船用中速柴油機IMO Tier III排放控制技術

王繼勇,王增英,秦 娟

（濰柴重機技術中心,山東 濰坊 261108）

船用中速柴油機IMO Tier III排放控制技術

王繼勇,王增英,秦 娟

（濰柴重機技術中心,山東 濰坊 261108）

本文介紹了IMO Tier II和Tier III排放法規，對船用中速機降低NOx排放的最重要的技術進行了分析和總結，指出了各種方法的優缺點，提出了組合實施的改進方案。

船用中速柴油機；Tier III；排放；IMO

0 前言

2008年10月，國際海事組織海洋環境保護委員會（MEPC 58）制訂了針對NOx的排放法規。凡是在2011年1月1日后鋪設龍骨的船舶必須滿足IMO Tier II NOx排放法規，并且在全球海域強制執行。

表1 NOx排放限值

接下來的Tier III階段對每個負荷點的NOx排放都有所要求（Not-to-Exceed要求），即排放循環內每個負荷點的NOx排放不能超過循環平均值的50％。其次，TierII排放法規的NOx檢測點在發動機增壓器后，但Tier III的檢測點在輪船煙囪末端，這意味著發動機制造商需要對整個排氣管負責。另外Tier III沒有一個適用于各海域的NOx限值，其限值取決于船舶運行的區域，這與IMO Tier II顯著不同。在排放控制區域（ECA區域），Tier III的NOx排放量比Tier I低80％；在非排放區域則執行Tier II排放。不同區域如圖1所示。

為了滿足IMO Tier III限值，各國采取了大量降低NOx排放的技術，既有機內的又有機外的。著眼于提供解決Tier III排放的技術路線，本文對船用中速機降低NOx排放的最重要的技術進行了分析和總結。

圖1 現存的、計劃的和正在討論的排放控制區

1 船用中速柴油機降低NOx排量的技術概述

船用中速機降低NOx的方法可以簡單概括為四大類：機內凈化（Internal）、噴水法、廢氣再循環（EGR）和選擇性催化氧化（SCR）。以Tier I NOx排放限值為基準，各種降低NOx措施的潛能如圖2所示。SCR和EGR具有將NOx降低80％的潛能。機內凈化和噴水法（例如乳化油法FEW和進氣加濕法HAM）分別能將NOx降低30％～60％。

圖2 各種降低NOx措施的潛能

使用噴水法減少NOx排量，所需要的水量是按照每下降10％NOx，需加入1 ％的水的規律運行。一般柴油機允許在全負荷下加入20 ％的水。這種混合從燃油角度來講并沒有什么限制。雖然噴水法法具有較大的潛力，但是考慮到要增加額外的設備，也不太實用。

對于機內凈化，盡管也不能使NOx排放降低80％，但是有效地機內凈化不但能夠使SCR或者EGR發揮更大功效，還有利于提高發動機的經濟性和可靠性，降低運行成本。一些發動機機內凈化措施，例如電噴技術、可變進氣和可變幾何渦輪增壓器，對Tier III的實現變得尤其重要。

2 船用中速柴油機NOx排放控制技術

2.1 機內凈化

對于NOx的生成機理，目前研究的結果是：一般認為NOx是在高溫富氧條件下產生的。當燃燒溫度高于2300K時，如果缸內某一區域氧氣濃度比較高，此時必然產生NOx。因此合理的燃燒過程是首先是降低初始燃燒溫度，實現NOx排放下降，然后保持快速燃燒和較高的燃燒溫度使整個燃燒過程縮短，改善燃油經濟性。主要的發動機機內凈化包括米勒循環、提高進氣壓力、可變配氣正時和提高燃油噴射壓力和噴油速率控制等技術。

米勒循環的核心是使氣門在下止點之前關閉，這使得進氣在被壓縮前就得到膨脹和冷卻、整個燃燒過程的溫度降低，從而降低NOx排放。為了消除提前關閉進氣門的影響、保證缸內進氣量保持恒定，采用米勒循環時必須同時采用高增壓措施。

