船舶滿足IMOTierⅢ技術探討

羅志平，李聰玲

（廣州廣船國際股份有限公司，廣州 511462）

1 前言

NO是無色無味、毒性不大的氣體，但高濃度時能導致神經中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強的紅棕色氣體，可對人的呼吸道及肺造成損害，嚴重時能引起肺氣腫，甚至會導致生命危險。氮氧化合物NOX不僅造成一次污染，還會對環境造成二次污染，排放到大氣中的NOX會形成光化學煙霧和酸雨，對人、植物、建筑物、水源等都有嚴重的污染和損害。可見，NOX對環境污染及人體健康的危害是極其嚴重的。大氣中的NOX主要來自燃料燃燒，因此控制燃燒過程NOX的生成與排放是保護環境的根本方法。基于上述原因，柴油機排放物中的NOX對環境的嚴重污染引起了世界范圍的普遍關注，因此限制其排放的法規亦越來越嚴格。

對于船舶，IMO TierⅢ氮排放標準將于2016在排放限制區進入強制實行階段，TierⅢ對NOX排放將由TierⅡ的14.4 g /kWh下降為3.4 g /kWh，下降幅度之大前所未有。

目前NOX排放限制區有波羅的海、歐洲北海、北美洲沿海，未來可能增加墨西哥沿海、日本沿海、地中海、非洲南部沿海、澳大利亞沿海、加勒比海及馬六甲海峽，這些區域都是航運要道，因此在2016年后全球大多數船舶都將要頻繁穿越TierⅡ及TierⅢ區域，這就要求TierⅢ新技術必須能穩定及靈活運行。TierⅢ要求氮排放將比TierⅠ下降80%，而且TierⅢ要求監測主機運行區間內的每一點的NOX排放不能超過整個區間平均值的1.5倍，而通常為了減少微粒和黑煙的產生，低負荷運行區域的高NOX排放是允許的，因此這將對船舶行業造成嚴峻的挑戰。

2 滿足TierⅢ的技術手段

為滿足TierⅢ要求，根據現有技術可以通過以下三種方式：主機技術、尾氣后處理技術及選擇合適的燃料及油品。

2.1 主機技術

2.1.1 NOX的生成機理

迄今為止，人們對NOX的生成機理進行了大量的研究，但尚未達成共識，比較容易接受的是前蘇聯科學家Zeldvich于1964年提出的機理：柴油機排放的NO并非來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應，它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續高溫而形成的，在膨脹和排氣時有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NOX和其它氮氧化物。

按化學反應動力學方程和Zeldvich的實驗結果可知：

NO生成速度與反應絕對溫度（K）、T、N2的濃度（mol/cm3）[N2]及O2的濃度（mol/cm3）[O2]有關。由于燃料在空氣中燃燒時，[N2]變化很小，故[N2]對NO生成速度影響很小； [O2]取決于燃燒過程中燃料與空氣的當量比，所以燃燒過程的溫度及當量比對NO的生成影響很大。因此，柴油機燃燒過程中噴射各區均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產物的冷卻速度和滯留時間（即高溫下所占燃燒循環的時間量）等因素有關。

從理論上講，柴油機的NOX排放是無法避免的，但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以限制。根據NOX的生成機理，其相應的抑制手段有：

（1）降低燃燒溫度，注意減少燃燒局部高溫區；

（2）降低氧氣濃度；

（3）使燃燒過程在遠離理論空氣比條件下進行；

（4）縮短煙氣在高溫區內的停留時間。

2.1.2 進氣系統優化

對進氣系統進行優化設計，主要目的是在提高充氣效率的同時，降低燃燒溫度，進而減少NOX的生成。本技術的根據是Miller循環在下止點前提前關閉進氣閥，其顯著效果是通過影響壓縮比降低了在氣缸壓縮及膨脹階段的溫度，燃燒溫度降低，NOX的生成自然減少。為了保持空氣燃油比，即保持主機的熱負荷，提高進氣增壓來補償主機進氣沖程提前關閉進氣閥的進氣損失。在W?rtsil?20的中速試驗機上的雙級進氣增壓系統上證明，在進氣壓縮率為9時，可以減少NOX排放約40%。

