰上丝绸之路"的提出，加强北极装备研究必然成为我国船舶工业发展的重点任务之一。黑碳排放立法尽管可能会给业界带来新的挑战，但对船用主机技术创新、LNG清洁动力技术应用和相关配套设施建设具有积极带动作用。为此，国内相关企业有必要启动船舶黑碳检测试验能力建设工作，开展黑碳影响因素分析研究，围绕有关结论研发相应装备，同时，结合自身技术特点和优势形成行业建议，通过主管机关或有关平台参与国际海事立法研究工作。
来源：中华航运网
沪公网安备 31011502019944号