货运船舶排放典型气态与颗粒态污染物组分特征的研究

Atmospheric pollutants emitted from cargo ships have attracted widely concern and been widely recognized to have significant negative impacts on air quality in port cities, climate change, and ecosystem in coastal areas. Basing on on-board study of more than 10 typical cargo ships emission, this project will focus on the following research contents. (1) Concentrations and emission factors of pollutants under various operating conditions will be determined via on-board measurement of particulate matters (including TSP, PM2.5 and size-segregated ones) and gaseous pollutants(including CO, SOx, NOx, VOCs and NH3).(2) Characteristics of gaseous pollutants and particulate matters (including size distribution, chemical composition, and their possible precursors) will be revealed via on-board measurement and off-line analysis (including VOCs, OC/EC, PAHs, ammonium, sulfate and heavy matters). The results are expected to update the emission inventory of Chinese ships and provide support for making emission control policy.

货运船舶排放的大气污染物对港口城市空气质量、气候变化和生态系统造成了重要影响，进而引起广泛关注。本项目拟对10艘以上典型货运船舶排放烟气开展深入研究：（1）对不同工况和油品条件下（含轻柴油、重柴油和残渣燃料油）船舶排放烟气进行实测，获得典型货运船舶排放气态污染物（CO、SOx、NOx、VOCs和NH3）和颗粒态污染物（TSP、PM2.5和分粒径段颗粒物）的排放浓度和排放因子；（2）系统表征气态和颗粒态污染物关键组分（VOCs、OC/EC、PAHs、铵盐、硫酸盐和重金属等），研究气态污染物和颗粒物（粒径分布、化学组成及其可能的气态前体物）排放特征，建立船舶污染物排放特征谱。预期结果将更新船舶污染物排放清单，并为制定船舶污染物控制政策提供依据。

本项目选择10艘典型货运船舶，开展了登船测试、样品采集与系统性分析研究。获得了典型货运船舶排放气态污染物和颗粒态污染物的排放因子和排放强度；表征气态和颗粒态污染物关键组分及其排放特征，建立船舶污染物排放特征谱；分析了不同粒径颗粒物碳质气溶胶中较难挥发有机化学组分，提升了对船舶烟气环境和健康影响的科学认知。. 船舶发动机转速的差异决定了发动机气缸内的实际燃烧条件（燃烧效率、烟气温度和过氧系数），而燃烧过程驱动污染物的形成与排放。发动机在中等转速下燃烧效率最高，NOx排放强度最大，CO和VOCs排放强度最小；颗粒物排放因子随发动机转速增加而增加，高温缺氧的条件有利于颗粒物中碳烟的形成。船舶VOCs排放强度随发动机转速先减少后增加，其与燃烧效率密切相关。VOCs的主要组分为烯烃和芳香烃，两者对臭氧生成潜势（OFP）贡献率分别为15%–73%和24%–83%。船舶排放的VOCs产生O3和SOA的潜力大于道路车辆，其平均值分别为道路柴油车的2.3和2.6倍。. 燃烧重型燃料油（HFO）和柴油（DO）时烟气中PM数浓度及粒径均呈现出双峰分布，峰值分别位于20 nm和100 nm。船舶燃烧HFO和DO排放的PM2.5均以碳质组分为主（>85%），无机组分含量较少。HFO中含有较高比例的芳香烃化合物，其排放的16 PAHs为DO排放的4.6倍。进一步基于生物毒性效应的分析发现，HFO和DO排放PM样品的生物毒性效应均与PM样品BaPeq显著相关。HFO PM2.5的氧化应激效应（3.06 ± 1.28 μg/mL）和细胞毒性（39.6 ± 18.3 μg/mL）分别为DO PM2.5样品的2.1倍和的2.5倍。其中HFO PM2.5的细胞毒性和氧化应激效应分别为上海市轻度污染天PM2.5的8.7和5.3倍，由此表明船舶排放的PM2.5具有很强的毒性效应。因而加强对船舶排放PM2.5控制势在必行，可以通过控制油品质量来改善空气质量。. 本项目顺利完成，研究成果形成1件国家交通运输部的行业标准，形成授权专利5件。发表SCI论文12篇，包括Environ. Sci. Tech.、Environ. Sci. Tech. Let.、Atmos. Chem. Phys.、J Geophys. Res.。此外获得博士学位2人，获得硕士学位2人。