0 引 言
中国贸易不断繁荣拉动港口运输业发展壮大，在港口数量、港口规模和船舶保有量方面，中国港口运输已经处于世界领先水平。2015年世界十大集装箱港口中，中国占7个，占全球吞吐量的25%以上；若按货物周转量计算，世界十大港口中有8个在中国[1]。这些港口多位于长三角、珠三角和京津冀等人口密集地区，船舶及港口排放已经成为这些沿海沿江城市的重要大气污染源之一，对周边的生态环境和人体健康有极大威胁。
石油资源不断消耗以及船舶排放要求日益严格的现状，迫使人们寻找一种可用于船舶发动机的替代燃料。其中一种有效方案是将餐饮、食品加工等单位废弃的油脂统一回收，通过酯化、酯交换工艺制成甲酯或乙酯燃料[2]。餐厨废弃油脂制生物柴油是一种含氧清洁燃料，具有替代性良好、十六烷值高、燃烧充分、有效降低污染物排放等优点[3]。
张允华等[4]对国Ⅴ柴油公交车上燃用5%体积分数的餐厨废弃油脂制生物柴油混合燃料(B5)实际道路排放性进行研究，结果表明：相较于国Ⅴ柴油，B5的CO、THC、PM排放速率下降，CO2、NOx和PN排放速率有所上升。吴刚等[5]在1台船用柴油机上进行的燃用餐厨废弃油脂制生物柴油和柴油台架试验中发现，燃用生物柴油混合燃料后，柴油机CO、 CO2、THC、颗粒物质浓度和数量的排放均有所下降。许广举等[6]研究表明，燃用生物柴油可降低柴油机约32%的多环芳香烃排放。
已有研究多聚焦生物柴油台架和公交车试验，而对船舶燃用生物柴油的实际工况排放研究较少。内河船舶排放污染严重，进行船舶燃用餐厨废弃油脂制生物柴油和纯柴油的实际工况排放对比的研究，不仅可为减少大气污染提供新思路，也为今后船舶推广使用生物柴油提供重要数据。本研究利用便携式排放测试系统，对以黄浦江为工作水域的1艘内河船舶进行餐厨废弃油脂制生物柴油和纯柴油在实际工况下的排放测试，分析气态物和颗粒物的瞬时排放特性，在不同工况进行排放速率对比分析。
1 材料及方法
1.1 试验船舶
选用1艘内河船舶，实际运营工作地点位于上海市黄浦江。试验船舶总长26.80 m，船宽9.60 m，型深2.40 m，设计吃水1.655 m。试验船舶主机为YC41080C型柴油机，额定功率为40 kW，额定转速为1500 r/min。
1.2 试验燃料
试验选用餐厨废弃油脂制生物柴油(B100)以φ(餐厨废弃油脂制生物柴油)∶φ(纯柴油)为1∶9调和的生物柴油(B10)燃料进行排放测试试验，并选用纯柴油(D100)进行2种燃料排放测试对比。2种试验燃料的基本理化特性指标如表1所示。
表1 试验燃料基本理化特性指标
Table 1 Basic physical and chemical properties of
the tested fuel
试验燃料理化特性D100B10运动黏度(40 ℃)/(mm2/s)2.9623.912闪点(闭口)/℃71.068.5密度(20 ℃)/(kg/m)842.9879.9十六烷值49.650.4低热值/(kJ/kg)4232042160碳含量/%86.1785.32氢含量/%13.3813.36氧含量/%0.401.29
1.3 试验设备
利用便携式排放测试系统(PEMS)对船舶尾气进行测试，气态物排放设备选取日本HORIBA公司的OBS-2200气态排放物检测设备，颗粒物排放测试设备选用芬兰DEKAT公司的DI-2000射流稀释器和美国TSI公司的EEPS-3090。
OBS-2200气态排放物检测设备采用非扩散式红外线分析仪测量CO和CO2排放，氢火焰离子分析仪测量THC排放，化学发光检测仪测量NOx排放。DI-2000射流稀释器用于对尾气进行稀释，稀释器固定参数及排气背压决定了稀释倍数，EEPS-3090用于颗粒物数量及浓度的排放测试，可测试颗粒物的空气动力学直径为5.6～560 nm, 共划分为32个粒径范围。同时搭载GPS导航仪，记录船舶航行速度和地理位置。
1.4 试验方案
在测试船舶正常工作运行状态下进行排放测试，测试工况分为3部分：出港工况、巡航工况和进港工况。出港工况是指测试船舶由停靠码头启动到通航水域并且达到正常航行速度的过程；巡航工况是指测试船舶在通航水域中以一定航速前行工作的过程；进港工况是指测试船舶由通航水域到达停靠码头，航速降至为0的过程。测试地点位于上海市黄浦江，测试路线为船舶正常工作航行路线，测试距离为7 km。2次船舶测试均由同一位驾驶员操作，航行测试出发点、航线和终点都保持一致。
2 结果与分析
2.1 不同工况下瞬态排放特性
图1为试验船舶燃用B10生物柴油时，航速、排气流量、气态物和颗粒物排放速率之间的关系，测试时间较长且巡航过程中排放物浓度变化较小，研究选取具有代表性的片段分析。整个试验过程中，进港和出港工况下气态物和颗粒物排放速率变化较大，巡航工况下，气态物和颗粒物排放较为稳定，并且在巡航工况时因为吸入发动机空气流量的变化，NOx的排放速率变化尤为明显。
