船舶柴油機排氣狀況及污染物治理探討

劉鴻鋒 徐 灝 陳瑤姬 季經偉

（浙江天地環保科技有限公司浙江杭州310003）

船舶柴油機排氣狀況及污染物治理探討

劉鴻鋒 徐 灝 陳瑤姬 季經偉

（浙江天地環保科技有限公司浙江杭州310003）

本文收集了船用柴油機排放現狀以及國內外關于船舶排放標準，并對國內外排放標準進行了對比分析。針對某萬噸級貨船，在其柴油發動機不同轉速下，對柴油機排氣進行了測試，結果顯示柴油發動機尾氣中NOX和PM排放濃度較高。分析了船舶柴油機中SOX、NOX和PM三大污染物的生成機理，并就其控制技術分別進行了研討。

船舶柴油機；排氣；污染物治理

1 前言

據統計，全球80%的國際貿易都是通過船舶來運輸完成的，柴油發動機是全球船舶的推進動力及電力的主要來源。中國是一個造船大國，同時也是一個內河航運資源比較豐富的國家，擁有大、小天然河流5800多條，河流總長43×104km，其中流域面積在1000km2以上的有80多條。船舶的柴油消耗量約占非道路用途柴油的15%。柴油機排氣中的有害成分有CO、HC、NOX、CO2、SOX及顆粒物（PM）。根據中國環境科學研究院正在開展的《船舶和港口空氣污染防治研究項目》的初步研究成果，內河船舶排入大氣的污染物（僅估算柴油機船舶部分），NOx排放81×104t/a，PM排放6.6×104t/a，SOX排放約10×104t/a。船舶排放的NOX和PM占整個非道路移動源的大氣污染分擔率分別為13.32%和17.63%[1]。

目前，我國對大氣環境污染日益重視，并在《大氣污染防治行動計劃》中明確提出了船舶污染防治的要求，開展船舶大氣污染物排放控制技術的研究變得尤為重要。“選擇性催化還原法（SCR）船用低速柴油機尾氣氮氧化物(NOx)凈化裝置”以及“大功率柴油機接觸氧化還原法（SCR）脫硝裝備”已被列入“國家鼓勵發展的重大環保技術裝備目錄（2014年版）”（工信部聯節[2014]573號）。

2 國內外標準分析

2.1 國外標準

國際海事組織（IMO）于1997年通過了MARPOL73/78公約附則Ⅵ——防止船舶造成大氣污染規則，該規則已于2005年5月19日正式生效。2008年10月，在MEPC58次會議上又討論通過了附則Ⅵ的修正案，該修正案對船舶NOX和SOX的排放提出了嚴格要求。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ中明確了氮氧化物排放限值的三個階段，即TierI、TierII和TierIII。各階段排放限值情況見圖1。其中，橫坐標為船用柴油發動機的轉速（單位：rpm），縱坐標為發動機NOX排放量（單位：g/kW·h）。

圖1 MARPOL73/78公約附則Ⅵ對NOX排放要求

限制船用柴油機排放的國際海事組織TierII標準于2011年1月起開始實施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約20%；Tier III標準于2016年實施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約80%。面對已經生效的Tier III排放法規，各國船用柴油機制造商都在積極開展研究工作并制定應對措施。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ中對于SOX按照控制區域范圍、實施時間進行分類控制，總體趨勢是越來越嚴格，具體要求見表1。

表1 MARPOL73/78公約附則Ⅵ對SOX排放要求

2.2 國內標準

由國家環保部科技標準司組織制定了《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》（二次征求意見稿）。標準規定了船舶裝用的壓燃式發動機及氣體燃料（如：天然氣）點燃式發動機排氣污染物排放限值及測量方法。適用于內河船、沿海船、江海直達船和海峽[渡]船裝用的額定凈功率大于37kW的第1類和第2類船機（包括主機和輔機）的型式核準、生產一致性檢查和耐久性要求。

該標準中對CO、HC、NOX和PM的要求分別見表2、表3。

表2 船機排氣污染物第一階段排放限值

表3 船機排氣污染物第二階段排放限值

其中，第一階段自2017年1月1日起執行，第二階段自2020年1月1日起執行。執行日期之后12個月起，所有銷售、進口和投入使用的船機（含作為配件的船機），其排氣污染物排放應符合本標準要求。凡不滿足本標準相應階段要求的船機不得銷售、進口和投入使用。

