船舶柴油机NOx排放控制探析

2015-05-30王兆省周广丰

科技创新与应用 2015年36期

王兆省　周广丰

摘要：20世纪70年代以来，船舶柴油机的排放对环境的影响日益引起各国的重视，许多国家和地区通过立法的形式规定了船舶柴油机的排放限额。国际海事组织（IMO）多次召开会议，就船用燃油质量、主机机型设计和排放要求展开探讨。随着MARPOL公约附则Ⅵ第二阶段和第三阶段的到来，对船舶排放的要求更加严格。文章从技术方面就降低NOx的排放进行探讨。

关键词：船用柴油机；MARPOL；NOx排放

随着国际贸易的发展，船舶航运在经济发展中发挥着越来越重要的作用。在驱动经济发展的同时，自身也面临着能源与环境的问题。地球上化石燃料储存有限，而能源需求量却在逐年增加，资源面临着枯竭的危险。与此同时，环境污染日趋严重，极大地制约了经济的发展，影响人们的身体健康，甚至危及人类的生存。船舶对环境所造成的污染主要来自柴油机排放造成的大气污染。

限制船舶污染物的排放已成为国际社会的共识。1997年，国际海事组织（IMO）制定并通过了MARPOL73/78公约的新增附则Ⅵ《防止船舶造成大气污染规则》，对船舶主机的排放提出严格的要求。MARPOL73/78公约附则Ⅵ适用于400总吨及以上航行于缔约国海域的船舶，以及航行于缔约国所属或所管辖水域的平台和钻井平台。

对安装在2000年1月1日及以后的船舶上的柴油机或经重大改装的、输出功率超过130KW的柴油机，附则Ⅵ规定了NOx的排放上限，表1是IMO对NOx排放的要求。

据统计，船用柴油机每年向大气中排放的NOx达到650万吨，超过了SOx（600万吨）。预计到2020年，NOx的排放量将增长47%。船舶所造成的大气污染，特别是距海岸400km以内的近海地区尤为严重。减少柴油机的有害排放已刻不容缓。

NOx是柴油机废气的主要成分之一，其中90%的是NO，少量是NO2。

NOx是形成酸雨、酸雾的主要原因之一，是光化学烟雾的罪魁祸首，对人体的呼吸系统有毒害作用。限制氮氧化物的排放已成为各国环保部门的共识。为了减少NOx的排放，根柴油机的工作过程，可以从机前处理、机内处理和后处理三个方面进。

1 机前处理——乳化燃油技术

燃油乳化是将燃油掺水形成乳化油在柴油机中进行燃烧。乳化燃油有油中水滴型（W/O）和水中油滴型（O/W）两种。考虑到对柴油机的可靠性和寿命的影响，通常采用W/O型乳化油。

当向柴油机喷入乳化油时，乳化油中的水分蒸发使得燃油温度下降，从而降低NOx的排放。另一方面，乳化油喷入气缸燃烧室后，在超声波和热场的作用下，油滴内部温度和压力急剧升高并发生爆炸，从而使乳化油破碎成更小的油滴。通常情况下增加1%的水将减少1%的NOx。

2 机内处理

2.1 直接喷水技术

该技术是把水和燃油以一定的比例先后喷入缸内，在燃烧的过程中通过水分蒸发带走大量热量以降低燃烧室峰值温度从而降低NOx的排放。在发动机的各缸盖上装有相互独立的燃油和水喷射阀，喷水系统可以随时切断。

此方法可以降低50%-60%的NOx排放，水油的最大比例为50%，超过此比例后，燃油消耗量将增大，NOx的降低则不明显。

2.2 两级燃烧方式

为减少NOx的排放，应在保证柴油机热效率的前提下，降低燃烧的最高温度，缩短滞燃期。为此可以采用两级燃烧的方式，它将燃烧过程分为两个阶段。在压缩接近上止点的时候，少部分燃油着火燃烧，到活塞接近上止点时，为第一个阶段。此阶段产生热量较少，压力上升平缓。活塞离开上止点后，燃烧室的温度和压力迅速提高，其余燃料快速燃烧，反应速度加快，缓燃期和后燃期大大缩短，提高了热效率，同时由于最高爆发压力降低，使得燃烧较为平缓，增强了柴油机的可靠性。

2.3 推迟喷油定时

喷油定时包含着确定喷油始点和喷油终点的时刻，就其内容而言，我们研究的是喷油的早晚以及持续时间问题。喷油定时对柴油机排放的影响，主要是通过滞燃期的长短起作用。滞燃期长，预混合燃油所占比例就大，NOx排放量就高。研究表明，推迟喷油定时是降低柴油机NOx排放浓度的简单而有效地措施。当喷油定时比对应于最短滞燃期的定时还晚时，NOx排放量将继续降低，但过分推迟喷油定时会导致柴油机的后燃严重，排烟增加，降低了柴油机的热效率，是不可取的。为降低NOx的生成量，应尽可能保证在柴油机具有较高热效率的前提下，降低燃烧的最高温度，缩短滞燃期。