注：Ⅰ—出港工况； Ⅱ—巡航工况； Ⅲ—进港工况。
图1 典型工况下航速、排气流量及排放物瞬态排放
Figure 1 Speed,exhaust flow and transient emissions of the pollutants under typical working conditions
由图1c—1f中Ⅰ区可看出：CO、THC和PM在出港工况时波动明显且排放速率较高，CO平均排放速率达到0.0215 g/s，最高可至0.112 g/s；THC平均排放速率达到0.0168 g/s，最高可至0.332 g/s；NOx平均排放速率达到0.0727 g/s，最高可至0.135 g/s；PM平均排放速率达到0.0151 g/s，最高可至0.132 g/s，值得一提的是，出港工况时THC和PM的排放速率均达到整个工况的最大值。在出港工况时，船舶发动机刚好处于冷启动状态，缸内温度较低，混合气混合不均匀，燃烧不够充分，导致CO、THC、PM排放速率较高；并且试验燃料是由餐厨废弃油脂制得，运动黏度高，燃油雾化性能不佳[7]，加剧了PM在出港工况时的排放。船舶出港时，驾驶人员需保持船舶和周边船只在安全距离内，要不断给船舶加减速度并调整位置，控制船舶出港时速度和方向，因此船舶在出港工况时，船舶速度、发动机负荷波动大，燃油和空气在缸内混合不均匀，B10燃料和空气燃烧不彻底，导致气态物和颗粒物排放浓度大幅提升[8]。
由图1c—1f中Ⅱ区可看出：CO、THC和PM在巡航工况时排放速率稳定，其平均排放速率达到0.0212，0.0294，0.0326 g/s。而NOx排放速率波动明显，因为在试验过程中水流和工作环境影响，船舶发动机负荷发生变化，进气流量改变，燃料与空气在局部区域过量混合，一直处于高温充分燃烧状态,在巡航工况时，NOx排放速率显著上升，平均排放速率达到0.243 g/s，最高可至0.351 g/s。船舶航速稳定，发动机负荷变化小，缸内总体混合气混合均匀，燃烧过程充分，CO、THC和PM排放速率大于出港工况且趋于稳定。但是在巡航工况下，船舶处于不同顺流逆流状态以及水流速度变化时，船舶负荷略有波动，气态物和颗粒物排放在一定范围内波动。
由图1c—1f中Ⅲ区可看出：CO、THC、NOx和PM在进港工况均大幅度变化。船舶由正常航行速度开始下降，THC、NOx和PM排放速率均有所下降。但是由于船舶降速停靠的特殊性，船舶在不断减速时间隙性猛踩油门，船舶速度和发动机负荷也不断波动，缸内燃烧不够充分，导致气态物和颗粒物排放浓度急剧波动[9]。
2.2 不同工况下平均排放特性
2.2.1 气态物排放
图2为测试船舶在使用B10生物柴油和D100纯柴油时各工况点CO、THC、NOx的平均排放速率。比较B10和D100整个测试过程中CO排放图2a可知：在出港、巡航和进港工况，B10的CO排放速率和D100相比下降了20.37%、24.39%和6.05%。这是由于B10生物柴油中氧元素比例比纯柴油高[10]，在吸入同样体积空气时，相当于提高燃烧过程的过量空气系数，增大空燃比，燃料充分燃烧，减少CO的产生；B10生物柴油十六烷值高，滞燃期比纯柴油短，燃烧时间更长更充分，促进CO转化成CO2，进一步减少CO的产生。出港和巡航工况时，B10的CO排放速率比进港工况下降明显的原因是，进港工况下船舶发动机负荷较小，吸入空气多，产生混合气较稀现象，B10生物柴油富氧的优势在燃烧过程中不明显，导致燃烧B10时CO排放速率下降幅度较小。
■ B10； □ D100。
图2 典型工况下气态污染物排放速率
Figure 2 Gaseous pollutants emission rate under typical working conditions
由图2b中THC的平均排放速率可知：出港、巡航和进港工况下，B10的THC排放速率和D100相比分别下降了8.2%、8.13%和25.23%。这是由于B10生物柴油是由餐厨废弃油脂制得，与纯柴油相比所含芳香烃和挥发性物质少[11]，燃烧过程中THC生成量比纯柴油少；另外，B10生物柴油的十六烷值较高，缩短燃烧滞燃期，使燃烧过程更加充分，减少了THC排放；因为B10生物柴油氧元素含量高，相当于增大空燃比，少量挥发的HC化合物也被氧化，减少THC的排放。