2016年3月30日，浙江省政府辦公廳印發《浙江省船舶排放控制區實施方案》，宣布2016年4月1日起，船舶到控制區圖十個港區靠岸停泊期間（靠港后的1h和離港前的1h除外）應使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。鼓勵船舶在靠岸停泊期間使用硫含量≤0.1%m/m的燃油，鼓勵船舶進入排放控制區期間使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。

1.3 國內外標準對比分析

國內標準控制的內河船機，除了要控制NOX，還要控制CO、HC和PM，控制要求比IMO TierII項目多，從NOX限值看，單缸排量小于20L的船機，國內標準的控制要求比IMO TierII嚴格；單缸排量大于20L小于30L的船機，國內標準的控制要求和IMO TierII的要求大致相當。IMO TierII排放水平與國內標準要求的比較見表4。

表4 IMO TierII排放水平與國內標準的要求的比較

3 船舶柴油機排放測試

3.1 船舶基礎資料

為了解目前大功率低速船舶柴油機排放情況，以某貨船為研究目標，對其柴油發動機排氣情況進行實測。該船總噸位33147t，凈噸位18562t，結構吃水時的載重量為56772.7t，滿載排水量68268.4t，空載排水量11495.7t。主發動機為滬東重機有限公司生產的MAN B&W 6S50MC-C8型號發動機一臺，額定功率9960kW，額定轉數127r/min，6缸，缸徑500mm，沖程2000mm。燃料采用F0重柴油，燃油含硫量不大于0.504%。

3.2 測試儀器和測試點位置

表5 相關測試儀器

圖2 主煙道以及測試點位置示意圖

共設置了A、B兩處測試點，測試點A位于船舶最上層煙囪一側，在該處用嶗應3012H對主排氣管道出口處煙氣情況進行檢測；測試點B位于主柴油機排氣總管溫度計螺口處，在該處德圖、熱電偶對柴油機排氣口處煙氣情況進行檢測。主煙道及測試點位置示意圖如圖2。

3.3 測試結果

在船舶穩定前進工況下，其柴油發動機尾氣排放測試結果具體見表6。

表6 測試結果匯總表

從測試數據可以看出，該船舶煙氣污染物排放量大，其中在柴油機80%額定轉速工況下，排放較大的主要污染物為NOx、SO2、PM，其平均排放量分別為：19.05g/kW·h、5.06g/kW·h和200mg/Nm3，其中NOx排放高于Tier I標準所限定的排放值；在90%額定轉速工況下，PM排放急劇增加，污染嚴重。

由于該船發動機功率和單杠容量都超過了國內標準管理范疇，因此參考國際標準IMO TierIII的要求，即NOx排放應小于3.4 g/kW·h，則船舶柴油發動機的脫硝效率不低于82.2%。

4 船舶柴油機排氣污染物治理措施

根據對船舶柴油發動機進行排氣測試，發現其尾氣中主要污染物為SOx、NOx、和PM。對這三種污染的治理技術和脫除措施分析如下[2][3][4][5][6]：

4.1 SOx脫除

SOx的排放水平完全取決于燃料中硫的含量。因此，通過在發動機內采取措施對SOX的排放起不到任何作用。對SOx排放的控制主要分為前處理和后處理兩個途徑，其中前處理就是通過化學方法降低燃油的含硫量，后處理技術途徑就是通過尾氣后處理裝置。

在后處理技術控制SOx排放方式中，SOx洗滌器技術被認為是最有效的方法之一。SOx洗滌技術主要分為兩種：干式洗滌和濕式洗滌。干式洗滌一般采用生石灰或熟石灰作為SOX的吸收劑，濕式洗滌是指使用海水或處理過的淡水作為吸收劑去除排氣中的SOx。濕式洗滌的脫硫效率普遍高于干式洗滌，如采用濕式洗滌，船舶燃用3%含硫的燃油也可以達到相關標準的要求。因此對于船舶柴油機排氣中SOx推薦采用濕式洗滌技術。

4.2 NOX脫除

船舶柴油機中生成的NOX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。要控制NOX的排放，可以從其生成機理和性質兩個方面進行，可分為機內燃燒控制和機外排氣凈化。

