柴油机颗粒物及氮氧化物排放后的处理技术

2021-04-01张文涛潘娜娜

南方农机 2021年4期

王芳，张文涛，潘娜娜，陈娜

（1.青岛恒星科技学院，山东青岛266000；2.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101）

柴油机尾气具有复杂的化学组成，尾气组分与发动机的工况有很大的关系，污染物成分主要包括碳烟颗粒物（PM）、烃类（HC）、CO 和NOx等。柴油机中PM 的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，即有机可溶成分（SOF）；柴油机颗粒的主要成分是碳烟，碳烟的形成条件是高温和缺氧，由于柴油机的油气混合不均匀，局部的缺氧还会导致碳烟的形成。碳烟是一种吸光性物质，可吸收太阳短波辐射，同时释放红外辐射，加热周边大气。黑碳的增温效率高于二氧化碳等温室气体，黑碳排放对北极冰川融化也有严重影响[1]。柴油机排放的NOx主要是NO2和NO，NO 占NOx总量的85%～95%，NO 排放到大气中，缓慢地与O2发生化学反应，最终生产NO2。NO 的产生途径主要有三个：燃料NO 的生产、激发NO 的生产和高温NO 的生产，前两者的生成量极少，可以忽略不计。NO 会形成酸雨，对臭氧层有破坏作用，以及对人体的呼吸系统产生剌激[2]。总之，PM 和NOx这两种主要污染物都会造成不同程度的大气污染，影响人们的身体健康，因此降低NOx和PM 排放是净化柴油机尾气的主要课题。

1 氮氧化物减排排放标准及技术

1.1 排放标准

1997 年9 月27 日，国际海事组织（IMO）、海洋环境保护委员会（MEPC）在总部伦敦召开了MARPOL73/78 缔约国大会，将《防止船舶造成大气污染规则》增加至《国际防止船舶造成污染公约》中，作为附则Ⅵ。该公约的生效条件：15 个国家批准、批准国家的商船总吨位占世界商船总吨位的50%以上，达到以上2 个条件后12 个月自动生效。2004 年5 月18 日达到了该生效条件，2005 年5 月19 日正式生效。NOx排放标准已于2016 年开始强制实施。

《国际防止船舶造成污染公约》附则VI 对船用柴油机排放气中的NOx制定了最高限值，2016 年1 月1 日或以后建造的船上安装的柴油机，当在排放限制区域内航行时，其NOx排放量的限制值按第三标准要求，具体内容如下：1）3.4g/kWh，当n＜130r/min；2）9·n-0.2g/kWh，当130r/min ≤n＜200r/min；3）2g/kWh，当n＞2 000r/min。

1.2 氮氧化物减排技术

船用柴油机满足第三阶段排放的解决方案，分为采用新型燃料、改善发动机燃烧条件和排气后处理三类，其中新型燃料为采用甲烷或液化天然气、氨等清洁燃料；改善发动机燃烧条件为采用新型燃烧室以降低燃烧温度、用电控共轨喷射系统、废气再循环、推迟喷油定时并适当提高喷油压力；后处理技术为废气再燃烧处理和催化还原法。从TIER Ⅰ到TIER Ⅱ可以通过改善发动机燃烧条件实现，从TIER Ⅱ到TIER Ⅲ只通过改善燃烧条件是无法实现的，目前应对措施主要包括选择性催化还原（SCR）和废气再循环（EGR），这两项技术可以满足第三阶段排放的要求[3-4]。

废气再循环系统是将部分柴油机燃烧后的废气取代部分新鲜空气，通过增加空气中二氧化碳的量，降低氧气的含量，使氧气和氮气在高温下反应的条件被破坏，从而大幅度降低了氮氧化合物的生成量，文章在此不做详细论述。选择性催化还原法可以大幅度降低废气中的NOx浓度，满足TIER Ⅲ的排放要求，是目前最成熟的降低氮氧化物排放的主要方法之一。

2 船用柴油机废气排放标准及除尘技术

2.1 排放标准

中国环保部于2016 年8 月发布了《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》（GB 15097—2016），该标准对柴油机颗粒物排放进行了限制。第一阶段，船机排放颗粒物排放限值于2018 年7 月1 日开始实施；第二阶段，船机排放颗粒物排放限值将于2021 年7 月1 日开始实施。

目前，对于柴油机的颗粒物排放，国际海事组织还未出台相应的排放法规，由于燃油硫含量决定排气中颗粒的含量，主要针对用油硫含量做出限定，使用的燃油硫含量上限从2020 年1 月1 日起，燃油硫含量限制为0.5%。由于排放的黑碳对北极冰川产生严重的危害，国际海事组织防止和应对污染分委会第7 次会议（PPR7）对国际航运黒碳排放问题进行了研究和讨论，涉及黑碳排放立法、检验标准和检测方法，预计不久将会出台正式的法规。

