船舶柴油機尾氣降污處理方法研究

陳永芳

摘 ?要：現階段船舶動力裝置都是采用柴油機作為主動力， 對環境造成了巨大的污染。本文提出了減少NOX排放的控制策略，分析尾氣生成機理，對尾氣降污處理方法進行了研究。

關鍵詞：柴油機尾氣 ?降污處理

隨著經濟的快速發展， 交通運輸量持續增加，給海運市場帶來極大的發展機遇，隨之而來的是船舶的持續增加。現階段船舶動力裝置特別是大型的遠洋運輸船都是采用柴油機作為主動力。它帶給人類便捷和舒適的同時， 也對環境造成了巨大的污染。隨著人們對環境保護的日益關注，降低尾氣有害氣體排放問題便成為各國面臨的熱點問題之一。柴油機尾氣中含有大量有害氣體，如一氧化碳、二氧化碳、硫化氣體、氮氧化合物及顆粒塵埃等，這些氣化氮毒性較一氧化氮更強，二氧化氮與空氣中的水分結合會形成強酸，當人體吸進后會對神經產生麻痹，對肺部產生刺激，造成身體上的傷害。據國際海事部門提供的資料顯示，每年世界船舶排放的氮氧化合物的總量達到600萬噸以上，占世界排放總量的7%。為了減少船舶對自然環境的危害，國際海事組織制定了越來越為嚴格的排放標準，所以適應新標準是每一艘船舶所要解決的問題。

尾氣處理方法

通過大量的的實驗研究，人們發現在柴油機燃燒過程中，影響NOX生成率主要有三個因素：燃燒溫度、燃空當量比和已燃混合氣在高溫停留時間。

因此人們提出了各種減少NOX排放的控制策略，雖然減排的方案層出不窮，但本質上都是圍繞在燃燒過程中的溫度和氧的濃度進行的。常用的方法包括：①優化結構設計和工作參數;②直接噴水（DWI）和燃油乳化（FWE）技術;③選擇性催化還原技術（SCR）;④廢氣再循環技術（EGR）;⑤均質混合壓縮著火 （HCCI）燃燒模式;⑥進氣加濕降低柴油機NOX排放暨HAM技術。

尾氣生成機理

柴油機的燃燒過程非常復雜，涉及到流動、壓縮、燃燒、傳導等多個過程，整個過程是物理與化學過程的綜合。在研究過程中，將氣缸視為一個獨立的熱力系統，由活塞、缸套、氣缸蓋組成的封閉空間為研究空間。助燃氣體狀態一般由壓力P、質量M、溫度T等參數確定，考慮用熱力學三大定律及各種狀態、質量方程將整個燃燒過程表達出現，確定氣缸內的基本的工作參數。

1、壓縮階段基本方程和氣缸容積確定

1.1 基本方程

能量守恒方程（熱力學第一定律）可寫成下列通用形式：

■ ? ?（1）

式中 U—系統的內能;W—作用在活塞上的機械功;Qi—通過系統邊界交換的熱量;h—比焓;■—質量;■—帶入（或帶出）系統的能量。

1.2 瞬時容積

氣缸的瞬時容積為：

■ （2）

式中：Vh：氣缸行程容積;Vc：余隙容積;S：活塞行程;D：氣缸直徑;？孜：壓縮比;？姿S：連桿曲柄比。

氣缸容積隨曲軸轉角的變化率為：

■ ? ? （3）

將上述公式進行整理，最后得到氣缸表面積隨曲軸轉角的變化率：

■ （4）

1.3 壓縮始點缸內氣體成分

柴油機在缸內過程壓縮始點，缸內壓力、溫度為掃氣箱內增壓壓力和增壓空氣溫度，并且壓縮始點氣缸內的空氣用理想氣體方程■來求解出氣體摩爾數。

缸內氣體成分及比例的確定：標準干空氣的摩爾質量■，其摩爾比例依次為：O2=0.209495;N2=0.780881;CO2=0.0003;Ar=0.009324。

