船舶柴油机废气排放及控制技术

船舶柴油机废气排放及控制技术 来自：中国港口设备信息网 来源：转载 2009-12-30 10:35:36 摘要：随着航运业的不断发展，船舶柴油机废气排放引起了许多国家和国际组织 的重视。文章从IMO制定的防止船舶造成大气污染规则出发，总结了SO x 、NO x 的 生成过程和产生的危害，介绍了当前降低SO x 、NO x 排放污染物的技术措施，并讨论和 分析了各种措施的可行性及其优点和适用范围。 关键词： 船舶SO xNO x 排放 控制技术 1.前言 随着经济全球化进程的加快，国际贸易和船舶运输得到了空前发展，海上货运量 逐年大幅度增长，船舶吨位和尺度也在不断增加。在繁荣世界经济的同时，以石油产 品为燃料的船舶废气排放造成的环境污染日趋严重。在全球范围内，船舶柴油机废气 排放造成的大气污染和温室效应已受到IMO、MEPC、WHO等国际机构和各国政府部门的 高度重视。 据挪威向国际海事组织提供的资料显示，到2000年船舶年排放NO x 达602万吨， 占世界排放总量的7%；SO x 达634万吨，约占世界排放总量的4%。 欧盟的一项调查表明，2005年仅欧洲沿海、近海航行货船排放CO2接近欧洲大陆 工业部门CO 2 排放总量的50%。联合国最近公布的一份调查报告显示，全球船舶运输业 每年的CO 2 排放量约占全球总排放量的4.5%，数字十分惊人。目前，各相关组织和国 家纷纷制定各种标准、公约和法律以及投入资金研发新技术，力求最大限度地减少废 气排放对人类造成的危害。 2.船舶废气的产生及排放 2.1船舶废气的组成和危害 柴油机排出的废气是由燃烧产物与剩余空气组成，可分为有害成分和无害成分两 类。无害成分为燃料的完全燃烧产物，如二氧化碳(CO 2 )、水蒸气(H 2 O)、过量空气以及 残余氮气等，它们对生物无直接危害。其中CO 2 虽然不会对环境产生直接危害，但由于 CO 2 的大量聚积会形成地球气候的温室效应而有害。 有害成分包括一氧化碳(CO)、氮氧化物NO x )、碳氢化物(HC)、二氧化硫(SO 2 )、三 氧化硫(SO 3 )、臭氧和微粒物质等。SO x 主要是燃料所含硫的燃烧产物，以废气的形式 排放于大气，尤其是SO 2 容易氧化形成酸雨给人类带来危害。NO x 中绝大部分(90%以上) 是NO，少量是NO 2 。NO是无色气体，在大气中会缓慢氧化成NO 2 。NO x 是在地面附近形 成光化学烟雾的主要因素之一。2.2排放控制标准 为了减少船舶排放造成的大气污染，1997年9月，国际海事组织在伦敦通过了MA RPOL73/78公约1997年议定书，新增了MARPOL73/78附则VI防止船舶造成大气污染 规则。该附则对于船舶废气中的硫氧化物和氮氧化物的排放含量作了限制，禁止故 意排放消耗臭氧层的物质，附则规定了燃油中硫的含量不超过4.5%m/m的上限，并呼 吁国际海事组织在议定书生效后监控全球燃料的平均含硫量。附则VI规定2000年1 月1日起输出功率超过130kW的柴油机，其NO x 排放限制如下：当转速低于130r/mi n时，NO x F17.0g/kw·h；当转速在130n2000r/min时，NO x 45.0×n-0.2g(kw ·h)；当转速n>2000r/min时，NO x F9.8g/kw·h。该规则已于2005年5月19日生 效。2008年10月国际海事组织MEPC第58次会议召开，会议一致通过了MARPOL附则 防止船舶造成大气污染规则的修正案。附则的主要变化是渐进地减少船舶废 气的含硫量。从现今的4.50%减少到3.50%(2012年1月1日生效)，最后达到0.50%(2 020年1月1日)。 含硫废气控制区SECAS将于2010年7月1日起实行1.00%控制量(现在是1.50%) ，并于2015年1月1日起进一步减少至0.10%。 氮氧化合物(NO x )排放控制量的渐进减少最严格的措施所谓“散型”(Tier) 主机也得以通过。这类主机将在2016年1月1日起安装在船上并要求在排放控制区使 用。 新修订的附则将通过成员国递交提案致IMO，对SO x ，颗粒物、NO x 以及这三种 船舶排放物分别或三类一道设置排放控制区来防止、减少并控制三类排放物。该附则 修正案按照默认接受程序于2010年7月1日起生效。 3.船用柴油机有害气体排放控制技术 3.1控制SO x 排放量的措施 目前，减少SO x 排放量的主要方法有：使用低硫燃料和排烟脱硫。为了更大程度 地减少SO x 的排放量，排烟脱硫处理将是今后船舶防止SO x 污染的主要发展方向。 3.2控制NO x 排放的措施 NO x 排放的控制措施大体可分为燃料预处理、工作过程处理和排气后处理三类。其 中预处理可分为：采用低氮燃油或燃油乳化等；过程处理包括：废气再循环、喷油定 时延迟、改变喷油器参数及燃油-水分层喷射；后处理包括：废气再燃烧处理和催化还 原法处理。