船舶柴油机颗粒物排放控制技术研究进展

张韩西子，刘瀛昊，戴钰杰，李 敢，唐 俊

(1.中国舰船研究院，北京 100101；2.中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094；3.中船集团电机科技股份有限公司，山西 太原 030027)

0 引 言

近年来，贸易全球化进程不断推进，其中，全球约80%的国际贸易是通过海运实现的，船用柴油机排放的废气已成为大气的重要污染源。颗粒物是柴油机尾气排放中的主要污染物之一，可长期悬浮在大气中，并随空气流动远距离传播，对人体的呼吸及血液循环系统危害极大，可腐蚀船舶外壳，影响舰面设备正常工作，同时容易进入船舶通风管路系统，污染船员居住环境。中国作为航运大国，港口多集中在人口稠密地区，如珠三角、环渤海等，船机排气中的颗粒物带来的污染危害更加严重，治理颗粒物排放已成当务之急。

目前，美国[1]、欧盟[2]和中国[3]均已制定船舶排放法规，对颗粒物的排放限值做出了规定。中国环保部于2016年8月22日发布了GB15097-2016，对船机颗粒物排放进行了限制。其中第1阶段排放限值已于2018年7月1日正式实施，如表1所示；第2阶段排放限值将于2021年7月1日开始实施，如表2所示。

在防止船舶大气污染的环保趋势下，为了应对越来越严格的法规要求，有必要对船舶柴油机颗粒物排放控制技术进行研究。

表1 中国船机排放颗粒物第1阶段排放限值Tab.1 Limits for PM emission from marine engines（CHINA Ⅰ）

表2 中国船机排放颗粒物第2阶段排放限值Tab.2 Limits for PM emission from marine engines（CHINA Ⅱ）

1 颗粒物组分及来源分析

柴油机排气中的颗粒物并不是单一物质，组分较为复杂。鉴于目前世界各国通用的颗粒物测量方法是美国环保局（EPA）规定的微粒稀释质量测量法，因此一般公认的柴油机颗粒物的定义也即EPA对颗粒物的定义：柴油机排气经干净室温空气稀释冷却至51.7 ℃后，稀释气体经过聚四氟乙烯树脂滤纸后，收集到的除非化合形态凝聚水外其他所有的固体和液体状的微小颗粒[4]。

柴油机排放的颗粒物主要由干碳烟、可溶性有机物（Soluble Organic Fraction，SOF）和硫酸盐组成。柴油机运转的工况会影响排气中颗粒物的组分。当柴油机排气温度超过500 ℃时，颗粒物主要由干碳烟组成，当柴油机排气温度较低时，颗粒物主要由干碳烟吸附气体状或液体状的有机物后，形成的SOF组成。

根据某国产柴油发动机经过大量试验获得的颗粒物组分比例，干碳烟在柴油机颗粒物排放中所占比重约为50%～70%，SOF占比约为30%[5]。

其中，干碳烟形成条件为高温和缺氧，柴油机尽管总体是富氧燃烧，但由于油气混合不均匀，局部的缺氧仍然会导致干碳烟的产生，碳烟形成的一般过程为：在高温缺氧条件下，烃类燃料中的烃分子发生部分氧化及热裂解，形成各种不饱和烃，包括乙烯和乙炔等，这些不饱和烃经过不断的脱氢，聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳核，之后，碳核进入表面增长和凝聚阶段，碳核的直径可达到20～30nm。最后，碳核开始进行缸外的聚合和链增长，最终形成球团状或链状的直径1μm 以下的多孔性聚合物。

SOF根据来源不同，可分为未燃燃料和未燃润滑油成分，两者所占比重大致相等。硫酸盐来源为柴油机中所含的硫。

2 颗粒物排放控制技术

目前船用柴油机颗粒物排放控制技术正处于快速发展阶段，按照控制阶段可分为前处理技术、机内净化技术和后处理技术。

2.1 前处理技术

前处理技术主要通过优化柴油品质，或者采用高质清洁燃料，从源头上对船机颗粒物排放进行控制。

使用液化天然气（LNG）基本可以完全消除船机颗粒物排放，但以LNG为燃料的船舶续航力最多只能达到22天，而全球尚未建立起LNG补给链[6]。

柴油机使用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，其中应用最广泛的是甲醇，在柴油中掺入甲醇蒸汽，可节约40%柴油，同时可降低微粒排放量70%～80%[7]。

