船舶柴油機(jī)尾氣煙度測(cè)試技術(shù)方案研究

喬紅宇

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010）

隨著國(guó)際航運(yùn)業(yè)及船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，在航運(yùn)營(yíng)船舶數(shù)量越來(lái)越多。船舶數(shù)量的增長(zhǎng)一方面帶來(lái)了運(yùn)力的增加，另一方面則伴隨著船舶柴油機(jī)功率的不斷增大，船舶主機(jī)及發(fā)電機(jī)的尾氣排放對(duì)大氣污染也越來(lái)越嚴(yán)重。船舶柴油機(jī)在燃燒過(guò)程中，所形成的氮氧化物能引起酸化，形成對(duì)流層臭氧，營(yíng)養(yǎng)富集等不良環(huán)境影響，對(duì)全球人類健康造成危害。［1－2］

基于此，國(guó)際海事組織（IMO）于2008年通過(guò)了“船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案”（2008年氮氧化物技術(shù)規(guī)則，以下簡(jiǎn)稱“規(guī)則”）。該規(guī)則規(guī)定了船用柴油機(jī)試驗(yàn)、檢驗(yàn)和發(fā)證的強(qiáng)制性程序，以確保所有適用的船用柴油機(jī)符合規(guī)定的關(guān)于氮氧化物排放限值，降低大氣污染。該規(guī)則適用于所有已安裝或設(shè)計(jì)并擬安裝的功率大于130kW的船用柴油機(jī)。海事部門(mén)組織技術(shù)力量對(duì)船舶柴油機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果符合規(guī)則所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)已檢的船舶柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)證，主要是EIAPP證書(shū)、IAPP證書(shū)（EIAPP證書(shū)指與氮氧化物排放有關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)際防止空氣污染證書(shū)；IAPP證書(shū)指國(guó)際防止空氣污染證書(shū)）。［3－4］

為滿足上述規(guī)則的要求并對(duì)船舶柴油機(jī)尾氣煙度排放進(jìn)行有效精確的測(cè)量，南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）依托南通市南通市船舶動(dòng)力裝置綜合測(cè)試重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了船舶柴油機(jī)尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)，在明確了規(guī)則所規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確定了船舶柴油機(jī)尾氣排放測(cè)試的技術(shù)方案，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了有加熱預(yù)處理裝置和無(wú)加熱預(yù)處理系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)研究，得出了船舶柴油機(jī)尾氣煙度測(cè)試加熱預(yù)處理系統(tǒng)的必要性，對(duì)規(guī)則的順利履約提供了較好的參考，具有較強(qiáng)的技術(shù)價(jià)值。

1 氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)證規(guī)則

根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）的氮氧化物技術(shù)規(guī)則，海事主管部門(mén)首先進(jìn)行前期發(fā)證檢驗(yàn)，如經(jīng)檢驗(yàn)合格，主管機(jī)關(guān)簽發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)際防止空氣污染（EIAPP）證書(shū)。然后在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝上船后但尚未投入使用之前進(jìn)行初次發(fā)證檢驗(yàn)。該檢驗(yàn)主要是保證安裝到船上的發(fā)動(dòng)機(jī)包括前期發(fā)證后的任何改裝符合規(guī)則規(guī)定的氮氧化物排放限值。該檢驗(yàn)作為船舶初次檢驗(yàn)的一部分，可向船舶初次簽發(fā)《國(guó)際防止空氣污染（IAPP）》證書(shū)，也可對(duì)船舶有效IAPP證書(shū)予以修正已反映安裝了新發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，在每次發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了重大改裝后應(yīng)重新進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)符合規(guī)則要求，并對(duì)簽發(fā)EIAPP證書(shū)和IAPP證書(shū)進(jìn)行修正。船舶柴油機(jī)的氮氧化物（NOX）排放標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 船舶柴油機(jī)尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)

依托南通市船舶動(dòng)力裝置綜合測(cè)試重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，我院設(shè)計(jì)了船舶柴油機(jī)尾氣排放煙度測(cè)試系統(tǒng)，其主要包括尾氣預(yù)處理裝置、分析儀、微機(jī)處理軟件系統(tǒng)等組成。［5－6］

