船用柴油機空氣防污染排放技術的分析與研究

毛蘭霞，梁東升

(1．江蘇省無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫214151;2．江蘇科技大學四洋柴油機制造有限公司，江蘇 鎮江212003)

0 引言

所有研究表明，船舶對大氣的污染已經不容忽視，特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的海區，船舶排放的廢氣甚至成為該地區的主要污染源，全球2/3以上的船舶發動機排氣都產生在距海岸400 km的范圍內。我國內河航運線上的環境污染情況比沿海港口更加復雜和嚴重。內河船舶約22萬余艘2 000多萬DWT，大多船型舊、船舶噸位小，使用20世紀70～80年代的中小型船舶柴油發動機以及劣質的燃料油。根據目前國內船舶排放水平現狀推算，我國內河船舶每年排放大氣的NOx、SOx不少于100萬t。針對船舶發動機排放對大氣的污染日益嚴重，國際海事組織(IMO)制定了MARPOL73/78附則VI《防止船舶造成大氣污染規則》。該規則于1997年9月26日獲得締約國大會通過，2005年5月19日生效，2006年8月23日起對我國生效。MARPOL73/78附則VI禁止船舶故意排放消耗臭氧物質，控制排放揮發性有機物質，并對船舶廢氣中的硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)提出了越來越嚴格的控制。這對于現有的排放控制技術將是極大的考驗，所以，有必要對現有的排放控制技術進行分析和比較，以便找出更好的解決方案或研究方向。

1 國內外研究現狀及發展動態

在IMO的附則VI中，船舶柴油機廢氣排放控制的主要對象是SOx、NOx和顆粒物PM。為了有效控制船用柴油機廢氣排放和改善船舶對大氣的污染，通常采用淘汰劣質燃料油、降低燃油中的含硫量、改善柴油機燃燒特性和柴油機排氣的后處理等措施來減少大氣污染物的排放。

1．1 船舶SOx排放控制技術

船舶SOx是燃油燃燒產生的，燃油中的硫和硫化物如硫化氫和硫醇等，在燃燒后產生二氧化硫(SO2)和三氧化硫((SO3)，是造成酸雨的罪魁禍首。目前，船舶SOx的控制技術有:

(1)選用低硫燃料。硫含量下降，可改善燃燒性能，使SOx排放減少。但一方面，低硫燃油在煉制過程中需要耗費大量能量并造成新的污染，且成本相對較高;另一方面，使用低硫燃油會導致油泵和噴油嘴的磨損。

(2)從煙氣中脫硫。海水沖洗是煙氣脫硫的辦法之一，它利用海水呈堿性與SO2可溶于海水的基本原理，讓排氣通過清洗裝置、洗滌水溶解SOx，而產生的硫酸利用海水的堿性正好將其中和。此辦法可以除去90%的SOx，但洗滌水的排放可能對環境有所影響，同時清洗裝置增加了柴油機的排氣背壓。因此，需要對附屬機構和柴油機本身的工況作必要的調整。

1．2 船舶NOx的排放控制技術

船舶柴油機中生成的氮氧化物主要來源是空氣中的氮氣，而影響其生成的因素主要是燃燒溫度、燃燒時間及燃油與空氣的預混合程度。廢氣中含有95%的NO和5%的NO2+N2O。要控制NOx的排放，可以從其生成機理和性質兩方面進行，一般分為機內燃燒控制技術和機外排氣凈化技術。

1．2．1 燃油乳化

燃油乳化技術是把柴油或重油在進入氣缸前與水按一定比例混合并在超聲波和機械攪拌的作用下，形成油包水的乳化油滴。噴入高溫燃燒室后，由于水比熱較大，吸收大量的潛熱汽化，進而在油滴內部產生“微爆”使之破碎成粒徑更小的油滴，從而促進了混合氣的形成和燃燒。同時，水的吸熱作用在燃燒過程中可以降低最高燃燒溫度。水與油的混合噴入，還可以降低燃油密度，使最高燃燒溫度進一步降低。因此，柴油機的NOx排放量減少。使用乳化燃油對發動機工作性能的影響隨機器型號不同而變化，但在一般情況下，增加1個百分點的水將減少1個百分點的NOx。MAN B＆W公司在其二沖程發動機上使用含水10%的乳化燃油，實現了NOx減少10%的效果。標準設計的發動機可以滿負荷時加入20%的水，水的增加量根據排氣中測得的NOx來決定，因此，需要對NOx進行連續監測。國內外的實踐證明，使用乳化燃油不僅能夠降低NOx的排放，還可改善柴油機的排煙，尤其在低負荷時更加明顯。但是，它也有會引起發動機零部件的腐蝕以及油水分離現象的缺點。