选用低硫船用燃油可有效降低柴油机颗粒物排放，但是当前船用的动力设备都是针对价格低廉的高硫燃油设计的。如果选用低硫船用燃油，需针对动力设备的喷油、润滑系统等进行改造。因此该技术在经济性及安全性方面存在一定问题[8]。

2.2 机内净化技术

目前船舶柴油机排气颗粒物的机内净化技术，主要从提高喷油压力，改善油气混合质量方面入手，优化燃烧过程，降低初始碳烟粒子的形成。

高压喷射技术通过增加喷射压力，缩小喷孔直径，进一步细化燃油喷雾颗粒，以增大燃油与空气的接触表面积和缩短强化时间，可造成高温高速以及混合能量很大的燃烧过程，从而降低柴油机颗粒物排放，被广泛应用于直喷式柴油机。

电控高压共轨燃油喷射技术通过优化喷油要素，使船舶柴油机燃烧更充分，从而减少颗粒物排放，在低负荷或低转速时，效果更加明显。康明斯公司与瑞典斯堪尼亚公司合作开发的超高压喷射（XPI）系统，喷射压力可以达到240MPa以上，并且不受发动机转速的影响。喷嘴采用的是中心压力容腔结构，可实现5次喷射。该系统显著缩短了喷射持续期和放热持续期，可以同时降低柴油机排气中颗粒物和NOx含量[9]。

机内净化技术在减少柴油机颗粒物排放方面做出了巨大贡献，但根据目前的技术发展情况，前处理技术和机内净化技术对船机颗粒物排放的控制已经趋于极限，难以满足日益严格的排放法规要求。同时机内净化技术存在以下几个问题：首先，无法处理由未彻底燃烧的润滑油产生的颗粒物；其次，降低颗粒物排放的同时往往会增加另一种主要污染物NOx的排放量。目前常用的提高喷油压力的机内措施，虽然可降低排气中的颗粒物浓度，却会增加对人体危害更大的小尺寸颗粒物的排放量。因此，为了满足未来更加严格的排放法规要求，研究并采用机外后处理技术来减少颗粒物排放，已经成为柴油机颗粒物排放控制的必要手段。

2.3 后处理技术

目前国内外主要的颗粒物排放控制后处理技术主要有电除尘、袋式除尘和电袋复合除尘技术、静电微粒捕集技术、氧化催化技术（DOC）和颗粒捕集技术（DPF）。

电除尘、袋式除尘和电袋复合除尘技术主要运用于陆上水泥厂、火电厂、钢铁厂等场合。电除尘技术通过将颗粒物在电场中充分荷电来除去粒径较大的颗粒物，袋式除尘技术通过覆膜滤袋来去除粒径微小的颗粒物，电袋复合除尘技术将二者的除尘机理有机结合，充分发挥各自的技术优势，可有效收集不同粒径的颗粒物，达到很高的除尘效率。但是袋式除尘技术仅适用于燃煤产生的颗粒物，使用燃油时，含油排放物会粘附在滤袋外表面，堵塞滤袋气孔，导致滤袋寿命降低，还会增加设备排气背压。而若仅使用电除尘技术对柴油机排放颗粒物进行处理，处理效率不到70%，无法达到排放标准的要求。

静电微粒捕集技术是通过在排气管下游安装集尘板，利用附加电源产生高压直流电，对携带电荷的颗粒物进行静电捕集，效率可达80%以上，对排气背压影响较小，广泛应用于工业除尘，技术比较成熟。但设备体积大、造价昂贵，需要附带高压电源，对绝缘设计要求高，在颗粒物收集过程中还会产生二次逃逸问题。

DOC技术是最早使用于柴油机的颗粒物后处理技术，DOC的原理是将铂或钯等催化剂涂敷在载体上，通过氧化SOF 中大部分烃类物质，降低柴油机的颗粒物排放，同时还可减少柴油机排气中的其他污染物，如碳氢化合物及一氧化碳等[10]。DOC可转化掉柴油机排气中60%～90%的碳氢化合物、一氧化碳和SOF，以重量计对排气中颗粒物可达到20%～40%的转化效率[11]。DOC应用于船舶领域的问题是船机排气中含硫量较高，经过催化氧化后生成的硫酸盐会使DOC中毒，同时会增加PM排放量。