相對濕度為？準的空氣各氣體成分的摩爾比例：

■ ? （5）

其中：■， ■， ■， ■， Ar為缸內氣體各成分的摩爾比例。

■ （6）

式中：d：空氣中含濕量g/kg;P：空氣壓力0.1MPa;■：水蒸氣飽和壓力0.1MPa;■：空氣濕度。

濕空氣的摩爾質量：

■ ? （7）

濕空氣的氣體常數R濕=8315/M濕

2、燃燒階段熱力學

根據燃燒理論的基本假設，氣缸內的各種化學反應都可認為是瞬時達到化學平衡，氣缸內燃燒產物的參數（燃燒產物平均相對分子質量M、摩爾分數xi、內能u氣體常數R、焓h、）與基本參數（缸內壓力P、溫度T、當量空氣比F）具有一定的函數關系。根據氣缸內燃燒后的基本參數即可求得燃燒產物的參數。

燃料的分子式一般表示為CkHmOlNk（其中k、l通常為0），根據化學反應平衡原理，若燃料完全所需的氧氣的理論量為■。在燃燒化學反應過程中，一般的燃燒產物包括12種：H、O、 N、OH、NO、H2、N2、 O2、CO、CO2、H2O， Ar，依次用x1-x12表示其摩爾分數。可知，產生1摩爾燃燒產物的燃料為x13摩爾。燃料和空氣的化學反應式為：

■ ? （8）

■ ?（9）

■ ?（10）

3、膨脹階段基本方程確定

氣缸內的膨脹階段與壓縮過程相近，但是在物質上增加了一次噴油量，根據能量守恒將該過程簡化為：

■ ? ?（11）

4、柴油機NOX生成量計算

柴油機排放產物中的有害氣體很多，包括硫氧化合物、碳氧化合物及氮氧化合物，在這些化合物中，因燃料及助燃介質的化學構成決定硫氧化合物、碳氧化合物含量較小，氮氧化合物含量很大，而氮氧化合物中又以NO最大，NO2的含量很少，所以在計算燃燒產物中以NO為計算主體。

4.1 NO生成速率計算

在NO生成速率的計算方面，認為其生成過程遵從擴大的Zeldovich機理，反應的控制方程為：

■

規定用K1，K2，K3…分別表示各反應控制方程的正反應速度常數;K-1，K-2，K-3…分別為各反應控制方程的逆反應速度常數。而在實際計算中通常只考慮前面三個主要反應，即式（12）、（13）、（14）。其中反應速度常數可由公式得知：

■

式中氣體常數R=1.986cal/（mol k）。

一氧化氮NO生成速率表達式為：

■ ?（25）

式子中[O]、[N]、[OH]、[N2]、[O2]、[NO]、[H]—分別表示相應的分子、原子的濃度，它們的單位是mol/cm3。將上式中（19）—（24）參數代入（25）計算NO的生成率。

結論

采用龍哥庫塔法對不同濕度的助燃空氣對燃燒產物的影響進行計算，得出燃燒產物（主要是NO）生成量的影響。

1、計算框圖

圖1 計算框圖

2、計算結果

圖2 各濕度下的NO生成量

（從上往下濕度分別為0%、30%、50%、90%、100%）

3、計算結果分析

表1 柴油機滿負荷時各濕度條件下NO的生成量

從計算結果分析：柴油機在滿負荷工作時，進氣濕度增大，NO排放量減少;進氣濕度與NO排放曲線近似一直線關系;進氣由濕度為0%增加到100%，柴油機NO排放減少約17.7%。

參考文獻：

[1] ?朱訪君， 吳堅. 內燃機工作過程數值計算及其優化[M]. 北京： 國防工業出版社， 1997：62-69.

[2] ?高孝洪. 內燃機工作過程數值計算[M]. 北京：國防工業出版社. 1986： 72-78.

[3] ?劉玉珂. 船舶柴油機NOX排放控制措施[J]. 世界海運. 2007， 30 （3）， 54-56

[4] ?黃萬能. 船用柴油機減少NOX排放措施的方法[J]. 中國修船. 2007， 20（3）， 17-19.

[5] ?李農. 減少船用柴油機NOX排放的技術措施[J]. 世界海運. 2000， （3）， 49-51.

[6] ?蔡春. 有效減少船舶柴油機NOX排放的技術分析[J]. 中國修船. 2008， 21（3）， 14-19.

[7] 朱參， 尹琪， 鄔靜川. 船用大功率柴油機排放控制與測設[J]. 內燃機工程. 2002， 30（4）， 72-76.

[8] 魏安， 韓雪峰， 呂待辰， 徐曼平. 遠洋船舶NOX排放量的測量[J]， 重慶交通大學學報（自然科學版）.

項目來源：浙江省科學技術廳2012年生態省建設目標責任制考核重大科技項目

（作者單位：浙江國際海運職業技術學院）