2.2 柴油机颗粒物处理技术

2.2.1 柴油机催化氧化器（DOC）

柴油机氧化催化器将铂钯等贵金属作为催化剂，主要降低颗粒排放中SOF 的含量，从而降低PM 的排放量，其氧化原理与汽油机三效催化剂氧化HC 和CO 的原理基本一样。DOC 可以去除90% 的SOF，从而使PM 排放减少40%～50%。氧化催化器存在的主要问题是高温老化和催化器中毒，高温老化主要是贵金属在高温下发生烧结而导致催化剂活性降低、性能下降；催化器的高温老化是不可逆的，而催化剂中毒后可以恢复部分活性。

2.2.2 柴油机颗粒捕集器（DPF）

柴油颗粒过滤器是通过过滤降低排气中颗粒物（PM）的装置。DPF 通过表面和内部混合的过滤装置捕捉颗粒，如扩散沉淀、惯性沉淀或者线性拦截，能够有效净化排气中70%～90%的颗粒，是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一[5]。

颗粒捕集器的关键技术不是PM 的捕集，而是过滤材料和过滤体的再生。微粒的捕集主要有静电吸附法、过滤捕集法和离心分离法，这些技术各有利弊，其中过滤净化技术捕集微粒是目前各国研究机构普遍采用的后处理方式，微粒过滤效率高、排气流动阻力低和较高的机械强度是选用过滤材料的主要因素。

过滤器材料有陶瓷材料和金属材料两类。市场上使用最多的陶瓷材料过滤器是蜂窝陶瓷过滤器，优点是过滤效率高、强度高、抗热冲击和机械振动能力强，陶瓷载体材料主要有堇青石陶瓷、碳化硅陶瓷和钛酸铝陶瓷等，其中堇青石是一种美铝酸盐，主要成分为MgO2·AL2O3·5SiO2，由高岭土和云母烧结而成，由于堇青石具有成本低、热膨胀系数低等优点，是目前应用最广泛的颗粒物过滤和催化载体材料。碳化硅载体与堇青石相比，碳化硅具有更优异的耐热、耐腐蚀性能和导热性能，机械强度也大幅提高，而缺点是热膨胀系数较大，容易在高温热冲击下开裂。钛酸铝热膨胀系数低，具有良好的抗热冲击和容热性能，但机械强度稍低，此过滤器产生的背压值较小，过滤效率比碳化硅载体要高。金属载体较陶瓷载体具有壁薄、几何面积和孔隙率大、导热性能良好且热容量小和耐破坏强度高等优点，但存在载体与催化剂活性表面的附着性不高等缺点。金属载体净化器经过最近几年的发展已有实际应用。

3 柴油机综合后处理技术

现阶段，柴油机大都采用小于0.5%的低硫油，与重油相比，柴油机排气中的PM 浓度也降低70%以上，约为0.5g/kWh。根据前面的分析可知，中速发电柴油机同时去除PM 和NOx的后处理技术路线是设置柴油氧化催化器（DOC）、柴油颗粒过滤器（DPF）、选择性催化还原器（SCR），四冲程柴油机后处理流程图如图1 所示。若柴油发动机尾气中含有油，需增加油气分离器，借助尾气自身的排气背压进行离心分离，将发动机排气中未燃烧的油雾和其他气态污染物分离开来，防止油雾混合黑烟颗粒物，使其覆盖在过滤器的滤芯上，导致滤芯再生困难。

尾气催化氧化器可以去除85%以上的CO、HC 及30%左右的碳颗粒物，颗粒物处理系统采用金属DPF 作为过滤系统，其滤芯由铁铬铝合金纤维丝制成，不仅耐高温，而且孔径分布均匀，过滤效果好。滤芯采用可抽出单元式设计，设置在线反吹系统，通过在线监控滤芯差压实现自动反吹清灰。每个滤芯布置有高压气体喷嘴，高压气体喷嘴连接反吹电磁阀，通过喷射高压气体将附着在每个滤芯外表面的黑烟颗粒物反吹落至箱体底部，颗粒物汇集至底部积灰仓，定期将积灰清理即可。另外，通过高压气枪或水枪也能很容易地清理干净滤芯[6]。

脱硝采用低压SCR，还原剂为40%浓度尿素溶液，采用板式或蜂窝式催化剂。

柴油机后处理系统共用一套控制系统，控制系统使用PLC 集成控制，用于显示和监控系统各单元的运行状态和故障读取，主要内容如下：1）黑烟净化器前后背压，判断滤芯状态；2）SCR 催化器前后NOx浓度；3）读取尿素泵、各类传感器（温度、压力、液位等）等故障和背压超高报警。