1．2．2 發動機優化

發動機優化指控制缸內參數來降低發動機排放和提高燃油經濟性。諸如改善燃燒室結構和燃燒滯留期、增大壓縮比、優化噴嘴結構、控制燃油噴射過程、采用共軌系統等。其中，延遲噴油正時是在燃燒過程中降低NOx生成的最簡單有效的方法之一。它主要通過滯燃期起作用，使燃料燃燒所形成的溫度峰值降低，但燃油消耗率會略有上升，并會降低發動機功率。當燃氣溫度和增壓空氣冷卻水的溫度較低時，NOx的降低量可達20%，甚至更低。船舶動力裝置由于經常在熱帶環境狀態下運行，冷卻水溫較高，利用延遲噴油正時的辦法也能將NOx排放量減少10%～15%。高壓共軌噴射系統是通過對噴油要素的優化使船舶柴油機燃燒更充分，從而減少柴油機的有害排放，特別是在低負荷或低轉速時，效果更加明顯。共軌柴油噴射系統可以將燃油噴射壓力提高到180 MPa。實踐表明，采用共軌技術的船用柴油機可以減少20%的NOx排放。另外，增壓中冷技術可使船舶柴油機的熱負荷不增加甚至降低以及在機械負荷增加不多的前提下，大幅度地提高船舶柴油機的功率，降低有害物的排放。其中廢氣渦輪增壓方式結構簡單、工作可靠，所以，在船舶柴油機上得到普遍采用。

1．2．3 廢氣再循環

廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是將柴油機排氣管中的一部分廢氣經冷卻和清潔后再次引入氣管，與新鮮空氣混合后進入氣缸參加缸內燃燒。廢氣再循環之所以能使排氣中NOx濃度下降，是因為一方面，柴油機排出的廢氣循環進入到氣缸顯著降低了燃燒前氣缸中的氧含量;另一方面，柴油機排出的廢氣中含有較多的水蒸氣和CO2，它們的比熱容比空氣的大得多，從而也降低了燃燒過程所能達到的溫度。MAN B＆W在75%的發動機負荷下，采用20%再循環率取得了50%脫硝率。一般EGR可以在不影響柴油機輸出功率的情況下有效地降低NOx的排放約50% ～60%，但該方法只適用于使用低硫分和低灰分燃油或其他潔凈燃料的機型。EGR的使用還會影響到燃燒，增加燃油的消耗量，燃燒廢氣中的微粒物質、未燃的碳氫化合物和一氧化碳也會增加。廢氣冷卻時還會產生高粘性的硫酸產物、水和煙灰的混合物，這也限制了EGR在柴油機中的應用。

1．2．4 濕空氣動力系統

濕空氣動力(Humid Air Motors，HAM)系統是利用水蒸氣加濕進氣管中的進氣，形成濕空氣進入氣缸燃燒，因而，必須降低最高燃燒溫度和NOx的生成數量。HAM系統可以取代增壓空氣冷卻器來冷卻進口空氣和增加其水蒸汽含量，使濕度在大氣中提高幾倍，從而能有效減少NOx達70% ～80%，同時不會引起二次污染。瑞典的Munters Euroform公司在1臺6 000 kW的12PC2．6V型船用中速柴油機中采用HAM技術，能使NOx的排放量降低74%。除此之外，HAM系統可以利用海水作為水蒸氣的來源，用廢氣鍋爐加熱或柴油機冷卻水加熱。