2.2 選擇性催化氧化（SCR）

SCR使用NH3將排氣中的NOx轉化為無毒的氮氣和水。然而，NH3本身是有毒的不便于直接使用，因此目前普遍采用32.5％或者40％濃度的尿素替代NH3。尿素分別在排氣管和催化器中進行兩次化學反應。第一次是在炙熱的排氣中分解為NH3和CO2。降低NOx的反應發生在催化器中，NH3和NOx反應生成水和氮氣。整個 SCR反應能夠寫作：

如果尿素的量超過了理論當量比就會產生NH3泄露。為了避免破壞環境，就需要完善尿素噴射的控制策略。可以通過使用NOx傳感器形成一個閉環控制，但是這樣需要在船上增加設備。也可以通過臺架標定形成基于特性MAP圖的控制策略，從而達到防止NH3泄露而不增加設備。

燃用重油的船用中速柴油機還需要解決更多的技術難題。首先，重油屬于殘渣油，其中含有大量灰分和硫。灰分會附著在觸媒層上，如果不及時去除會堵塞催化器。其次，燃用重油后產生的硫化物會影響SCR的效率。在不同的硫化物含量下，低于某一溫度，NH3會和氧化硫反應生成硫銨。溫度曲線見圖3。硫銨是粘性的固體物質，能夠堵塞催化器，導致轉換效率降低、排氣被壓增加。

由于船用中速柴油機效率比較高，渦后排溫有時會接近甚至低于圖3所示臨界溫度。一種解決方案是停止尿素噴射，在無NH3的情況下催化器本身能夠承受高的硫含量。這種方案可以在非ECA區域實施。在ECA區域，必須使用提高排氣溫度的技術，可行的技術有進氣旁通、排氣旁通或者可變渦輪（VTA）技術。考慮到燃油消耗、購機費用和維修費用，對單級增壓發動機首選排氣旁通；對于用于定距槳或者兩級增壓發動機則首選VTA技術。

2.3 廢氣再循環

廢氣再循環（EGR）控制方式，根據發動機的轉速、負荷、溫度、進氣流量、排氣溫度等參數控制EGR閥，排氣中的部分廢氣經EGR閥進入進氣系統。廢氣再循環 （EGR）是將一部分柴油機自身產生的廢氣冷卻后再混入進氣中，來降低過量空氣系數和降低最高燃燒溫度的原理來進行的。廢氣的熱容量較高，吸熱量大，在氣缸中將進一步降低局部燃。基于EGR的IMO Tier III策略必須在發動機上安裝一套EGR系統，其優點是初期投入少，占用空間小。但是另一方面，EGR技術也需要克服一些挑戰。一套滿足Tier III的可行的EGR解決方案應該包括以下幾個方面：

圖3 SCR所需排氣溫度以及典型的發動機渦后排溫

（1）可控的兩級增壓系統。

（2）能夠達到2200bar噴射壓力的共軌燃油系統，并且具有多次噴射的能力以控制顆粒物排放。

（3）更高的缸內平均有效壓力。

（4）耐沉積、耐腐蝕的EGR系統。

如圖4所示，包括EGR洗滌、水處理器、EGR冷卻器、EGR泵和EGR閥。洗滌器能夠去除排氣中的灰分和氧化硫，防止其堵塞、腐蝕EGR系統。通過冷卻廢氣，降低進去氣缸的沖量溫度，有利于降低NOx排放。EGR泵能夠解決部分負荷排氣壓力低于進氣壓力的問題，使EGR率在各個工況都可以靈活控制。EGR閥的開關易于控制，能夠實現發動機在ECA區域內外的靈活切換。

圖4 船用中速柴油機EGR系統

2.4 可行的技術組合

表2

3 結論

排放法規的不斷強化推動著船用中速柴油機排放控制技術的不斷革新。機內凈化仍然是優化發動機的重要措施和基礎。SCR或者EGR技術都具有使發動機達到Tier III的潛能，但是單一技術都無法使柴油機達到Tier III排放，達到排放限值是多種技術的綜合應用。

[1]國際海事組織公約[S].

[2]周龍保.內燃機學[M].機械工業出版社.

[3]WEICHAI-MAN工程指南-GenSet_Tier II[S].