船舶柴油机排气状况及污染物治理探讨

刘鸿锋 徐 灏 陈瑶姬 季经伟

（浙江天地环保科技有限公司浙江杭州310003）

船舶柴油机排气状况及污染物治理探讨

刘鸿锋 徐 灏 陈瑶姬 季经伟

（浙江天地环保科技有限公司浙江杭州310003）

本文收集了船用柴油机排放现状以及国内外关于船舶排放标准，并对国内外排放标准进行了对比分析。针对某万吨级货船，在其柴油发动机不同转速下，对柴油机排气进行了测试，结果显示柴油发动机尾气中NOX和PM排放浓度较高。分析了船舶柴油机中SOX、NOX和PM三大污染物的生成机理，并就其控制技术分别进行了研讨。

船舶柴油机；排气；污染物治理

1 前言

据统计，全球80%的国际贸易都是通过船舶来运输完成的，柴油发动机是全球船舶的推进动力及电力的主要来源。中国是一个造船大国，同时也是一个内河航运资源比较丰富的国家，拥有大、小天然河流5800多条，河流总长43×104km，其中流域面积在1000km2以上的有80多条。船舶的柴油消耗量约占非道路用途柴油的15%。柴油机排气中的有害成分有CO、HC、NOX、CO2、SOX及颗粒物（PM）。根据中国环境科学研究院正在开展的《船舶和港口空气污染防治研究项目》的初步研究成果，内河船舶排入大气的污染物（仅估算柴油机船舶部分），NOx排放81×104t/a，PM排放6.6×104t/a，SOX排放约10×104t/a。船舶排放的NOX和PM占整个非道路移动源的大气污染分担率分别为13.32%和17.63%[1]。

目前，我国对大气环境污染日益重视，并在《大气污染防治行动计划》中明确提出了船舶污染防治的要求，开展船舶大气污染物排放控制技术的研究变得尤为重要。“选择性催化还原法（SCR）船用低速柴油机尾气氮氧化物(NOx)净化装置”以及“大功率柴油机接触氧化还原法（SCR）脱硝装备”已被列入“国家鼓励发展的重大环保技术装备目录（2014年版）”（工信部联节[2014]573号）。

2 国内外标准分析

2.1 国外标准

国际海事组织（IMO）于1997年通过了MARPOL73/78公约附则Ⅵ——防止船舶造成大气污染规则，该规则已于2005年5月19日正式生效。2008年10月，在MEPC58次会议上又讨论通过了附则Ⅵ的修正案，该修正案对船舶NOX和SOX的排放提出了严格要求。

MARPOL73/78公约附则Ⅵ中明确了氮氧化物排放限值的三个阶段，即TierI、TierII和TierIII。各阶段排放限值情况见图1。其中，横坐标为船用柴油发动机的转速（单位：rpm），纵坐标为发动机NOX排放量（单位：g/kW·h）。

图1 MARPOL73/78公约附则Ⅵ对NOX排放要求

限制船用柴油机排放的国际海事组织TierII标准于2011年1月起开始实施，要求氮氧化物排放量比Tier I阶段降低约20%；Tier III标准于2016年实施，要求氮氧化物排放量比Tier I阶段降低约80%。面对已经生效的Tier III排放法规，各国船用柴油机制造商都在积极开展研究工作并制定应对措施。

MARPOL73/78公约附则Ⅵ中对于SOX按照控制区域范围、实施时间进行分类控制，总体趋势是越来越严格，具体要求见表1。

表1 MARPOL73/78公约附则Ⅵ对SOX排放要求

2.2 国内标准

由国家环保部科技标准司组织制定了《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》（二次征求意见稿）。标准规定了船舶装用的压燃式发动机及气体燃料（如：天然气）点燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法。适用于内河船、沿海船、江海直达船和海峡[渡]船装用的额定净功率大于37kW的第1类和第2类船机（包括主机和辅机）的型式核准、生产一致性检查和耐久性要求。

该标准中对CO、HC、NOX和PM的要求分别见表2、表3。

表2 船机排气污染物第一阶段排放限值

表3 船机排气污染物第二阶段排放限值

其中，第一阶段自2017年1月1日起执行，第二阶段自2020年1月1日起执行。执行日期之后12个月起，所有销售、进口和投入使用的船机（含作为配件的船机），其排气污染物排放应符合本标准要求。凡不满足本标准相应阶段要求的船机不得销售、进口和投入使用。

