船舶柴油机废气排放控制技术

2013-08-20曼恩机械有限公司上海分公司杨永东

世界海运 2013年3期

曼恩机械有限公司上海分公司杨永东

一、MARPOL公约附则VI的形成与发展

IMO在制定1973年防污公约（MARPOL 1973）时，对控制船舶污染空气（尤其是排气中的有毒气体）的议题进行了讨论，但未将有关空气污染的规则纳入公约。1973年公约只包括5个技术附则。

1979年，在联合国欧洲经济委员会的环境部长会议上，通过了《长距离越境空气污染公约》（Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution，LRTAP），以处理欧洲和北美的酸雨问题，公约主要规定了为防止各加盟国越境大气污染的最佳对策，防止硫等物质排放的技术，促进酸雨影响的研究与开发，实施国际合作和检测等。

在MORPOL73/78公约于1983年生效后，IMO海洋环境保护委员会（MEPC）开始讨论防止船舶污染空气的规则，并先后通过了防污公约《减少硫排放物议定书》（1985）、《控制氮氧化物排放议定书》（1988）、《控制挥发性有机化合物排放议定书》（1991）和《进一步减少硫排放物议定书》（1994）。

1988年，挪威递交了关于空气污染问题的文书，MEPC同意将该议题纳入工作日程。在1989年3月召开的海环会会议上，多国提交了关于防止船舶污染空气的文书，MEPC决定自1990年起将空气污染议题列入其长期工作议程。1990年挪威向MEPC提交了系列关于船舶排放硫、氮氧化物以及氯氟烃（CFCs）和哈龙（Halons）的研究报告。在MEPC的努力下，1991年IMO大会通过了关于防止船舶污染空气的A.719（17）号决议。决议要求MEPC起草一个关于防止船舶污染空气的MARPOL73/78新附则。新的附则草案经过6年的准备，IMO于1997年9月通过MARPOL73/78公约1997年议定书，为防污公约新增了一个附则VI，标题为“防止船舶造成空气污染规则”。1997年议定书于2005年5月生效。

新的附则VI设定了船上硫氧化物、氮氧化物的排放限制，并禁止蓄意排放破坏臭氧层的物质。该附则设定了一个4.5%m/m的全球燃油硫含量上限，并呼吁IMO监控世界范围内的平均燃油硫含量。

1997年议定书生效后，MEPC考虑到当时的技术可行性和进一步降低排放的需要，先后于2005年7月召开的第53届会议和2008年10月召开的第58届会议上通过了附则VI和NOx技术规则的修正案。2008年修正案于2010年7月1日生效。

二、MARPOL公约附则VI关于氮氧化物排放和燃油硫含量的规定

2011年1月1日生效的关于控制氮氧化物排放的具体内容可以用图1来表示，即在全球海域范围之内，2011年1月1日之前装船使用的二冲程低速柴油机NOx排放限值为17.7 g/kWh（Tier I）；2011年1月1日以后铺龙骨的船上使用的二冲程低速柴油机需要减少到14.4 g/kWh（Tier II）；2016年1月1日及以后新造的船舶，在特定的排放控制区域，NOx的排放要在Tier I的基础上减少80%（Tier III），在其他区域还是执行Tier II的排放规则。

图1同时给出了MARPOL73/78公约附则VI关于燃油含硫量的要求，从图中可以看出，到2020年全球海域内船舶使用的重油含硫量不得超过0.5%，在SECA区域，自2016年起硫含量不得超过0.1%，在加州海岸2012年1月已经实施了燃油含硫量不超过0.1%的规则。

三、控制船舶柴油机废气排放的方法

图1 控制氮氧化物排放的具体内容

就船用低速机市场占主导地位的MAN B&W来说，目前有两种比较成熟的方案来控制NOx排放，分别是废气再循环技术（Exhaust Gas Recirculation，EGR）和选择性催化还原理技术（Selective Catalyst Reduction，SCR）。对于SOx的控制，有两种不同的解决方案，一是在船舶上加装Scrubber （洗涤塔），或者直接燃烧满足要求的低硫油，以达到排放的要求。

