船舶柴油机废气排放污染的控制

摘 要：本文论述了船舶柴油机废气排放污染对大气的影响，介绍了IMO（国际海事组织）对船舶柴油机排放的控制要求，以及国内外柴油机研究机构和制造公司所采取的对策。介绍了当前降低柴油机排气中SOx、和NOx排放污染的技术措施。
关键词：船舶柴油机 废气排放 排放控制 净化措施
　　“航行更安全，海洋更清洁，航行更便利”是国际海事组织和世界各国海事主管当局的工作宗旨和工作目标。《经1978年议定书修正的1973年国际防止船舶造成污染公约》是国际海事组织为保护海洋环境制定的一个非常重要的国际公约，也是目前国际上影响最大，适用范围最广泛的国际公约。该公约有效地控制了由于海难事故，操纵性排放以及人为因素造成的海洋污染，对保护海洋环境起到了非常积极的作用。
　　对船舶柴油机而言，柴油机有害的废气排放物主要为： NOx （其中NO为95%） 、SOx （其中SO2为95%， SO3为5%）、HC、CH2、C0、CO2等气体和颗粒排放物（PM）等，它们对环境造成不同程度的损害。可见，船舶柴油机的废气排放是影响全球空气质量和环境的重要因素之一。
　　为了保护我们赖以生存的地球环境，为了防止、减少和控制船舶造成的大气污染，国际海事组织（IMO）同意将挪威提出的防止船舶大气污染列为MARPOL 73/78公约的新附则。附则VI中包括大会决议2-船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则（以下简称NOx技术规则），决定“NOx技术规则”的规定应作为强制性要求；同时审议和通过了73/78MARPOL公约1997年缔约国大会决议7-船上使用过氟碳化合物的限制和决议8-船上COx的排放。
　　附则VI规定每一台安装在2000年1月1日或以后建造的船舶上，输出功率超过130kW的柴油机，以及每一台在2000年1月1日或以后经过重大改装的、输出功率超过130kW的柴油机，均应使其废气排放达到附则VI第13条（a）款的标准：柴油机额定转速n<130r/min，NOx<17.0g/ （kW·h）；柴油机额定转速130r/min《n<2000r/min时，NOx<45.0 g/ （kW·h）；柴油机额定转速n》2000r/ min时，NOx<9.8g/（kW·h）。
　　当前国内外的研究表明，为了对船用柴油机废气排放进行有效的控制，减少氮氧化物（NOx）生成基本可以分为两种途径：一是从根本上改善燃烧特性和降低燃油中的含硫量，使柴油机不产生或少产生上述有害气体。通过调整与燃油燃烧有关的各组件结构或参数的数值，降低燃烧最高温度及持续期，减少高温区的过量空气系数，从而减少NOx的生产量，达到降低排放的要求；其二是通过对柴油机排气的后处理，以降低废气直接排入大气的程度。通过排气后处理技术，分解、氧化或还原排气中的NOx，从而达到降低柴油机NOx排放量的目的。
　　下面主要讨论降低NOx和SOx的方法：
　　降低NOx的方法：
　　我们知道，船舶柴油机排气中的NOx是空气中的N2和O2在燃烧室高温条件下形成的，它取决于火焰高峰温度和高温持续时间。因此减少NOx排放最容易的方法之一是降低燃烧温度，但单纯降低燃烧温度同时意味着燃烧效率降低，燃油消耗率升高。由此或采用工况控制或采用废气后处理，甚至重新设计新机型以符合法规要求。
　　1.柴油机的燃烧控制技术1.1机内净化
　　机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，使发动机达到高效经济和低污染的要求。实践证明，通过改变发动机结构和燃烧过程等参数实现机内控制排放比采用催化剂等措施更为可取，所以改善柴油机的发火和燃烧工况，能有效地减少排气中NOx的含量。
　　（1）完善燃烧过程。
