基于船用柴油机废气排放及净化研究

2017-06-02刘正祥张东方

珠江水运 2017年9期

刘正祥+张东方

摘要：世界各船舶设备提供商及相关研究机构针对国际海事组织（IMO）和各国制定的有关船用柴油机废气排放限定的公约和法规都加快了船用柴油机废气排放及净化措施的研究，取得了一系列理论和技术上的成功，就废气中各成分（NOX、SOX、PM等）的排放，相关公约与法规及净化技术进行了探讨，解决柴油机废气排放净化措施。

关键词：柴油机废气排放净化

1.引言

船用柴油机的废气排放物主要为：NOX、SOX、CO2等气体和颗粒排放物（PM）等，它们给环境带来不同程度的污染。随着船舶运输的快速发展，船用柴油机功率的不断提高，船用柴油机的废气排放对当前环境的污染越来越严重。可见，船用柴油机的废气排放是影响全球环境的重要因素之一。如果不及时地对船用柴油机的废气排放进行有效的控制，将对地球的生态环境造成严重的破坏。减少船用柴油机对大气环境的污染，将是船舶制造企业今后一段时间的又一主题，这就对我国的船舶工业给予了更高的要求，这也为本文的探讨提供了现实意义。

2.有关船用柴油机废气排放的有关法规及影响

2.1船用柴油机主要废气排放的有关法规

船用柴油机排放物影响大气环境的主要是NOX、SOX、CO2、PM，这也是本文探讨的主要方面，有关船用柴油机废气排放的限制主要来自两个方面：（1）国际海事组织（IMO）制定的MARPOL公约附则VI有关船用柴油机废气排放规定，（2）当船舶停泊于港口或航行于沿海地区时又要满足相对应地区的相关法规，一般而言，这些地方法规严于IMO所要求的规定。2.2NOX的排放要求

《73/78 MARPOL公约》附则VI中规定，即船用柴油机输出功率超过130kw的（应急设备、应急发电机及装置除外）且其所在船舶为2000年1月1日或以后建造或重大改装的，对NOX的排放明确规定了最高限制标准，如图1和表1。同时，IMO对于此最高限值还明确：（1）船舶在海上航行时，轮机人员用简易方法测量柴油机NOX排放量时可以有10%的误差；（2）当柴油机使用劣质燃料燃烧时可以有10%的误差；（3）当船舶在海上航行又使用劣质燃油时最大允许误差为15%。

TierI的限定标准适用于船舶建造或重大改装于2000年1月1日或以后至2011年1月1日以前其安装的船用柴油机。

TierII的限定标准适用于船舶建造或重大改装于2011年1月1日或以后其所安装的船用柴油机，并在全球实施。

TierIII规定NOX排放量的限定值约为TierI限定值的20%。其控制区尚未确定。

2.3SOX的排放限制，见表2

欧盟规定所有驶进欧盟的船舶，自2005年5月必须使用硫含量为1.5%及以下的燃油并且有欧洲固定航线的客轮应使用硫含量为1.2%及以下的燃油，所有停泊在欧洲的船舶使用硫含量为0.2%及以下的燃油且到2010年1月后必须使用低于0.1%硫含量的燃油或使用排气后处理措施达到相应的SOX排放水平。欧洲部分国家还制定了相应的排放收费标准。相比于IMO关于燃料的硫含量限制美国加州地区要求更加严格，要求在2012年所有到达加州地区的船舶所使用燃料的硫含量必须低于0.1%。

2015年12月2日，交通运输部关于印发珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案的通知，自2016年1月1日起，有条件的港口可以实施船舶靠岸停泊期间使用硫含量≤0.5%m/m的燃油等高于现行排放控制要求的措施。自2017年1月1日起，核心港口区域的船舶在靠岸停泊期间应使用硫含量≤0.5%m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制区内所有港口靠岸停泊期间都要使用硫含量≤0.5%m/m的燃油；自2019年1月1日起，船舶进入排放控制区后，必须使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。方案确定，在排放控制区内的船舶可采取连接岸电、使用清洁能源、尾气后处理等与排放控制要求等效的替代措施。

2.4CO2的排放限制

大气中CO2含量的增加形成了很严重的温室效应，从而导致全球气候变暖，南北极冰川融化，海平面上升，继而导致全球经济产生损失、人类的生存造成巨大的威胁。更为严峻的是气候变暖导致冰川融化，另外一种存在于冰川之中温室气体甲烷也会释放出来，无法控制，将会对整个人类造成灭顶之灾，这也是全球范围内控制CO2排放的原因。图2是科学家对100年内由于温室效应造成的海平面升高的预测。

3.船用柴油机废气排放限制的净化措施

根据相关防污染公约要求和柴油机废气排放的特点，控制船用柴油机排放物的重点是NOX，其次是SOX，对于颗粒排放和CO2排放的控制正在考虑之中。

3.1废气中NOX排放的净化措施

废气中NOX排放的净化措施属于船用柴油机NOX排放控制措施中排氣后处理范围，通常将它和降低发动机排放的机内燃烧控制结合起来，主要有废气再循环（EGR）、选择性催化还原法（SCR）、三效催化法（3-way cat）和NOX吸附还原催化等，且可以满足IMO有关NOX排放量限制TierIII要求。我们将主要分析比较废气再循环和催化转化法（SCR）两种更为主流的方法。3.1.1废气再循环（EGR）