2.1.3 噴油系統的優化

噴油系統的優化就是使燃油噴射參數最佳化。這些參數包括噴油定時、噴油壓力、噴油速度和噴孔結構等。通過參數的優化來抑制預混合燃燒，即減少在滯燃期內形成的可燃混合氣量是降低NOX排放的有效途徑。

（1）優化噴油定時

NOX排放對噴油定時極為敏感。延遲噴油可降低NOX排放，但必須合理調整燃燒系統及噴油系統的其他參數以減少油耗、煙度和微粒排放方面的損失。為減少延遲噴油對經濟性的不利影響，可采用較高的壓縮比和較高的噴油壓力。采用電控技術和根據運行工況調節噴油始點，可降低NOX的排放。

（2）優化噴油壓力

提高噴油壓力可有效地改善燃料的霧化性能，使燃燒過程得到改善，故可以補償由于延遲噴油造成的油耗上升，但這又使延遲噴油以降低NOX排放的目的落空。為了減少NOX排放應該降低噴油壓力，而噴油壓力降低后又會使微粒排放增加。

（3）優化噴油速度

當噴油提前角一定時，提高噴油速度，可以使柴油機產生的NOX較少。提高噴油速度與延遲噴油相結合亦可減少NOX的排放。另外，噴油速度還與HC、碳煙的排放及燃油消耗、噪聲有關，應綜合權衡以謀求各參數的最佳值。

（4）優化噴孔結構

噴油器噴孔直徑和數目對柴油機排放也有明顯的影響。當循環供油量與啟噴壓力一定時，減少孔徑會減少初期噴油量，抑制預混合燃燒和最高燃燒溫度，以減少NOX的生成。當噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數，可降低流阻，改善燃油的霧化和分布，因而能降低NOX的排放。

2.1.4 燃燒室噴水冷卻技術

水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最高溫度；水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降低。該技術在降低NOX排放的同時，還有利于改善燃油經濟性和排氣煙度，并有降噪的作用。噴水冷卻有如下形式：濕化，使壓縮空氣成含水量飽和狀態，可以減少NOX排放約40%；用超聲波將燃油與水乳化后噴入燃燒室，這種方法可以減少NOX排放20%；通過附加噴嘴把水直接噴入燃燒室；在噴嘴的兩個燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室，可以減少NOX排放約50%。但如何控制噴水的時機、數量和噴嘴的腐蝕等問題還有待于進一步研究。

2.1.5 采用廢氣再循環技術

采用廢氣再循環(EGR)是降低NOX排放的一項極為有效的措施。EGR在所有負荷條件下都可以有效減少NOX排放。將定量廢氣引入柴油機進氣系統中，再循環到燃燒室內，有利于點火延遲，增加了參與反應物質的熱容量以及CO2、H2O、N2等惰性氣體對氧氣的稀釋作用，從而可降低燃燒最高溫度，減少NOX的生成。大約60%～70%的NOX是在高負荷時產生的，此時采用合適的廢氣再循環率對于減少NOX是很有效的。廢氣再循環率為15%時，NOX排放可以減少50%以上；廢氣再循環率為25%時，NOX排放可減少80%以上。但隨著廢氣再循環率的增加，發動機燃燒速度變慢，燃燒穩定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“熱EGR”還可以同時減少HC和PM的排放，并且不會增加油耗，且在中、低負荷時凈化效果更佳。由于EGR氣門的升程信號會因氣門座積碳而不能正確反映EGR量，其響應速度較慢，所以廢氣再循環量應通過進氣流量和EGR氣門的升程信號相結合來反映。

EGR系統在MAN4T50MEX試驗機進行測試，可以減少超過85%的氮氧化物排放。采用EGR需要增加一些如下設備：氫氧化鈉柜（2.0 m3/MW）、雜質柜（1.5 m3/MW）水處理系統（1.0 m3/MW）、收集柜（0.2 m3/MW）、接線箱（0.2 m3/MW）