尾氣預(yù)處理裝置主要包括帶蠕動(dòng)泵的帕爾帖氣體預(yù)處理單元（用于氣水分離）、用于長(zhǎng)期測(cè)量的新鮮空氣閥、加熱手柄（電源115～230V，50/60 Hz）、加熱采樣管（電源 230V/50Hz）、熱電偶（NiCr－Ni型，1.2m 長(zhǎng)，量程－200℃～＋1 200℃）、加熱取樣軟管、加熱軟管轉(zhuǎn)換接口、溫控儀等。如果不采用加熱預(yù)處理裝置，則采用模塊化采樣探針來(lái)替代該部分。

分析儀采用德圖testo 350加強(qiáng)型煙氣分析儀，主要包括包含傳感器（CO、NO、NO2、CO2、SO2、O2等氣體檢測(cè)傳感器），另外還配有溫度探桿插口 K 型（NiCr－Ni）和S型（Pt10Rh－Pt）熱電偶、數(shù)據(jù)總線接口、可充電電池、環(huán)溫傳感器、脈沖接口、數(shù)據(jù)內(nèi)存、USB接口等。分析儀內(nèi)部為氣體測(cè)試程序以及顯示裝置。另外配有手操器，可通過(guò)數(shù)據(jù)總線電纜或藍(lán)牙無(wú)線連接到分析箱，也可以與主機(jī)相連接。

微機(jī)處理軟件系統(tǒng)通過(guò)USB連接電纜連接分析儀/手操器，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、顯示及打印，并可以進(jìn)行交叉靈敏度的標(biāo)定，且對(duì)傳感器各自進(jìn)行補(bǔ)償。

船舶柴油機(jī)尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)（附帶加熱預(yù)處理單元）整體架構(gòu)如圖1所示。如果采用無(wú)加熱預(yù)處理裝置的尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)，則將采樣探針接至帶蠕動(dòng)泵的帕爾帖氣體預(yù)處理單元上，其余部分與圖1相同。

圖1 尾氣排放測(cè)試系統(tǒng)（帶加熱預(yù)處理單元）整體架構(gòu)

3 船舶柴油機(jī)尾氣排放測(cè)試方案設(shè)計(jì)

3.1 相關(guān)參數(shù)的獲取及試驗(yàn)條件

（1）吸入空氣的溫度及壓力。首先測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣的絕對(duì)溫度Ta，應(yīng)測(cè)量或根據(jù)式（1）計(jì)算干燥大氣壓力Ps，以kPa表示：

（2）冷卻介質(zhì)溫度和增壓空氣溫度。對(duì)于具有增壓空氣冷卻的船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)記錄冷卻介質(zhì)溫度和增壓空氣溫度，并需要提供中冷空氣參考溫度的試驗(yàn)或計(jì)算來(lái)證實(shí)。

（3）進(jìn)氣壓力限制。在尾氣測(cè)試時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)壓力應(yīng)保證在額定功率和滿載荷的轉(zhuǎn)速時(shí)規(guī)定的最大值±300Pa內(nèi)。

（4）排氣壓力限制。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力應(yīng)保證在額定功率和滿載荷的轉(zhuǎn)速時(shí)規(guī)定的最大值±650 Pa內(nèi)。

（5）燃油的限制。燃油的性能可影響發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放。因此，應(yīng)選擇正確的用于試驗(yàn)的燃油。建議使用DM級(jí)船用燃料。另外，燃油的溫度應(yīng)符合廠家的建議，并按照要求進(jìn)行記錄。燃油溫度應(yīng)在燃料噴射泵進(jìn)口處進(jìn)行測(cè)量，并且溫度和測(cè)量點(diǎn)應(yīng)予以記錄。

（6）其他參數(shù)的測(cè)量與記錄。主要包括：絕對(duì)濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、總大氣壓、增壓空氣冷卻器后的增壓空氣壓力、制動(dòng)功率、燃油流量、燃料齒條位置、空氣入口溫度、增壓空氣冷卻器后的增壓空氣溫度、增壓空氣冷卻器冷卻劑進(jìn)口/出口溫度、采樣點(diǎn)的廢氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)前的燃油溫度、海水溫度等。

