海洋漁船尾氣監(jiān)測(cè)與處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究

引 言

近年來(lái)，我國(guó)沿海城市霧霾天數(shù)有所增多，除常規(guī)大氣污染外，沿海漁船尾氣排放污染較為嚴(yán)重也是其中原因之一。農(nóng)辦漁〔2017〕25 號(hào)《農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于做好 2017 年漁業(yè)節(jié)能減排項(xiàng)目實(shí)施工作的通知》文件指出漁船節(jié)能減排，開(kāi)展?jié)O船水污染物排放調(diào)查，完成機(jī)動(dòng)漁船廢氣排放情況摸底調(diào)查，分析評(píng)價(jià)漁船排放尾氣污染物含量，形成全國(guó)漁船廢氣排放綜合調(diào)查報(bào)告，提出漁船廢氣排放污染大氣防治方案建議。從中可以看出，我國(guó)對(duì)漁業(yè)船舶尾氣處理已越來(lái)越重視，相關(guān)尾氣監(jiān)測(cè)及處理需要一套更加完善和實(shí)用的解決方案。

由于漁船遠(yuǎn)離陸地工作，尾氣處理及監(jiān)測(cè)工作難以實(shí)時(shí)進(jìn)行，針對(duì)此現(xiàn)狀，為了使?jié)O船減排既達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，又能有效監(jiān)測(cè)，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的漁船尾氣處理及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案。此系統(tǒng)對(duì)漁船尾氣各項(xiàng)指標(biāo)采用采集、處理、再采集的方式來(lái)達(dá)到減排、存儲(chǔ)發(fā)送處理前及處理后相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，靠岸后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綕O船尾氣監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

1 設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)有海洋漁船尾氣監(jiān)測(cè)一般有實(shí)驗(yàn)室尾氣比對(duì)分析、室外遙感監(jiān)測(cè)和船載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)尾氣對(duì)比分析檢測(cè)不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且室外遙感監(jiān)測(cè)又對(duì)交通狀況和安置地點(diǎn)有苛刻要求，所以本方案主要針對(duì)船載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，其實(shí)際可操作性更強(qiáng)。對(duì)當(dāng)前漁船尾氣分析如下 ：

以普通漁船為例，其尾氣排放路徑較為繁瑣，一般尾氣需經(jīng)過(guò)排氣總管、增壓前后及廢氣爐前后，在尾氣經(jīng)過(guò)不同環(huán)節(jié)時(shí)，廢氣溫度有所不同，一般從 500 ℃逐漸降低到300 ℃左右。這樣的尾氣采集及監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)采集數(shù)據(jù)結(jié)果有一定影響。由于漁船在海中作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生搖晃、振動(dòng)及噪聲， 不可避免地對(duì)船舶采油機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)等不良影響，同時(shí)振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器也有一定影響，影響其采集精度。這就要求在設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)的過(guò)程中要考慮到船舶的實(shí)際工作場(chǎng)景，盡量減少振動(dòng)及噪聲帶來(lái)的影響。監(jiān)測(cè)指標(biāo)多樣化，如船舶尾氣主要排放物有氮氧化合物、硫氧化合物和碳煙，還有部分一氧化碳、二氧化碳等。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)氮氧化合物和硫氧化合物進(jìn)行排量限制，并逐年限制，更加嚴(yán)格。

2 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)綜合考慮漁船工作實(shí)際場(chǎng)景的相關(guān)因素，在設(shè)計(jì)中充分考慮對(duì)相關(guān)重要指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并將溫度等相關(guān)作業(yè)參數(shù)考慮到處理補(bǔ)償當(dāng)中，尤其要關(guān)注漁船實(shí)際工作環(huán)境中振動(dòng)及噪聲對(duì)采集數(shù)據(jù)及儀器設(shè)備的影響，從外部設(shè)計(jì)及算法中進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。本設(shè)計(jì)方案對(duì)經(jīng)廢氣爐后所排放尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)及處理，在設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了感知、處理和反饋等裝置。尾氣處理架構(gòu)圖如圖 1 所示。

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求，采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行控制、處理及數(shù)據(jù)傳輸。尾氣采集過(guò)程中充分考慮對(duì)溫度等參數(shù)的影響，漁船靠岸后通過(guò)無(wú)線傳輸方式將船舶采集及處理終端存儲(chǔ)的參數(shù)發(fā)送至云服務(wù)器端。根據(jù)前后端采集數(shù)據(jù)參數(shù)，采用智能控制算法來(lái)控制尾氣的處理。尾氣采集節(jié)點(diǎn)與采集及處理終端使用有線的物聯(lián)網(wǎng)連接方式，而采集及處理終端與尾氣數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)云端服務(wù)器采用 ZigBee+ 以太網(wǎng)的連接方式。

對(duì)于尾氣處理，常用的脫硫技術(shù)有石膏法煙氣脫硫、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法煙氣脫硫和海水脫硫等，常用的脫硝技術(shù)有選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法等?？紤]漁船實(shí)際空間大小等因素，將采用一體化的尾氣處理裝置，同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析進(jìn)行精準(zhǔn)控制，減少尾氣處理中的資源浪費(fèi)。在處理機(jī)制中，引入人工智能算法，使控制及處理更加智能化和精準(zhǔn)化。

在尾氣采集及處理終端硬件設(shè)計(jì)中，采集節(jié)點(diǎn)時(shí)要充分考慮高溫下采集的實(shí)際工作環(huán)境，采集及控制終端的振動(dòng)、高溫、潮濕等環(huán)境因素，也要考慮靠岸后的數(shù)據(jù)傳輸，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)形式將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器端。硬件初步設(shè)計(jì)采用 STM32 作為核心芯片，帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能， 設(shè)計(jì)四路模擬及數(shù)字量采集，無(wú)線傳輸采用 CC2530 的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)留有其他通信擴(kuò)展接口。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以海洋環(huán)境污染急需解決的海洋漁船尾氣污染作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套海洋漁船尾氣監(jiān)測(cè)與處理的解決方案。此方案采用處理前后采集數(shù)據(jù)雙補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行尾氣處理的智能化控制，從已有相關(guān)系統(tǒng)來(lái)看，可以滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境中的監(jiān)測(cè)及處理。海洋漁船一體化尾氣監(jiān)測(cè)與處理系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于尾氣監(jiān)測(cè)與處理中，優(yōu)勢(shì)明顯，相關(guān)技術(shù)成熟， 可以更加客觀地展示漁船工作中的實(shí)際排放和處理情況，擁有廣闊的應(yīng)用前景和節(jié)能減排的實(shí)際意義。