　　现在世界上船用柴油机各大主要生产厂家不断开发新技术，使燃油在气缸中的燃烧过程趋于完善，不仅减少了油耗，而且NOx排放也逐步下降。如新型MAN-B&W L-MC船用柴油机的NOx比L-GFC机型降低了1/4～1/3同时，最近又设计出一种新型低NOx喷油器，采用常规的锥形杆座和装在喷油嘴内的滑动阀，从油嘴内部实现喷孔的滑动关闭。采用这种新型喷油器可使NOx， CO和颗粒排放明显减少，其中HC可降低30%之多。如wartsila与Stock合作开发的Sw38型中速机，对燃油喷射和燃烧系统采用新的设计，喷射压力为150MPa。由于采用了新颖的燃油喷射和燃烧室设计，使废气中NOx下降50%～70%，而其油耗率仅为1788/kwh。同时wartsila26系列将压缩比提高到16，为21MPa，S/D为1。最高喷油压力为200MPao这些措施可保证该机满负荷时的油耗率低于186/ kwh， NOx排放量控制在8.0g/kwh以内。该机还设计了直接喷水系统，它可进一步使NOx排放量降低50 %。又如MAN-B&wL32/40系列中速机采用了喷油定时和排气定时分开控制的办法，使得燃油消耗率和排放都取得了较好优化，尤其是使用重油时效果更佳。而Sulzer ZASOS系列中速机首次将二冲程低速柴油机常用的液压传动气门技术应用于四冲程中速机上，通过控制气门定时改善废气排放和降低油耗率。
　　（2）推迟喷油定时和降低排气温度。NOx的生成与温度有关，通过推迟喷油，可降低最高爆发压力Pz和最高燃烧温度Tz，从而减少NOx的产生和排放。这是减少NOx排放的最为有效的措施，且不需改变发动机结构设计，对于多数机型都是适用的。但由于供油提前角减小会引起油耗率升高和碳烟的增加，而且会使燃烧循环产生波动等不良影响。在4RTA58T样机上进行试验的结果为：当推迟度曲柄转角喷油时，最高爆发压力Pz降低了1.0MPa， NOx减少了10%，但油耗率增加了3 .0/kwh。为此，必须优化压缩比和增压压力的增加量，优化进气温度和燃烧室参数，以缩短滞燃期和燃烧期。如Makila柴油机，为了提高喷油速率，喷射压力升高到190MPa，同时喷嘴数目增多而喷孔直径减少，以利于燃油雾化和分布，使得燃烧类似在等压下进行。 　　（3）燃油渗水技术。
　　掺水的方法是指向进气管或气缸喷水以及采用乳化油。由于水具有较高的比热，产生水蒸汽时要吸收大量潜热，导致燃烧最高温度Tz下降，使NOx减少。使用乳化油时，掺水量每增加10%便可使NOx排放降低约10%；而油耗率则增加10%～20%。
　　（4）废气再循环（ERG）。
　　将柴油机部分排气引入到空气进气系统，实行废气的再次循环，可以降低NOx排放。采用15%的中度ERG，可使NOx降低50%。但是此法会引起碳烟增加和有效功率Pe下降，而且再循环之前必须解决排气冷却、净化等有关问题，以免残留在经净化处理的气体中的微量硫酸侵蚀压气机和空冷器。
　　1.2废气后处理
　　后处理又称为二级处理，是对废气中已生成的NOx进行处理，减少它对地区的排放量有效的方法是选择性催化还原法（SelectiveCatalytic Redaction ），简称SCR系统。采用SCR系统既可以避免对柴油机本身结构的改变，不影响柴油机的经济性，又可以除去大量的NOx （可以达到95 % ）。此法用氨或尿素（尿素含氨，无毒，便于船上保存而且比氨价廉）作还原剂。将浓度为40%的尿素溶液喷入SCR系统，在350- 450 oC（排气温度）下，利用催化剂，氨能有选择地与NOx发生化学反应，将其中的氮分离出来成为无害的N2和水蒸汽。WartsilaVasa 6832型中速柴油机采用该系统，净化效果显著，NOx降低85%， CO和HC各降低75%。同时，New Suizer RTA-MAN-B&WS-MC和三菱重工UEC船用低速柴油机均成功地采用SCR-NOx净化装置，并在实船应用中取得满意的效果，已完全满足了IMO规定的2000年排放标准。
　　降低SOx的方法：
　　运营的船舶使用低硫燃油，或者加装排气洗涤装置或采用其他的技术方法以将SOx总排量降至6.0g/kwh，甚至更低。
　　综上所述，影响柴油机有害排放的因素很多。需要采取既能同时降低多种有害物排放又能改善柴油机其他性能指标的综合方案。
　　（1）提高喷油压力和喷油速率、延迟喷油正时、改善涡轮增压器效率、加强空气冷却和改善压缩比等控制船舶柴油机废气排放的前处理技术可以取得较为满意的效果。
　　（2）使用乳化油是最简单有效的控制废气排放的方法之一。
　　随着国家经济的发展和改革开放的深入。船舶流量逐年快速增长，对船舶的安全营运和海洋环境保护带来了巨大的威胁和挑战，资源节约型和环境友好型社会的建设对海运工作提出了更高的标准，这就要求我们航海人更要增强保护海洋环境的忧患意识。为达到“航行更安全，海洋更清洁，航行更便利”这个目标出一份力。也为海运事业的可持续发展、为我们的子孙后代打造优良环境夯实基础。
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转自土木工程网。