基于船用柴油機廢氣排放及凈化研究

劉正祥+張東方

摘 要：世界各船舶設備提供商及相關研究機構針對國際海事組織（IMO）和各國制定的有關船用柴油機廢氣排放限定的公約和法規都加快了船用柴油機廢氣排放及凈化措施的研究，取得了一系列理論和技術上的成功，就廢氣中各成分（NOX、SOX、PM等）的排放，相關公約與法規及凈化技術進行了探討，解決柴油機廢氣排放凈化措施。

關鍵詞：柴油機 廢氣排放 凈化

1.引言

船用柴油機的廢氣排放物主要為：NOX、SOX、CO2等氣體和顆粒排放物（PM）等，它們給環境帶來不同程度的污染。隨著船舶運輸的快速發展，船用柴油機功率的不斷提高，船用柴油機的廢氣排放對當前環境的污染越來越嚴重。可見，船用柴油機的廢氣排放是影響全球環境的重要因素之一。如果不及時地對船用柴油機的廢氣排放進行有效的控制，將對地球的生態環境造成嚴重的破壞。減少船用柴油機對大氣環境的污染，將是船舶制造企業今后一段時間的又一主題，這就對我國的船舶工業給予了更高的要求，這也為本文的探討提供了現實意義。

2.有關船用柴油機廢氣排放的有關法規及影響

2.1船用柴油機主要廢氣排放的有關法規

船用柴油機排放物影響大氣環境的主要是NOX、SOX、CO2、PM，這也是本文探討的主要方面，有關船用柴油機廢氣排放的限制主要來自兩個方面：（1）國際海事組織（IMO）制定的MARPOL公約附則VI有關船用柴油機廢氣排放規定，（2）當船舶停泊于港口或航行于沿海地區時又要滿足相對應地區的相關法規，一般而言，這些地方法規嚴于IMO所要求的規定。2.2NOX的排放要求

《73/78 MARPOL公約》附則VI中規定，即船用柴油機輸出功率超過130kw的（應急設備、應急發電機及裝置除外）且其所在船舶為2000年1月1日或以后建造或重大改裝的，對NOX的排放明確規定了最高限制標準，如圖1和表1。同時，IMO對于此最高限值還明確：（1）船舶在海上航行時，輪機人員用簡易方法測量柴油機NOX排放量時可以有10%的誤差；（2）當柴油機使用劣質燃料燃燒時可以有10%的誤差；（3）當船舶在海上航行又使用劣質燃油時最大允許誤差為15%。

TierI的限定標準適用于船舶建造或重大改裝于2000年1月1日或以后至2011年1月1日以前其安裝的船用柴油機。

TierII的限定標準適用于船舶建造或重大改裝于2011年1月1日或以后其所安裝的船用柴油機，并在全球實施。

TierIII規定NOX排放量的限定值約為TierI限定值的20%。其控制區尚未確定。

2.3SOX的排放限制，見表2

歐盟規定所有駛進歐盟的船舶，自2005年5月必須使用硫含量為1.5%及以下的燃油并且有歐洲固定航線的客輪應使用硫含量為1.2%及以下的燃油，所有停泊在歐洲的船舶使用硫含量為0.2%及以下的燃油且到2010年1月后必須使用低于0.1%硫含量的燃油或使用排氣后處理措施達到相應的SOX排放水平。歐洲部分國家還制定了相應的排放收費標準。相比于IMO關于燃料的硫含量限制美國加州地區要求更加嚴格，要求在2012年所有到達加州地區的船舶所使用燃料的硫含量必須低于0.1%。

2015年12月2日， 交通運輸部關于印發珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案的通知， 自2016年1月1日起，有條件的港口可以實施船舶靠岸停泊期間使用硫含量≤0.5%m/m的燃油等高于現行排放控制要求的措施。自2017年1月1日起，核心港口區域的船舶在靠岸停泊期間應使用硫含量≤0.5%m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制區內所有港口靠岸停泊期間都要使用硫含量≤0.5%m/m的燃油；自2019年1月1日起，船舶進入排放控制區后，必須使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。方案確定，在排放控制區內的船舶可采取連接岸電、使用清潔能源、尾氣后處理等與排放控制要求等效的替代措施。

2.4CO2的排放限制

大氣中CO2含量的增加形成了很嚴重的溫室效應，從而導致全球氣候變暖，南北極冰川融化，海平面上升，繼而導致全球經濟產生損失、人類的生存造成巨大的威脅。更為嚴峻的是氣候變暖導致冰川融化，另外一種存在于冰川之中溫室氣體甲烷也會釋放出來，無法控制，將會對整個人類造成滅頂之災，這也是全球范圍內控制CO2排放的原因。圖2是科學家對100年內由于溫室效應造成的海平面升高的預測。