DPF技术是目前国内外公认的最有效、应用最广泛的柴油机颗粒物排放控制技术。DPF的工作原理是通过碰撞及吸附、惯性拦截、扩散拦截及重力沉降等过程捕捉排气中的颗粒物，再利用燃烧器、催化剂等进行分解、燃烧，从而达到降低柴油机颗粒物排放量的目的，效率可高达90%。目前，欧洲和日本的汽车产业都在采用DPF后处理技术，北京、天津、深圳等地也已相继出台了要求国五标准柴油车加装DPF的相关条例，DPF技术具有重大的市场应用前景。其主要问题是随着捕集过程的持续进行，沉积的颗粒物会逐渐增多，堵塞载体，导致排气背压升高，因此必须定期清除捕集的颗粒物，这一过程称为DPF的再生。

3 DPF再生技术

当前，DPF再生技术总体上可以划分主动再生和被动再生两大类。主动再生是通过外界给予能量加热，将柴油机排气温度提高或者将DPF过滤体温度提高到颗粒物的起燃温度，从而完成颗粒物的氧化，实现DPF再生。被动再生系统利用柴油机排气自身的能力使颗粒燃烧，达到DPF再生的效果。

目前国内外主流DPF再生技术的优缺点如表3所示。

日本IBIDEN公司开发的2款DPF如图1所示。其中: A为捕集器与再生装置组成一体的ZK型，适用于叉车等工程车辆；B为盒式捕集器与DPF再生装置分开的CT型，适用于消防等紧急车辆。

IBIDEN公司采用的再生技术有2种，一种为电加热再生技术，另一种称为盒式构造的DPF，是将捕集到的颗粒物储存在容器中，并定期进行更换。这种盒式构造的DPF由于维护保养不便，已经逐步被市场淘汰。

由于单一再生技术各有优劣，存在应用局限性，目前，综合应用多种再生手段实现DPF的再生，是DPF市场应用的发展方向。

表3 DPF再生技术Tab.3 Comparison of DPF regeneration technologies

图1 IBIDEN公司开发的颗粒捕集器Fig.1 IBIDEN's DPF

李凯等[12]提出了一种电加热与催化再生相结合的复合再生技术，试验证明可在排气温度较低情况下实现DPF的有效再生。韩炜等[13]提出一种微波加热与催化再生相结合的再生方法，可降低颗粒物排放98.2%。杜佳[14]设计了一种微波加热与燃油添加剂相结合的复合再生系统，再生效率可达到95%以上。大众TDI柴油机配置的颗粒物捕集器采用了连续再生+主动再生的复合再生技术[15]。

4 结 语

本文介绍船舶柴油机排气中颗粒物的组分及来源，对颗粒物排放控制技术、DPF再生技术的研究进展进行梳理论述。目前，颗粒物排放控制技术中的前处理技术和机内净化技术已经趋于极限，后处理技术是满足日益严格的法规要求的必要手段。后处理技术中，DPF技术是目前国内外公认的最有效、应用最广泛的柴油机颗粒物排放控制技术。结合多种主/被动再生技术的复合再生技术是DPF再生过程的发展方向。

我国在船舶柴油机颗粒物排放控制方面的研究起步较晚，与国外相比，技术进展差距较大，目前尚无可实船应用的成熟的颗粒物处理装置，因此亟需对船机颗粒物排放控制的总体设计、仿真优化、主/被动再生、控制策略、与船舶柴油机的匹配5个方面的关键技术进行深入研究，推动实船应用进程，以应对未来日趋严格的法规要求。

从长远来看，世界各国政策法规对船舶柴油机各类污染物排放的限制将日趋完善，因此，对船机排气中多污染物协同处理的一体化技术将成为未来的重点发展方向。

目前，世界各国在船机排放一体化处理技术方面已经开展了大量研究，美国先进清洁技术公司通过综合使用选择性催化还原法（SCR）与湿法脱硫法，可将排气中颗粒物，NOx和SOx分别脱除94.5%，99%，98.5%[16]。英国布鲁内尔大学等提出的DEECON后处理系统，颗粒物、NOx、SOx转化效率可达到95%，95%和90%[17]。

国外部分一体化研究成果已经形成装置并应用于实艇上。如意大利Hug Engineering公司将DPF和SCR的集成装置应用在了瑞典Loodsweezen，德国White Rose等大量游艇及Victorir，Jacob-Hessel，Ortygia等多种内河海洋运输船上，该集成装置对排气中颗粒物及NOx的转化效率分别可达到97%和80%以上。

我国船机排放一体化处理装置的研究尚处于起步阶段，如何将其运用于船舶领域，还有待探索与验证。