废气再循环（EGR）是将船用柴油机排气管中的一部分废气（通常是10%～20%）引进柴油机的进气管，再进入气缸，进到气缸中的废气通过稀释作用减缓了NOX生成速度、降低了燃烧温度，NOX排放浓度也会有效的降低。从大量实验结果看，废气再循环技术可使NOX排放降低30%～40%。

大量试验结果证明，NOX的排放随着废气再循环量的增加而减少，但是，废气再循环量大时还会导致燃烧稳定性变差、燃烧速度降低，HC及CO排放量增加，导致颗粒污染废气涡轮及冷却器，气缸的磨损也因此增加。中高速柴油机由于使用蒸馏油产生的颗粒较少，不会引起严重的问题，而低速柴油机由于使用重油，因此产生的颗粒较多，引起的问题会比较严重，甚至启动产生困难。

通过试验表明，在将废气再循环率控制在34%～36%时（扫气空气含氧量16.5%～16.8%），可将排气的NOx排放降低至3.6～4.0g/（KW·h），如果将EGR技术与燃油乳化技术相结合，在75%负荷下，可使柴油机的NOX排放降至1.3g/（KW·h）。

3.1.2选择性催化还原法（SCR）

选择性催化还原法（SCR）是一种船用柴油机后处理废气来减少废气中NOX排放技术，其原理是将含N的一些添加剂（如氮气、尿素等）喷入柴油机的排气管，添加剂在300～400℃的温度下会与NOX发生化学反应，生成物为N2和H2O。

先把NH3按一定比例和水混合，然后喷入柴油机的废气中，在催化剂作用下，产生的NH3经过反应器时快速对NOX进行反应，使之被还原。

3.1.3两种废气后处理净化方式比较，见表3。

可以看出选择性催化还原法在净化效果上远远好于废气再循环法，但在经济效应上是不如废气再循环的，这也是催化还原技术在船舶应用上少的重要的原因，考虑到催化还原技术卓越的净化效果，国际上相关公司如MAN B&W、W？r t s i l？正积极参与该技术的研发、改进中。当然，我们也可以组合几种方案来净化NOX，这种组合方式往往好于单一措施。对柴油机6L40/54采用组合乳化燃油和废气再循环法进行优化试验，结果表明柴油机在全负荷运行时可降低NOX60%。

3.2船用柴油机废气中SOX的净化措施

对于SOX排放的控制方法主要通过两个方面，一是控制燃油中的硫含量，使用低硫燃油，这主要是要满足IMO以及各个国家和地区的有关法规；另一个方法就是水洗法，通过在排气管道上安装的水洗器除去废气中的SOX排放。

（1）控制燃油中的硫含量。在燃烧过程中，燃油中硫几乎是全部氧化变成废气中的SOX，但是，在燃烧过程中，对硫处理无法控制。所以降低SOX排放的根本措施，就是燃用低硫值的燃油。然而如果按照MARPOL公约的要求，把燃油中硫的含量从3.5%降到1.0%，则燃油价格也要增加比较多，并且燃油脱硫的精炼也不经济和环保（脱1吨硫需要排放大量CO2），导致二次污染，对于船舶进港或者SECA所用燃油硫含量，不同港口或者SECA要求也不一样，就要经常转换使用硫含量不同的燃油，因燃油的不相容性导致燃油品质下降，给船舶管理人员带来很大的压力。

（2）水洗技术。水洗技术是用水洗除废气中的SO2排放，主要利用喷淋等方法除去排气中的SOX和颗粒排放，据目前的试验情况，可以除去废气中的98%的SO2和78%的颗粒物质，还可以节省大笔的燃料费用。

当前使用的方法主要有海水直接水洗法和淡水水洗法。海水直接水洗法一般采用开式循环，即将海水直接供入水洗器中，水和硫反应生成硫酸，再与海水中的碱性成分中和。清水在倒回大海之前必须先过滤，除去颗粒物质和油类。洗涤器的缺点是占据甲板较大空间，以每千瓦时的发动机功率运行，它需要耗费40～50m3的海水。

淡水水洗法则是采用闭式回路，在淡水中加入适当剂量的NaOH以中和所吸收的SO2。这样洗涤器就只需要较小的空间，且每千瓦时的发动机输出功率只需要消耗0.1m3，实际上等于几乎没有废水被排到海里。一般推荐在海上航行时采用海水直接水洗，而在沿岸和港口使用淡水水洗。尽管某些公司认为只要海水流量足够，使进入水洗器的水得到充分稀释，直接排放入海没有任何问题，但对于海洋环境的长期影响有待于进一步评估。

3.3柴油機废气中PM的净化措施

燃用馏分油是减少颗粒排放最简单的方法，然而这会极大增加营运成本。在实际应用中，比较有效实用的方法是提高高压油泵喷油压力、改善油气混合质量。大量的研究表明，降低颗粒中碳的排放可以通过提高喷油压力和减少喷孔直径，然而同时也使NOX排放量增加，从而要求更加严格的燃油喷射系统。

3.4CO2排放的控制方法

控制CO2排放主要通过两条途径，①提高船舶动力装置的综合效率，其中包括柴油机自身的效率、柴油机工况点的选择、螺旋桨的推进效率和柴油机废热的回收和利用；②采用一些新能源，风能、天然气、生物燃料等。国际海事组织（IMO）正在考虑确定船舶动力装置的CO2排放指标，一个是“能效设计指标”，另一个是“能效运行指标”。