新型船舶柴油机尾气净化技术研究

2018-02-02李少珍

资源节约与环保 2018年11期

李少珍

（广东省环境保护基金会广东广州 510660）

引言

目前，船舶大气污染控制已列为国务院和省关于大气污染防治行动计划的重要措施之一。在这个提倡环境友好型社会的时代，为避免一大批排放超标的船舶遭强制淘汰，造成资源浪费，需要一种能有效降低排放，符合中国国情需要的船用节能减排处理装置。[1]特别在广东省，河流星罗密布，船运行业规模宏大。所以强化移动源污染防治，推进船舶港口及其它机械设备的减排，实施远洋船舶和内河船舶污染控制是大气污染防治行动的近期工作重点。

1 船舶柴油机尾气净化技术现状

目前降低柴油机排放的主要措施分为机前处理、机内净化和机后尾气处理。机前处理主要是改善柴油品质；机内净化则以改善燃烧过程为主，如增压中冷、废气再循环、电控高压燃油喷射、双燃料以及均质压燃等。[2]由于柴油机机内净化技术已经达到了相当高的水平，仅依靠发动机本身设计的改进进一步降低污染物排放有一定限度，而机后尾气处理技术仍具有很大研究空间。国际研究发现颗粒物捕集器DPF是解决柴油机颗粒排放最有效的后处理技术。

颗粒捕捉器DPF（Diesel Particulate Filter）是用过滤器过滤尾气中所含的颗粒物并进行收集，颗粒物达到一定量后就进行燃烧并将之转变为二氧化碳排出。DPF技术已经成功地应用于重型柴油机车辆和非道路移动机械，但是船舶柴油机的尾气排放环境十分复杂，直接将车用移植到船用，有许多关键技术需要研究解决。首先是船舶柴油机尾气的气体温度高，排放量大，同时船舶的振动和噪音也会使机器、仪表工作失常、失灵与损坏，因此消化吸收该技术，并移植应用于船舶柴油机作尾气后处理的关键技术是要解决尾气高温和抗振问题，重点是解决过滤材料间接高温及热冲击，具有足够的强度、化学稳定性、抗热裂、及抗熔融等问题，最终将柴油车用排放控制催化技术移植至船舶柴油机上，且以多项技术集成于一套装置内，如DOC+CSF+DPF等，全面解决船舶柴油机的CO、HC、NOX和PM等尾气减排和净化问题。

现研究对象主要为广东省内河的全部船舶，数量巨大，规模不同，种类繁多，在进行DPF系统设计前有必要对船舶柴油机的类型进行调研，研究适合于不同柴油机的DPF系统。[3]根据市场调研，统计不同的船舶类型、船龄、吨位、价格等信息，选取数量最多，经济性最高的柴油机类型作为主要研究对象。考虑到经济性问题，适当淘汰一部分船龄较大、运行成本高、收益低、经济性差的船舶。根据选取的不同类型研究设计适合于它们的不同的DPF系统。

本文旨在探讨一种新型船用柴油机DPF尾气处理装置，即DOC+DPF系统。DOC系统加入催化剂进行被动再生，除去尾气中的可溶性气体HC、CO等，以及碳烟中大部分颗粒物。将DOC系统和DPF系统组合起来作为一个DPF系统来降低船舶柴油机尾气排放，从而实现DPF的集成优化。

2 新型船舶柴油机尾气净化技术分析

最近几十年内，柴油机的动力性、经济性得到了快速的发展，然而其排放控制却一直是其最大的难题。因此对船用DPF尾气处理装置进行如下几项研究。

2.1 对DPF系统整体结构进行研究，设计DOC、DPF结构系统

采用DOC、DPF结构系统，通过DOC将柴油机排放出的CO、HC转化成无害的水和二氧化碳。DOC里的载体孔道畅通，所以尾气可以很顺畅的通过孔道，此时PM中的可溶性有机物，及HC、CO在催化剂的作用下被快速氧化，含量有效地降低。再通过陶瓷壁流式颗粒捕集器DPF，将PM捕集在DPF内，达到减少污染气体及碳烟颗粒物排放的目的，使排除的尾气达到欧Ⅳ的排放标准。

2.2 对过滤器材料和结构进行研究，研发高效过滤器

2.2.1 过滤器材料的研究

微粒过滤器不仅经常处于温度变化的排气中，而且在进行再生处理时，微粒的燃烧要释放出大量的热，温度可高达1000℃以上。因此，过滤材料应能承受高温及热冲击，应具有足够的强度、化学稳定性、抗热裂及熔融等性能。过滤材料损坏的主要形式是材料软化、局部因高温融粘及产生裂纹。[4]对过滤体材料研究的对象有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维毡、泡沫合金、金属纤维毡。综合以上对各种过滤体材料的性能分析，壁流式蜂窝陶瓷拥有更高的过滤效率且化学稳定性好，耐酸碱及有机溶剂，有极好的耐急热急冷性能；工作温度可高达1000℃；抗菌性能好，不易被细菌降解，不易堵塞且易再生；较强的结构稳定性，孔径分布狭窄，渗透率高。基于这些优点，本文推荐采用壁流式蜂窝陶瓷作为过滤体材料。

2.2.2 对过滤器结构的研究

过滤器需要具备能够完全过滤大小不一的微细颗粒物的结构，它在排气管路中，要受到热膨胀、振动以及由此产生的机械应力和热应力的作用，所以它必须有可靠性。过滤器的成本高，应有足够的寿命及较好的再生技术措施，在长期的使用后，仍能保持较高的过滤效率。此外，在设计时，综合考虑以上因素的同时要尽可能减小捕集器的外形尺寸，并使其具有一定的通用性。为保证后处理系统与动力系统的良好匹配，除了良好的材料性能外，还可以通过过滤通道结构设计来降低背压，提高颗粒捕捉效率，增强整套系统的耐久能力，提升系统性价比。

可对船舶尾气处理装置之中过滤体的结构进行进一步优化研究，其中ACT孔道过滤体可以在不增加颗粒捕集器装置尺寸的条件下，拥有比传统过滤体更低的气流阻力，结合过滤体的对PM颗粒捕集和再生的关系，提高过滤效率，对过滤体单元结构进行优化处理。

2.2.3 对再生技术进行研究

现有的DPF技术主要由颗粒物捕集和颗粒再生两部分组成。

微粒捕集器的捕集机理是主要利用过滤器过滤尾气中所含的颗粒物并进行收集。颗粒物达到一定量之后，就进行燃烧将之转变为二氧化碳（CO2）排出。过滤体不会自动清除捕集到的微粒物质，随着沉积微粒量的增加，会造成排气背压的升高，从而影响柴油机的动力性和经济性。所以当过滤体内的微粒达到一定数量时，应该及时进行清除，该过程被称为微粒捕集器的再生过程。

捕获的颗粒物的燃烧方法大致分为两类。分别为“捕获再生切换式”及“连续再生式”。利用2个过滤器交替进行PM捕获及燃烧（再生），交替进行该方式被称为“捕获再生切换式”。采用催化剂技术的连续再生式颗粒捕捉器，在过滤器的尾气流入孔内壁上，涂布贵金属催化剂及基础金属，一边捕获颗粒物，一边使用尾气进行连续燃烧。或者在过滤器前方设置白金类氧化催化剂层，利用尾气中的氮氧化物（NOx）经过催化剂层生成二氧化氮，在过滤器内捕获颗粒物，同时使用生成的二氧化氮燃烧颗粒物，最大的特点在于，“不是用氧燃烧。