2.4 采用高压共轨喷射

传统的机械式燃油喷射系统的柴油机，为提高经济性，通常采用增大喷油提前角的方法，为了降低NOx的排放，又要求减小喷油提前角。由于机械结构的限制，往往很难同时满足这两个要求。使用高压共轨喷射系统，可以根据工况对喷油定时和供油量精确控制，可以显著提高柴油机的经济性，同时又降低了NOx的排放。

2.5 废气再循环（EGR）

使部分废气再次进入气缸参与循环。由于氧浓度的降低和热容量的增加，可以获得较低的燃烧温度和较低的NOx排放。参与循环的废气量比例为10%-20%，可使得NOx的排放降低30%-40%。

由于废气中含有未燃烧的HC化合物，炭烟颗粒和灰尘，会对增压器和气缸造成损害。这种方法更适合中小型柴油机，而对于燃用重油的船用柴油机，废气中的颗粒和油烟会更多，在船用领域有待于进一步研究。

3 机后处理

3.1 催化还原SCR

使用机内净化或者前处理方法仍然不能满足排放要求，就需要采取排气后处理的措施。其中广泛使用的是选择性催化还原法（SCR）。在SCR反应器中，使废气通过无水液氨或氨水溶液以及装有催化剂的反应器（选择性催化还原法使用的还原剂，主要以氧化钛为载体，以五氧化钒、氧化铝为活性成分），在350-450℃下NOx被还原成N2和H2O，发生如下反应：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

在SCR装置中，应首先使废气通过颗粒捕集器，以防粉尘对装置的影响，同时也降低了柴油机PM的排放。采用此方法，可降低95%的NOx排放。但由于SCR装置尺寸大，运行成本高，在柴油机工况变化时，难以准确控制氨的供给量，使得柴油机的经济性受到影响。

3.2 水箱洗涤法

水洗法常用的一种废气后处理方法，可以净化NOx和微粒以及其他废气，同时可有效地降低排烟温度，减轻噪音。

水洗箱中的洗涤液一般是加入洗涤剂的溶液，使用10%的硫酸钠溶液，可以吸收25%的NOx，使用20%的硫酸亚铁溶液可使NOx的排放降低40%。在水中加入适量尿素，可以显著提高NOx的吸收率。

在柴油机动力设备通常使用隔板式水洗箱，它主要由扩散室、喷气管、隔板和排气室组成，如图3所示。柴油机的废气经过扩散室后缓慢进入水中。由于隔板的阻挡作用废气和水溶液及水蒸气有足够长的时间相互作用，从而达到有害气体充分过滤的目的。

4 结束语

综上所述，影响柴油机NOx排放的因素很多，单纯使用一种技术降低船用柴油机的排放已无法满足严格的排放法规的要求，需要采取综合措施，对船舶的燃油系统、燃烧系统和排放系统进行全面设计，在满足排放标准的同时，又能改善柴油机的性能指标。

（1）使用乳化燃油，喷油持续时间延长，燃烧最高爆发压力增加，NOx的排放减少，燃油的消耗减少，排烟温度会减低，但是排烟中颗粒物数量会增加，淡水消耗量也将增加。（2）提高喷油压力，推迟喷油定时，改善增压器的效率和进气压缩比可以有效减少NOx的排放。（3）选择性催化还原法（SCR）可除去大部分的NOx，但设备投资和运行的费用较高；体积庞大，废气处理后的产物需要专门的空间储存空间，船舶到港后交岸上处理，使船舶运行的经济性受到影响。

参考文献

[1]国际海事组织.防止船舶造成大气污染规则[S].2002.

[2]李斌.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2008：132-142.

[3]万霖，何凌燕，等.船舶大气污染排放的研究进展[J].环境科学与技术，2013，36（5）：57-62.

[4]刘文斌，王逸英，等.浅谈船舶NOx排放的控制[J].科技创新，2012，6：51.

[5]李斌.LNG作为船舶代用燃料的应用分析[J].世界海运，2012，199：14-16.

[6]赵浩杰，等.柴油机排放控制的进展[J].指挥技术学院学报，2001，12（6）：48-52.

[7]苏贵斌.柴油机两级燃烧方式新观点-两级燃烧方式[J].柴油机，1997（1）：42-43.

[8]高海洋，曹惠玲，等.柴油机预混合燃烧技术[J].车用发动机，2001（3）：1-5.

[9]冯明志.船舶柴油机减排新趋势与技术进展[J].上海造船，2009（4）：34-41.

[10]黄加亮，李品芳，等.船舶柴油机有害排放对大气环境的影响及减轻措施[J].1999，20（6）：20-24.

[11]胡以怀.船舶柴油机振动、噪声及废气排放[M].大连：大连海事大学出版社，2011：149-200.