图2 EGR装置在柴油机上的安装位置和废气再循环路径

1.废气再循环技术

EGR装置在柴油机上的安装位置和废气再循环路径可以大致用图2表示。

废气再循环技术的主要思路是将柴油机产生废气的一小部分再送回到汽缸，用排气中的CO2代替扫气空气中一部分氧气，由于CO2的比热比氧气大，可以降低燃烧室中的最高温度。同时，再循环废气由于具有惰性，会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢，最终达到减少NOx生成量的效果（NOx在高温富氧的环境下产生），从而实现了发动机排放水平的提升。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量减少，因此废气排放中总的污染物输出量也会相对减少。

EGR系统的关键就是控制废气的引入量，使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况。如果废气的引入量过多，造成氧气量不足，会导致柴油机燃烧状况不佳；如果废气引入量不足，就达不到减少氮氧化物的目的。因此，一个看似简单的过程其实并不简单，图2中的EGR Valve必须有精确的控制技术才能达到相应的效果。EGR技术通过稀释汽缸的氧气，同时配合燃油电喷技术，改善燃油喷射效果，使燃烧过程更加平稳，减少柴油机粗暴燃烧。

但是，单独采用EGR技术并不能达到降低废气排放的目的，还必须配合中冷技术（图2中的水处理系统）一起使用。发动机的排气温度非常高，一般能到达300～400 ℃，如此高温的气体引入对发动机性能会造成极大损害，中冷技术正是为解决这个问题而生。实验证明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降10 ℃，发动机功率就能提高3%～5%。油耗也因此会相应下降。

EGR技术代表了Tier III研发的里程碑，它的出现使现有船用发动机满足自2016年起开始实施的排放控制区域排放标准，同时，EGR也不会显著改变发动机的性能。

在图2中，还有一个洗涤塔装置，根据实验结果，在柴油机运行在75%额定负荷情况下，该洗涤塔可以降低排放废气中70%～80%的颗粒物，洗涤塔中的过滤装置还可以减少90%～98%的SO2，从而保证了进入扫气空气中的废气的惰性，防止SO2重新进入汽缸产生腐蚀。

第一条装配MAN公司研发的EGR装置的船舶主机6S80ME-C9将于2013年第一季度交付开始投入运营，MAN公司将在未来三年进行跟踪研究和服务。这台主机每年将有20%的时间进行Tier III模式运行。

现在设计的新型柴油机已经可以将EGR设计成柴油机的一部分，而不需要单独配置另外一个系统。所以，对于新建造的船舶，如果选用集成EGR系统的柴油机，对于满足新规范的要求是没有任何问题的。

2.选择性催化还原技术

选择性催化还原装置及其工作原理见图3。

图3 选择性催化还原装置及其工作原理

SCR已经被广泛应用于陆地火力发电厂，而且技术相当成熟，以NH3基为还原剂的SCR技术，能去除柴油机尾气中的绝大多数NOx和部分HC。由于尿素比液氨或氨水更便于运输和存储，安全性也好，因此船用柴油机的SCR技术一般以尿素为还原剂。

但是在船用发动机低负荷运行的时候还有一些技术性的挑战需要解决。通常情况下，柴油机在20%～40%负荷下，废气排温低于300 ℃，而SCR要求的工作温度在300 ℃以上。

如何解决船用柴油机在低负荷时的排气温度是让SCR能满足船舶使用的关键问题，目前通常的做法是旁通部分扫气，通过减少进入汽缸的扫气量来增加排气温度。根据实验结果，在柴油机运行于25%负荷时，可以通过旁通部分扫气将废气温度从258 ℃提高到330 ℃。此时相应的油耗会提高3 g/kWh左右，但还是远远低于IMO规定的5.1 g/kWh。

通过采用高压SCR技术，可以完全满足Tier III排放技术要求，同时，SCR装置的体积也减小很多，不需要太多的催化剂和催化反应空间。MAN的电喷ME主机的ECS控制系统，可以完全集成整个SCR的控制，包括在柴油机低负荷情况下自动旁通部分扫气，以达到SCR装置最佳工作的要求。