機內燃燒控制技術是指在可燃混合氣體燃燒之前采取的降低污染物排放的措施，主要包括直接噴水法（DWI）、廢氣再循環（EGR）、增壓中冷技術、濕空氣動力系統（HAM）、水乳化燃料（FWE）、液化天然氣（LNG）、燃油電噴技術（FAI）、集成排氣歧管（IEM）等。機外排氣凈化技術是在機內控制的基礎上為了進一步降低排放量采取的措施，包括選擇性催化還原技術(SCR)、廢氣洗滌法等。各種減排技術的潛力對比見圖3。

圖3 船舶主要的NOX減排技術及減排潛力

根據國外權威柴油機廠商研究，依據目前的技術水平和狀況，僅僅憑借直接噴水法（DWI）、增壓中冷等機內凈化技術已很難滿足MARPOL公約附則Ⅵ的要求，機外控制技術的應用已成為必然趨勢。SCR作為排氣后處理技術在工業中已廣泛應用，可有效去除NOX高達90%，是目前降低NOX排放的最有效方法，也是為數不多能夠使船舶柴油機滿足MARPOL公約附則Ⅵ中TierⅢ排放標準的減排技術。考慮到日益嚴格的環保標準，建議采用SCR技術對船舶柴油機排氣中NOX進行高效脫除。

4.3 PM脫除

柴油機排放的PM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10μm，能夠進入人體肺部的深處且對人體健康造成傷害。燃油乳化和顆粒捕集器技術是目前降低柴油機PM排放的主要技術。

燃油乳化是將燃油摻水形成乳化油在柴油機中進行燃燒，乳化油噴入氣缸后，一方面由于水的比熱容較大，降低了缸內燃燒溫度，抑制了NOX的生產。另一方面，霧化的燃油噴入氣缸后，形成了油包水的油水乳化液。微爆效應使油和水獲得了二次霧化、擴散和均化，燃料油在空氣中分布更加均勻，空氣利用率高。因此，發動機的PM排放也得到了有效降低。國外研究表明，使用含水量40%的乳化油，可同時降低30%的NOX排放和80%的PM排放。

顆粒捕集器安裝在柴油機排氣系統中，通過過濾來降低排氣中PM排放。其捕集效率主要受到過濾體結構參數、柴油機運行工況、柴油機運行時間等因素影響。隨著過濾體內顆粒不斷積累，排氣背壓升高，發動機性能惡化，所以必須適時清除過濾體中沉積的顆粒，使排氣阻力恢復到或接近原來的水平，即實現過濾體的再生。

5 結語

（1）船舶柴油機排氣中有大量污染物，隨著國內外航運業的發展，船舶柴油機排氣污染物治理顯得非常重要。（2）針對某萬噸級貨船的柴油發動機排氣污染物進行了測試，結果顯示排氣中的NOX和PM排放較高，污染嚴重。（3）通過對船舶柴油機中SOX、NOX和PM三大污染物的生成機理進行分析，分別提出了相應的控制措施。

[1]船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）標準編制組.船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）:（二次征求意見稿）編制說明.

[2]楊極,程釗.柴油發動機尾氣排放后處理技術的研究進展[J].內燃機,2007,(4):45-48.

[3]趙明哲,張躍文,仉大志,等.SCR技術在船舶柴油機上的應用[J].船舶工程,2013,(1):51-54，67.

[4]吳金源,董以敏.船用大功率柴油機排放凈化和控制[J].鐵道機車車輛,2003,(23):105-108.

[5]龐海龍,鄧成林,姚廣濤,等.船用柴油機有害物排放控制技術[J].船舶工程,2011,(33):21-24,32.

[6]周松,肖友洪,朱元清.內燃機排放與污染控制[M].北京:北京航空航天大學出版社.

劉鴻鋒（1988—），男，浙江溫嶺人，助理工程師，從事煙氣環保工藝設計與研發工作。

徐灝（1978—），男，河南安陽人，高級工程師，從事環保設計與新技術研發工作。

陳瑤姬（1984—），女，浙江玉環人，工程師，從事環保設計和新技術研發工作。

季經偉（1991—），男，助理工程師，從事環保項目管理與技術研發工作。