比较B10和D100测试过程NOx排放图2c可知：在出港和进港工况，B10的NOx排放速率和D100相比下降了54.28%和40.39%，但是在巡航工况，B10的NOx排放速率上升了10.45%。当燃烧过程具备高温、高压和富氧的条件[12]，发动机燃烧火焰的前锋处极易生成NOx。船舶巡航工况下一般是中高负荷，发动机内温度高、压力大，B10生物柴油中氧元素含量比纯柴油高，在巡航工况时燃烧B10生物柴油时更容易产生NOx，所以NOx排放量增加。B10生物柴油是由餐厨废弃油脂制得，调制混合过程中添加一定比例的水和抗氧化剂[13]，出港状况下发动机处于冷启动状态，而进港工况负荷较低缸内温度下降，水和抗氧化剂汽化潜热较大，蒸发过程的吸热又降低了缸内燃烧的温度和压力，所以船舶使用B10生物柴油时缸内温度和压力低于纯柴油，减少了NOx排放。
2.2.2 颗粒物排放
图3为测试船舶在使用B10生物柴油和D100纯柴油时各工况点PM和PN的平均排放速率。比较B10和D100排放可知：在出港、巡航和进港工况，B10的PM排放速率和D100相比分别下降了53.11%、22.38%和36.55%，PN下降了14.17%、18.75%和46.47%。
B10生物柴油富含氧元素，有效减少缸内局部混合气过浓现象，使缸内燃烧更加充分，有效限制碳烟颗粒成型，减少了PM排放；同时B10生物柴油的分子内氧使燃烧过程中火焰传播的速度更快，加长缸内高温时间，有利于碳烟颗粒的氧化，减少了PM排放[14]。
碳烟颗粒形成基础是芳香烃，而B10生物柴油芳香烃含量远低于纯柴油，能有效限制碳烟颗粒初期的晶核成型，使B10生成总颗粒物数量在各工况有所降低；B10生物柴油的滞燃期相对较短，减少了小颗粒的生成，促进大颗粒的氧化，使颗粒物数量总体降低[15]。
为了解船舶燃用B10生物柴油和纯柴油时排放颗粒物情况，对排放颗粒物粒径分布和数量分布进一步分析。图4a、b、c为试验船舶在燃用B10生物柴油和纯柴油时排气颗粒物粒径分布情况。可知：船舶燃用2种燃料时各工况颗粒物排放情况相类似，均呈双峰分布，B10和D100的第1个峰值粒径在10 nm左右，这部分颗粒物为核态颗粒，粒径小但数量多，主要由挥发性有机物、硫酸盐等组成；B10和D100在出港和巡航工况第2个峰值在70 nm左右，进港工况第2个峰值在40 nm左右，这部分是聚集态颗粒物，由碳烟颗粒和固液态吸附物质组成，包括碳氢化合物和无机化合物。
■ B10； □ D100。
图3 典型工况下颗粒物排放速率
Figure 3 Particle emission factor under typical working conditions
图4d、e、f为2种燃料各工况下排气数量分布。在出港、巡航和进港工况下，与使用纯柴油相比，船舶燃用B10生物柴油时核态颗粒和聚集态颗粒均有所下降，进港工况下核态颗粒数量下降幅度最大，达到55.6%，出港工况下聚集态颗粒数量下降最明显，达到12.8%。究其原因：B10生物柴油是由餐厨废弃油脂制得，与纯柴油相比挥发性物质少，减少了核态颗粒排放；B10生物柴油芳香烃含量远低于纯柴油，减少碳烟颗粒初期的晶核成型，降低聚集态颗粒物排放；B10生物柴油分子内氧变相提高缸内空燃比，促进缸内燃烧，有利于核态和聚集态颗粒的氧化，进一步减少颗粒数量。
—B10； 
—D100； ■ B10； □ D100。
图4 典型工况下颗粒物类型及粒径分布
Figure 4 Particle types and particle size distribution under typical working conditions
3 结 论
1)试验船舶在燃用B10生物柴油时，进、出港工况下气态物和颗粒物瞬态排放波动大，巡航工况下气态物和颗粒物排放较为稳定，并且在巡航工况时，NOx的瞬态排放随空气流量的变化而波动。
2)与燃用D100纯柴油相比，船舶燃用B10生物柴油后在出港、巡航和进港工况下：CO排放速率下降了20.37%、24.39%和6.05%，THC排放速率下降了8.2%、8.13%和25.23%，PM排放速率下降了53.11%、22.38%和36.55%，PN排放速率下降了14.17%、18.75%和46.47%；在出港和进港工况，NOx排放速率下降了54.28%和40.39%，在巡航工况NOx排放速率上升了10.45%。
3)燃用B10生物柴油和纯柴油时排气颗粒物粒径均呈双峰分布，各工况下第1个峰值粒径在10 nm左右，在出港和巡航工况第2个峰值在70 nm左右，进港工况第2个峰值在40 nm左右。各工况下船舶燃用B10生物柴油排放核态颗粒和聚集态颗粒与纯柴油相比均有所下降，进港工况下核态颗粒数量下降幅度最大，达到55.6%，出港工况下聚集态颗粒数量下降最明显，达到12.8%。
4)内河船舶燃用B10生物柴油后能有效降低气态物和颗粒物排放。可见，推广使用生物柴油有利于节省化石能源并治理大气环境污染，为打赢蓝天保卫战提供新思路。
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