2016年3月30日，浙江省政府办公厅印发《浙江省船舶排放控制区实施方案》，宣布2016年4月1日起，船舶到控制区图十个港区靠岸停泊期间（靠港后的1h和离港前的1h除外）应使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。鼓励船舶在靠岸停泊期间使用硫含量≤0.1%m/m的燃油，鼓励船舶进入排放控制区期间使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。

1.3 国内外标准对比分析

国内标准控制的内河船机，除了要控制NOX，还要控制CO、HC和PM，控制要求比IMO TierII项目多，从NOX限值看，单缸排量小于20L的船机，国内标准的控制要求比IMO TierII严格；单缸排量大于20L小于30L的船机，国内标准的控制要求和IMO TierII的要求大致相当。IMO TierII排放水平与国内标准要求的比较见表4。

表4 IMO TierII排放水平与国内标准的要求的比较

3 船舶柴油机排放测试

3.1 船舶基础资料

为了解目前大功率低速船舶柴油机排放情况，以某货船为研究目标，对其柴油发动机排气情况进行实测。该船总吨位33147t，净吨位18562t，结构吃水时的载重量为56772.7t，满载排水量68268.4t，空载排水量11495.7t。主发动机为沪东重机有限公司生产的MAN B&W 6S50MC-C8型号发动机一台，额定功率9960kW，额定转数127r/min，6缸，缸径500mm，冲程2000mm。燃料采用F0重柴油，燃油含硫量不大于0.504%。

3.2 测试仪器和测试点位置

表5 相关测试仪器

图2 主烟道以及测试点位置示意图

共设置了A、B两处测试点，测试点A位于船舶最上层烟囱一侧，在该处用崂应3012H对主排气管道出口处烟气情况进行检测；测试点B位于主柴油机排气总管温度计螺口处，在该处德图、热电偶对柴油机排气口处烟气情况进行检测。主烟道及测试点位置示意图如图2。

3.3 测试结果

在船舶稳定前进工况下，其柴油发动机尾气排放测试结果具体见表6。

表6 测试结果汇总表

从测试数据可以看出，该船舶烟气污染物排放量大，其中在柴油机80%额定转速工况下，排放较大的主要污染物为NOx、SO2、PM，其平均排放量分别为：19.05g/kW·h、5.06g/kW·h和200mg/Nm3，其中NOx排放高于Tier I标准所限定的排放值；在90%额定转速工况下，PM排放急剧增加，污染严重。

由于该船发动机功率和单杠容量都超过了国内标准管理范畴，因此参考国际标准IMO TierIII的要求，即NOx排放应小于3.4 g/kW·h，则船舶柴油发动机的脱硝效率不低于82.2%。

4 船舶柴油机排气污染物治理措施

根据对船舶柴油发动机进行排气测试，发现其尾气中主要污染物为SOx、NOx、和PM。对这三种污染的治理技术和脱除措施分析如下[2][3][4][5][6]：

4.1 SOx脱除

SOx的排放水平完全取决于燃料中硫的含量。因此，通过在发动机内采取措施对SOX的排放起不到任何作用。对SOx排放的控制主要分为前处理和后处理两个途径，其中前处理就是通过化学方法降低燃油的含硫量，后处理技术途径就是通过尾气后处理装置。

在后处理技术控制SOx排放方式中，SOx洗涤器技术被认为是最有效的方法之一。SOx洗涤技术主要分为两种：干式洗涤和湿式洗涤。干式洗涤一般采用生石灰或熟石灰作为SOX的吸收剂，湿式洗涤是指使用海水或处理过的淡水作为吸收剂去除排气中的SOx。湿式洗涤的脱硫效率普遍高于干式洗涤，如采用湿式洗涤，船舶燃用3%含硫的燃油也可以达到相关标准的要求。因此对于船舶柴油机排气中SOx推荐采用湿式洗涤技术。

4.2 NOX脱除

船舶柴油机中生成的NOX主要来源是空气中的氮气，而影响其生成的因素主要是燃烧温度、燃烧时间及燃油与空气的预混合程度。要控制NOX的排放，可以从其生成机理和性质两个方面进行，可分为机内燃烧控制和机外排气净化。