3.2.1燃油乳化 燃油乳化，是指燃油在喷入气缸前，在燃油中混合一定的水份，并在超声波和机 械搅拌的作用下，将重油乳化成为油包水的油滴。喷入气缸后由于水蒸汽的“微爆” 作用使油滴破碎成更细小的油滴，因而促进了混合气的形成和燃烧。燃烧过程中，由 于水的吸热作用，可降低最高燃烧温度，水与油混合喷入还可以降低燃油密度，使最 高燃烧温度进一步降低，从而减少柴油机的NO x 排放量。 3.2.2废气再循环 废气再循环EGR(Exhaust Gas Recirculation)是指让柴油机的一部分排气引回进 气管，与新鲜空气混合后作为工质参与气缸内的热循环。EGR作为控制NO x 排放的一项 有效措施，越来越受到重视，对柴油机用EGR的研究已取得了一定的成果。废气再循 环之所以能使排气中NO x 浓度下降，研究认为：第一，柴油机排出的废气中由于含氧量少，废气循环到气缸内，使燃烧时反应混 合物中的氧含量与不循环时相比，有显著降低。燃烧和爆炸过程中NO的生成速度与氧 浓度的平方根成正比，因此NO的生成反应速度降低，于是废气中的NO x 浓度也相应下 降。第二，废气中含有较多的水蒸汽和CO 2 ，在高温下，水蒸汽和CO 2 的比热比空气大 得多。若燃料油的燃烧热值一定，燃烧混合气比热大者，会使燃烧过程所达到的火焰 温度较比热小者为低。由于在燃烧和爆炸过程中，NO的生成速度与燃烧绝对温度成指 数关系，因此燃烧温度的降低导致废气中NO x 的浓度降低。通过对机型为4T50MX柴油 机进行EGR的实验，如果15%的废气再循环，将导致发动机进口空气的氧气浓度由21% 降至18%，那么NO x 的浓度将大大降低。 从原理上讲废气既可在增压器前循环，也可在增压器后循环，但不论是哪种情况 ，引入再循环的废气均需冷却(温度降到160180左右)和清洁。废气循环法净化NO x 的优点是：废气净化效率高，能有效降低NO x 的排放，简单经济，便于应用，操作方 便，易于控制。但是，如果使用不当的话，也会招致冒烟和其它有害排放物的增加。 其次，在船上使用时，含有未加处理的硫和未燃烧完的HC、烟灰等污染物会造成润滑 油的污染和柴油机的磨损。 3.2.3延迟喷油定时 延迟喷油定时是在燃烧过程中降低NO x 发生量的简便有效方法。延迟喷油定时的 作用主要是使燃料燃烧所形成的温度颠峰值降低，但会使油耗略有增加。对于经常在 热带航区运行的船舶动力装置，由于冷却水温较高，利用此方法能将NO x 的排放量减少 10%15%。通过调整喷油规律，减少上止点前喷入气缸燃油量；或者调整气阀正时， 降低最高燃烧温度和压力，均可减少NO x 的发生量。此外，改进喷油器结构，如减少喷油器压力室容积，改动喷油嘴喷孔数目、孔径和长度等，也是控制NO x 排放的有效措施 之一。 另外，采用柴油机电子控制技术或智能喷射系统，既可优化柴油机的控制，又可 提高柴油机的运行经济性，同时也可实现低NO x 排放，当是解决柴油机低污染排放和保 证柴油机性能之间矛盾的良好方法。 3.2.4燃油-水分层喷射 实现方式是通过组合的喷油器将水和燃油喷入燃烧室，实现水与燃烧混合气的混 合。如果需要也可以在不影响柴油机工作的情况下屏蔽掉喷水系统。此项技术可降低 柴油机的热负荷，并提高柴油机运行的清洁性，能降低NO x 排放50%60%；但是该技 术会导致燃油消耗率略有提高。燃烧含硫量较高的燃油时需考虑燃烧室材料和采用特 殊的喷嘴。 3.2.5废气后处理法 废气后处理又称为二级处理，是对废气中已生成的NO x 进行处理，减少它对大气 的排放量。有效的方法是催化还原法(Selective catalytic reduction)，简称SCR系 统。用尿素作还原剂，尿素含氨、无毒，便于船上保存。将浓度为40%的尿素溶液喷入 SCR系统，在350450排气温度下，利用催化剂，氨能有选择地与NO x 起化学反应， 生成无害的N2和水蒸气。 4NO+4NH 3 +O 2 4N 2 +6H 2 O 6NO 2 +8NH 3 7N 2 +12H 2 O 国外一些柴油机制造厂早已开始SCR在实船应用的开发研究工作。从目前取得的 成果看，已完全满足了IMO规定的2005年排放标准。 3.2.6其他控制措施 调整压缩比，高压缩比对减少NO x 排放和燃用重油不利，但对减少烟度颗粒排放 有利，它可弥补喷油延迟所造成的热效率降低。如果为了降低NO x 排放，调低压缩比， 那么柴油机的运行功率就会下降。但是，降功率运行会使燃烧不良，热效率降低，烟 度增加。只有通过调整喷油定时、气阀定时和喷油压力来实现或克服。另外，采用天 然气、液化石油气或甲烷等替代燃料，也可以有效地减少NO x 排放。 4.结束语综上所述，国际上控制NO x 排放的措施已经有很多，MARPOL73/78附则VI已在我 国生效。针对中国船舶NO x 排放现状及我国经济、技术发展水平而言，尚面临诸多紧迫 问题。我们必须深入研究，早做准备，参照美、日、欧等发达国家经验，采取积极的 应对措施，树立海事主管机关履约地位，维护我国航运公司利益和航运大国形象。