2.2 尾氣后處理技術

2.2.1 選擇非催化還原（SNCR）

SNCR技術只能在一定的溫度區間(800℃～1000℃)使用。而柴油機排氣不可能達到這樣高的溫度，只能通過在柴油機膨脹過程中向氣缸中噴入氨水來實現，但效果不很理想。該技術只是在發電廠得到了廣泛應用，在柴油機上尚未應用。

2.2.2 非選擇催化還原（NSCR）

NSCR技術是將還原劑(如氨氣、尿素、HC)噴入排氣管中，在催化轉換器的作用下與廢氣中的NOX進行反應。由于廢氣中含氧量較高，還原劑很容易直接被氧化，故消耗量極大。

2.2.3 選擇催化還原（SCR）

SCR的原理與NSCR相似，也是將NH3加入到高溫廢氣中與NOX發生反應生成N2和H2O，只是催化劑配方不同。NOX的還原反應在選擇性催化轉化器中被加速，還原劑的氧化反應被抑制，這種方式被證明可以減少NOX排放達到90%以上。

尾氣處理技術比較成熟，對于船舶來說，因為機艙空間的限制，最大的挑戰是額外增加的尺寸、運行成本（尿素的消耗）及尾氣溫度的控制（接觸氧化還原的溫度要求）。發展趨勢是和洗滌塔（S處理）統籌考慮，主機做成一體化，減少安裝尺寸。

2.3 選擇合適的燃料及油品

2.3.1 提高燃油十六烷值

十六烷值在柴油機燃料參數中對NOX排放影響最大。十六烷值較高時，由于其穩定性變差，極易裂解為碳煙。柴油機排氣煙度較高，但其發火性能好，柴油機點火延遲期縮短，缸內溫度與壓力降低，NOX排放亦降低。當十六烷值從40提高到50時，NOX排放可降低10%左右。

2.3.2 使用柴油添加劑

在柴油中添加適量的硝酸鹽、亞硝酸鹽和各種過氧化物，可以提高燃料的十六烷值，縮短著火延遲期，使得NOX排放減少。但使用添加劑會導致二次污染。

2.3.3 使用代用燃料

可以采用醇類、氫氣和天然氣等代替柴油。柴油機燃用醇類燃料時，基本可以實現無煙排放，在中、低負荷時NOX的排量也很低。近年來可以作為柴油機代用燃料的醇類燃料很多，其中甲醇是目前應用最廣的內燃機代用燃料。但如果不采用適當措施，柴油機排放的HC、甲醛將成為重要的排氣污染物；以氫作為柴油機代用燃料時，NOX和其它污染物的排放都很低；燃用壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)，NOX和微粒排放可同時減少75%～80%；二甲基乙醚作為最新出現的液體燃料，其燃燒后無微粒產生且NOX的排放亦很低。目前W?rtsil?在其實驗機上證明，使用雙燃料技術，可以使NOX降低85%以上。

因此，對于船舶上的應用最可能的是選擇壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)，但應用的挑戰是燃氣壓縮至350bar的技術突破及民用普及。

3 結語

各種技術對減少NOX排放的效果，如圖1所示。

綜上可知，目前大多數NOX降低技術均不能充分達到IMO TierⅢ的要求，僅有廢氣再循環(EGR)、選擇性催化還原（SCR）及雙燃料技術能達到。但是由于尚不確定未來的燃油品質及尿素價格，現在還不能確定哪種技術最優。

IMO TierⅢ排放標準是極具挑戰性的，根據現有的知識，高增壓技術、混合燃料、尾氣后處理技術將是未來技術的關鍵，是值得船舶行業重點關注的技術動向。

[1]MARPOL73/78防污公約附則Ⅵ[S].IMO.2005.

[2]MAN.二沖程機銷售及市場廣西北海研討會.MAN（中國）.2012.

[3]周龍寶主編.內燃機學[M].北京:機械工業出版社.2006(1).