1．2．5 DWI技術

DWI(Direct Water Injection)技術是采用同時噴水和噴油的復合型噴油器，在燃油噴射階段，按水-燃油重量比0．4～0．7將高壓水噴入氣缸內，完成水與燃燒的混合氣混合，進而降低燃燒溫度，降低NOx排放可達50%～60%。這種復合型噴油器的噴水系統與噴油系統完全獨立，因此終止噴水系統不會影響柴油機工作。DWI技術除降低NOx的排放外，還降低柴油機的熱負荷，并提高柴油機運行的清潔性，淡水消耗量較少。但DWI技術會導致燃油消耗率略有提高，在使用含硫量較高的燃油時更需考慮燃燒室材料和采用特殊的噴嘴。該系統在發動機上并不需要額外的空間也不用增加額外成本，一般可用在中速類型的船用發動機上，運行和維護費用大約為燃料費用的4%～5%。另外，日本三菱重工還開發了添加水降低柴油機NOx排放的新技術，油水分層噴射。在噴油階段，使油和水分層噴入氣缸，降低火焰溫度。經過連續試運行，工況穩定，對低速柴油機NOx可降低50%，高速柴油機降低70%。

1．2．6 選擇性催化還原法(SCR)

選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是指溫度在290～350℃下，利用還原劑(如氨氣、尿素溶液等)“有選擇性地”與NOx在催化劑涂層上進行催化還原反應(而不與氧發生反應)生成無毒無污染的N2和H2O。主要發生以下反應:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，6NO2+8NH3→7N2+12H2O。芬蘭某公司的V6R32E型中速柴油機，采用SCR系統后NOx降低85%，CO和HC均降低70%;MAN B＆W公司的6S35MC型柴油機應用SCR系統后，脫硝率在90%以上;此外，還有德國西門子公司的SINOX技術、美國RJM公司的SCR系統、加拿大DCL公司的SCR系統等。由此可見，SCR技術具有很高的NOx凈化效率，能夠達到Tier II和Tier III的排放要求。此外，使用該技術還可以在反應器中氧化去除部分煙氣和碳氫化合物，不會造成油耗率和排氣黑煙的增加。當然，SCR裝置也存在尺寸大、初投資高的問題。基礎型SCR體積與發動機相當，其投資費用是船舶的5% ～8%，是船舶柴油機的50%。盡管如此，因為SCR技術可以非常有效地降低船舶柴油機NOx排放，所以，還是成為降低NOx排放的首選技術方案。

1．3 顆粒物排放控制

柴油機排放的顆粒物組成較為復雜，但主要因素有:燃油不完全燃燒產生的微小碳煙、潤滑油組分不充分燃燒、燃油和氣缸潤滑油中的灰分含量、燃油中未燃燒部分、燃燒產物以及潤滑油中的硫酸鹽和水分。船舶排放的顆粒物多數都小于10 μm，能夠進入人體肺部的深處且對人體健康造成傷害。目前，對船用發動機排氣的顆粒物凈化，就機內控制來說，可以從提高噴油壓力，改善油氣混合質量入手。而機外凈化技術，當屬微粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，它可將排氣中微粒捕捉不使其排出機外，再利用催化劑、氧化器、燃燒器等進行分解、燃燒。這種裝置可將船舶柴油機排氣中有害物微粒減少70%～90%。用來捕集微粒的過濾器的材料和結構有許多種，常用的有整體式陶瓷、金屬絲網、紡織纖維圈、陶瓷纖維、泡沫陶瓷等。排氣系統中安裝DPF后將會使船舶柴油機的排氣背壓提高，功率下降。DPF上沉積的微粒越多，排氣背壓越高。因此，必須定期清除沉積在DPF上的微粒(稱為DPF再生)。DPF再生有主動再生和被動再生2種技術，將二者結合起來應用，效果顯著。另外，旋風分離器也可減少顆粒物的排放，它能將顆粒物中粒徑大于0．5 μm的顆粒分離出去;還可采用靜電沉淀分離器，可減少99%顆粒物的排放，但設備造價較高。當然還有其他新技術，如船舶廢氣反應器(IESI)對發動機顆粒物凈化率可達到80%以上。

2 目前運用的關鍵技術及系統構成

2．1 目前運用的關鍵技術

使用機內控制技術降低NOx排放，總會或多或少帶來燃油經濟性的惡化或微粒排放增加，且機內控制技術無法實現零排放。為了滿足日益嚴格排放法規，需要使用機外凈化技術降低污染物排放。柴油機去除NOx的主要后處理技術包括:選擇性催化還原法(SCR)、非選擇性催化還原法(NSCR)、稀NO技術等。在所有的后處理技術中，選擇性催化還原法(SCR)被公認為最成熟、最有效的措施，它在柴油機NOx排放中的應用正在逐步推廣。