3.2 船舶柴油機(jī)尾氣取樣及預(yù)處理

氣體排放物的取樣管可以安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器或最后一個(gè)后處理裝置（取最下部者）的出口之后至少10倍于排氣管直徑處，但同時(shí)至少在廢氣系統(tǒng)出口的上部0.5m或3倍于排氣管直徑（取大者）處。對(duì)于帶有旁通排氣支管的多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，取樣管進(jìn)口應(yīng)充分處于下風(fēng)口以確保試樣能代表從所有氣缸排出的平均廢氣排放。對(duì)于帶有不同支管組的多氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，需要分別從每組廢氣管處取樣并計(jì)算平均廢氣排量。另外，需要從一組中取樣以代表平均廢氣排量。對(duì)于廢氣排放計(jì)算，必須采用總廢氣質(zhì)量排量。

加熱取樣管路取樣管路由不銹鋼制成，其內(nèi)直徑為11.5mm，其主要作用是提供氣體試樣給煙度分析儀。取樣管的廢氣溫度應(yīng)不低于190℃，該溫度有溫控儀來(lái)進(jìn)行控制。加熱管中配有長(zhǎng)為1.2m的NiCr－Ni型熱電偶，用來(lái)測(cè)量尾氣進(jìn)口溫度。取樣點(diǎn)至分析儀的廢氣溫度一直保持為190℃左右，使用加熱的過(guò)濾器和加熱取樣軟管。另外，加熱手柄一方面允許操作人員對(duì)取樣管進(jìn)行，另一方面還提供了通訊接口及控制元件使尾氣始終保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。

帕爾帖氣體預(yù)處理器主要連接煙度分析儀和采樣管，其作用一方面是用于氣水分離，另一方面是提供自動(dòng)調(diào)節(jié)流量的主氣泵，其流量是恒定的，一般控制在1L/min，誤差為±0.1L/min。

3.3 分析儀的檢查與響應(yīng)

在進(jìn)行船舶尾氣煙度測(cè)量前，應(yīng)檢查分析儀的零位和滿量程值，必要時(shí)應(yīng)對(duì)分析儀進(jìn)行調(diào)整。

在穩(wěn)定測(cè)試時(shí)，實(shí)時(shí)記錄在試驗(yàn)過(guò)程和所有零位和滿量程響應(yīng)檢查過(guò)程中分析儀的輸出，記錄時(shí)間不小于10min，對(duì)每個(gè)零位和滿量程響應(yīng)的檢查時(shí)間不小于3min。對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取樣頻率至少每分鐘三次。測(cè)量的CO、HC和NOX濃度以ppm或等效方式記錄并至少精確到最接近整數(shù)位。排放試驗(yàn)后，使用零位氣體和測(cè)量前使用的相同滿量程氣體對(duì)分析儀的零位和滿量程響進(jìn)行重新檢查。試驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)是，在試驗(yàn)之前和之后零位氣體響應(yīng)相差低于初始滿量程氣體濃度的2%；在試驗(yàn)之前和之后滿量程氣體響應(yīng)相差低于初始滿量程氣體濃度的2%。

3.4 氣體排放量的修正及計(jì)算

由于氮氧化物的排放取決于環(huán)境空氣狀況，所以應(yīng)使用濕度修正系數(shù)khd來(lái)修正環(huán)境空氣溫度和濕度的氮氧化物濃度，如式（2）所示。

對(duì)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)：

式中Ta為空氣濾清器進(jìn)口的空氣溫度，K；Ha為空氣濾清器進(jìn)口的吸入空氣濕度，克水（g）/每千克干空氣（kg）。

得出修正系數(shù)后，根據(jù)分析儀的測(cè)試數(shù)據(jù)就可以得出氮氧化物的排放量，如式（3）所示。

式中qmgas為個(gè)別氣體排放質(zhì)量流量，g/h；ugas為廢氣成分密度和廢氣密度比率，依據(jù)相關(guān)規(guī)范取值，如表2所示；cgas為原始廢氣中各成分的濃度，ppm；qmew為廢氣質(zhì)量流量，kg/h；khd為 NOX濕度修正系數(shù)。

表2 原始廢氣的系數(shù)ugas和燃料參數(shù)