机内燃烧控制技术是指在可燃混合气体燃烧之前采取的降低污染物排放的措施，主要包括直接喷水法（DWI）、废气再循环（EGR）、增压中冷技术、湿空气动力系统（HAM）、水乳化燃料（FWE）、液化天然气（LNG）、燃油电喷技术（FAI）、集成排气歧管（IEM）等。机外排气净化技术是在机内控制的基础上为了进一步降低排放量采取的措施，包括选择性催化还原技术(SCR)、废气洗涤法等。各种减排技术的潜力对比见图3。

图3 船舶主要的NOX减排技术及减排潜力

根据国外权威柴油机厂商研究，依据目前的技术水平和状况，仅仅凭借直接喷水法（DWI）、增压中冷等机内净化技术已很难满足MARPOL公约附则Ⅵ的要求，机外控制技术的应用已成为必然趋势。SCR作为排气后处理技术在工业中已广泛应用，可有效去除NOX高达90%，是目前降低NOX排放的最有效方法，也是为数不多能够使船舶柴油机满足MARPOL公约附则Ⅵ中TierⅢ排放标准的减排技术。考虑到日益严格的环保标准，建议采用SCR技术对船舶柴油机排气中NOX进行高效脱除。

4.3 PM脱除

柴油机排放的PM组成较为复杂，但主要因素有燃油不完全燃烧产生的微小碳烟、润滑油组分不充分燃烧、燃油和气缸润滑油中的灰分含量、燃油中未燃烧部分、燃烧产物以及润滑油中的硫酸盐和水分。船舶排放的颗粒物多数都小于10μm，能够进入人体肺部的深处且对人体健康造成伤害。燃油乳化和颗粒捕集器技术是目前降低柴油机PM排放的主要技术。

燃油乳化是将燃油掺水形成乳化油在柴油机中进行燃烧，乳化油喷入气缸后，一方面由于水的比热容较大，降低了缸内燃烧温度，抑制了NOX的生产。另一方面，雾化的燃油喷入气缸后，形成了油包水的油水乳化液。微爆效应使油和水获得了二次雾化、扩散和均化，燃料油在空气中分布更加均匀，空气利用率高。因此，发动机的PM排放也得到了有效降低。国外研究表明，使用含水量40%的乳化油，可同时降低30%的NOX排放和80%的PM排放。

颗粒捕集器安装在柴油机排气系统中，通过过滤来降低排气中PM排放。其捕集效率主要受到过滤体结构参数、柴油机运行工况、柴油机运行时间等因素影响。随着过滤体内颗粒不断积累，排气背压升高，发动机性能恶化，所以必须适时清除过滤体中沉积的颗粒，使排气阻力恢复到或接近原来的水平，即实现过滤体的再生。

5 结语

（1）船舶柴油机排气中有大量污染物，随着国内外航运业的发展，船舶柴油机排气污染物治理显得非常重要。（2）针对某万吨级货船的柴油发动机排气污染物进行了测试，结果显示排气中的NOX和PM排放较高，污染严重。（3）通过对船舶柴油机中SOX、NOX和PM三大污染物的生成机理进行分析，分别提出了相应的控制措施。

[1]船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）标准编制组.船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）:（二次征求意见稿）编制说明.

[2]杨极,程钊.柴油发动机尾气排放后处理技术的研究进展[J].内燃机,2007,(4):45-48.

[3]赵明哲,张跃文,仉大志,等.SCR技术在船舶柴油机上的应用[J].船舶工程,2013,(1):51-54，67.

[4]吴金源,董以敏.船用大功率柴油机排放净化和控制[J].铁道机车车辆,2003,(23):105-108.

[5]庞海龙,邓成林,姚广涛,等.船用柴油机有害物排放控制技术[J].船舶工程,2011,(33):21-24,32.

[6]周松,肖友洪,朱元清.内燃机排放与污染控制[M].北京:北京航空航天大学出版社.

刘鸿锋（1988—），男，浙江温岭人，助理工程师，从事烟气环保工艺设计与研发工作。

徐灏（1978—），男，河南安阳人，高级工程师，从事环保设计与新技术研发工作。

陈瑶姬（1984—），女，浙江玉环人，工程师，从事环保设计和新技术研发工作。

季经伟（1991—），男，助理工程师，从事环保项目管理与技术研发工作。