2．2 系統構成

以瓦錫蘭SCR系統為例，對船舶SCR系統做一個簡單介紹，如圖1所示。

圖1 瓦錫蘭公司SCR系統布置示意圖

船舶SCR系統主體部分包括:SCR催化器、尿素罐、尿素計量單元、尿素泵、噴嘴、高壓氣瓶(工作空氣)、控制器、吹灰系統、混合器等。控制器根據相應的輸入(如發動機轉速、扭矩、催化器溫度、催化器出口NOx濃度等)實現對還原劑計量單元的控制，調節還原劑的流量，并根據相關的傳感器信號，對整個系統的運行狀態進行監測。尿素泵根據控制指令，實現尿素溶液的噴射，尿素溶液在排氣管路和催化器中分解成氨氣，在催化作用下，選擇性的將NOx還原成無害的氮氣和水。吹灰系統用于對催化劑積灰的吹掃，防止催化劑堵塞，保證良好的活性。混合器用于改善尿素液滴和排氣混合的均勻性。壓縮空氣的作用是為實現尿素溶液的良好噴射和霧化。

SCR法是一種運用化學催化反應原理，即利用NH3有選擇性的催化還原NOx反應，將有害氣體NOx轉化為無害的氮氣和水的后處理裝置。決定SCR轉化效率因素很多，主要可以分為還原劑、催化劑、反應溫度、廢氣中其他組分如水蒸氣、硫化物、氧氣等、催化器物理結構等5類。

目前，最常用的還原劑有氨氣、尿素、氰尿素、密胺等。由于氨氣有毒、易揮發泄漏、不易攜帶等原因，使用它催化還原移動源NOx存在一定的困難。因此，目前常用的是采用尿素溶液代替氨氣。由于尿素在溫度稍高時就容易水解成為NH3，故在催化反應劑前，通過噴嘴噴入尿素霧化溶液，尿素在高溫廢氣中分解生成NH3。對于催化劑而言，目前已用于工業生產的主要是欽釩基蜂巢狀催化劑(V2O5-WO3-TiO2)。該類催化劑抗硫能力較好，但是低溫催化效果并不理想。對于不同的催化劑，其催化溫度窗口也是不同的，溫度過高或過低都會造成催化劑活性失效，影響催化效率。此外，水蒸氣、硫化物也會抑制催化效率。其中，在溫度較低時，硫化物還容易堵塞催化劑，造成排氣的背壓增高。催化器的物理結構對催化效率影響也很大，一個合理的結構，不但要使催化器內廢氣流動均勻、排氣背壓小，而且催化器內NH3分布也要求均勻。

SCR的最大優點是可以減少80%～95%的NOx，從而滿足有關排放法規的NOx限制要求，這也是目前發動機制造廠、造船業十分看好SCR的主要原因。此外，使用這種裝置，不會造成耗油率和排氣黑煙的增加，不存在最終排放物的清除問題，且還具有消聲降噪的效果。然而SCR也存在不少問題，最大的問題是尺寸大、投資大。基礎型SCR的體積與發動機相當，其投資費是船價的5% ～8%，是柴油機的50% 。尺寸大，對于本來空間十分有限的船舶，自然有不堪擁擠之患;高額的投資，難免令船東或使用者重負難擔;SCR的使用費(主要是還原劑消耗)也較高。除以上問題外，因氨的逸漏和新的反應生成物的產生，而使SCR有潛在的污染和毒性危險，堿性物質、蒸汽、重金屬等會破壞及降低催化劑的效能，從而限制了SCR的使用壽命。如果主機使用高硫份燃油，SCR有被在催化還原過程中生成的硫酸氨堵塞的危險。無疑，這些問題或缺點的存在，是影響SCR技術真正步入普遍推廣應用階段的嚴重障礙。為解決這些問題，西門子公司、蘇爾壽公司和日本的有關研究機構，做了大量的研究發展工作，并取得了顯著成果，不同程度地克服了上述缺點，大大提高了SCR的實用性。

3 結語

在柴油機排放中，SOx和NOx是主要的限制對象。隨著排放控制標準的逐步提高，任何單一控制技術都難以達到要求。本文通過分析現有的主流控制排放技術，結合船舶應用實例，試圖找出一個結合改善燃油，提高機內控制技術，綜合對SOx和NOx機外排氣凈化的新的研究方向并作出一些有益的探索。

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