4 船舶柴油機(jī)尾氣排放測(cè)試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述的測(cè)試技術(shù)方案，筆者選取了某34 000DWT散貨船為測(cè)試對(duì)象，全長(zhǎng)179.8m，型寬27.0m，型 深25.0m。主 機(jī) 型 號(hào) 德 國(guó) MAN 6S42MC7，額定轉(zhuǎn)速為136rpm，額定功率為6 480 kW，凈重143t。船舶柴油機(jī)尾氣煙度測(cè)試的設(shè)備分為兩套，分別是帶有加熱預(yù)處理裝置和不帶加熱預(yù)處理裝置（僅為采樣探針）的分析裝置。應(yīng)用這兩套煙氣分析裝置分別對(duì)四個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量三次，以三次采樣測(cè)量的平均值經(jīng)過(guò)修正后得到最終的采樣數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 有無(wú)加熱預(yù)處理裝置的煙度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

從表3中可以得出，帶有加熱預(yù)處理裝置與不帶加熱處理裝置的煙氣分析儀在測(cè)量數(shù)據(jù)上有所差別，相比較而言，帶有加熱預(yù)處理裝置的測(cè)量結(jié)果更加接近于精確值。主要原因?yàn)椋?/p>

（1）由于從取樣到測(cè)量的整個(gè)管路流程均有相應(yīng)的加熱裝置，使得NOX以及其他尾氣的氣體成分更加接近于排氣管內(nèi)的狀態(tài)，使得測(cè)量結(jié)果的可信度更高。

（2）目前，主流的船舶柴油機(jī)尾氣煙度（NOX）方法為配有NO2/NO轉(zhuǎn)換器的加熱式化學(xué)熒光探測(cè)（HCLD），一般要求NO2轉(zhuǎn)換成NO的轉(zhuǎn)換率必須在90%以上，為保證熱反應(yīng)轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行，所以必須對(duì)取樣管路進(jìn)行加熱預(yù)處理。

（3）在船舶柴油機(jī)尾氣煙度測(cè)量中，一般NO2濃度較高，為避免尾氣冷凝，必須將取樣管路加熱到冷凝點(diǎn)以上。

所以，在測(cè)量船舶柴油機(jī)尾氣煙度時(shí)，船舶柴油機(jī)煙度分析儀必須附加煙氣加熱預(yù)處理裝置，取樣管的廢氣溫度要求一般不低于190℃。

5 結(jié)語(yǔ)

航運(yùn)業(yè)是我國(guó)進(jìn)出口貿(mào)易的核心支撐力量，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速穩(wěn)定發(fā)展的重要支撐。根據(jù)國(guó)際海事組織制定的氮氧化物技術(shù)規(guī)則，所有在航船舶均將需要EIAPP證書(shū)、IAPP證書(shū)方能適航。而面對(duì)已經(jīng)實(shí)施的國(guó)際規(guī)則，如何進(jìn)行船舶柴油機(jī)煙度測(cè)量，尤其是NOX的測(cè)量是海事管理部門(mén)及輪機(jī)工程技術(shù)人員當(dāng)前必須要解決的技術(shù)問(wèn)題。本文根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)則提出了船舶柴油機(jī)尾氣煙度測(cè)試技術(shù)方案，并設(shè)計(jì)了船舶柴油機(jī)煙度測(cè)試系統(tǒng)，然后應(yīng)用兩套煙度分析儀（有加熱預(yù)處理裝置和無(wú)加熱與處理裝置）對(duì)同一個(gè)船舶柴油機(jī)進(jìn)行了煙度的測(cè)量，并從機(jī)理上分析了加熱預(yù)處理裝置的必要性，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義與借鑒價(jià)值，并為今后船舶柴油機(jī)煙度測(cè)量的實(shí)施以及海事部門(mén)的發(fā)證提供了參考。

［1］ 范金宇，陳景鋒，黃加亮.控制船用柴油機(jī)NOx和煙度排放的試驗(yàn)研究［J］.船海工程，2007（1）：75－78.

［2］ 劉建華，陳景鋒，陳丹.船用柴油機(jī)NOx排放的試驗(yàn)研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000（4）：37－41.

［3］ 國(guó)際海事組織（IMO）.船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案［S］.

［4］ 國(guó)際海事組織（IMO）.Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships［S］.

［5］ 包帥善.柴油機(jī)煙度排放測(cè)試技術(shù)的發(fā)展［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2006（2）：1－4，8.

［6］ 曹躍芳.柴油機(jī)煙度測(cè)量問(wèn)題的探討［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2006（3）：32－35.