3.船用柴油機廢氣排放限制的凈化措施

根據相關防污染公約要求和柴油機廢氣排放的特點，控制船用柴油機排放物的重點是NOX，其次是SOX，對于顆粒排放和CO2排放的控制正在考慮之中。

3.1廢氣中NOX排放的凈化措施

廢氣中NOX排放的凈化措施屬于船用柴油機NOX排放控制措施中排氣后處理范圍，通常將它和降低發動機排放的機內燃燒控制結合起來，主要有廢氣再循環（EGR）、選擇性催化還原法（SCR）、三效催化法（3-way cat）和NOX吸附還原催化等，且可以滿足IMO有關NOX排放量限制TierIII要求。我們將主要分析比較廢氣再循環和催化轉化法（SCR）兩種更為主流的方法。3.1.1廢氣再循環（EGR）

廢氣再循環（EGR）是將船用柴油機排氣管中的一部分廢氣（通常是10%～20%）引進柴油機的進氣管，再進入氣缸，進到氣缸中的廢氣通過稀釋作用減緩了NOX生成速度、降低了燃燒溫度，NOX排放濃度也會有效的降低。從大量實驗結果看，廢氣再循環技術可使NOX排放降低30%～40%。

大量試驗結果證明，NOX的排放隨著廢氣再循環量的增加而減少，但是，廢氣再循環量大時還會導致燃燒穩定性變差、燃燒速度降低，HC及CO排放量增加，導致顆粒污染廢氣渦輪及冷卻器，氣缸的磨損也因此增加。中高速柴油機由于使用蒸餾油產生的顆粒較少，不會引起嚴重的問題，而低速柴油機由于使用重油，因此產生的顆粒較多，引起的問題會比較嚴重，甚至啟動產生困難。

通過試驗表明，在將廢氣再循環率控制在34%～36%時（掃氣空氣含氧量16.5%～16.8%），可將排氣的NOx排放降低至3.6～4.0g/（KW·h），如果將EGR技術與燃油乳化技術相結合，在75%負荷下，可使柴油機的NOX排放降至1.3g/（KW·h）。

3.1.2選擇性催化還原法（SCR）

選擇性催化還原法（SCR）是一種船用柴油機后處理廢氣來減少廢氣中NOX排放技術，其原理是將含N的一些添加劑（如氮氣、尿素等）噴入柴油機的排氣管，添加劑在300～400℃的溫度下會與NOX發生化學反應 ，生成物為N2和H2O。

先把NH3按一定比例和水混合，然后噴入柴油機的廢氣中，在催化劑作用下，產生的NH3經過反應器時快速對NOX進行反應，使之被還原。

3.1.3兩種廢氣后處理凈化方式比較，見表3。

可以看出選擇性催化還原法在凈化效果上遠遠好于廢氣再循環法，但在經濟效應上是不如廢氣再循環的，這也是催化還原技術在船舶應用上少的重要的原因，考慮到催化還原技術卓越的凈化效果，國際上相關公司如MAN B&W、W？r t s i l？正積極參與該技術的研發、改進中。當然，我們也可以組合幾種方案來凈化NOX，這種組合方式往往好于單一措施。對柴油機6L40/54采用組合乳化燃油和廢氣再循環法進行優化試驗，結果表明柴油機在全負荷運行時可降低NOX60%。

3.2船用柴油機廢氣中SOX的凈化措施

對于SOX排放的控制方法主要通過兩個方面，一是控制燃油中的硫含量，使用低硫燃油，這主要是要滿足IMO以及各個國家和地區的有關法規；另一個方法就是水洗法，通過在排氣管道上安裝的水洗器除去廢氣中的SOX排放。

（1）控制燃油中的硫含量。在燃燒過程中，燃油中硫幾乎是全部氧化變成廢氣中的SOX，但是，在燃燒過程中，對硫處理無法控制。所以降低SOX排放的根本措施，就是燃用低硫值的燃油。然而如果按照MARPOL公約的要求，把燃油中硫的含量從3.5%降到1.0%，則燃油價格也要增加比較多，并且燃油脫硫的精煉也不經濟和環保（脫1噸硫需要排放大量CO2），導致二次污染，對于船舶進港或者SECA所用燃油硫含量，不同港口或者SECA要求也不一樣，就要經常轉換使用硫含量不同的燃油，因燃油的不相容性導致燃油品質下降，給船舶管理人員帶來很大的壓力。

（2）水洗技術。水洗技術是用水洗除廢氣中的SO2排放，主要利用噴淋等方法除去排氣中的SOX和顆粒排放，據目前的試驗情況，可以除去廢氣中的98%的SO2和78%的顆粒物質，還可以節省大筆的燃料費用。

當前使用的方法主要有海水直接水洗法和淡水水洗法。海水直接水洗法一般采用開式循環，即將海水直接供入水洗器中，水和硫反應生成硫酸，再與海水中的堿性成分中和。清水在倒回大海之前必須先過濾，除去顆粒物質和油類。洗滌器的缺點是占據甲板較大空間，以每千瓦時的發動機功率運行，它需要耗費40～50m3的海水。

淡水水洗法則是采用閉式回路，在淡水中加入適當劑量的NaOH以中和所吸收的SO2。這樣洗滌器就只需要較小的空間，且每千瓦時的發動機輸出功率只需要消耗0.1m3，實際上等于幾乎沒有廢水被排到海里。一般推薦在海上航行時采用海水直接水洗，而在沿岸和港口使用淡水水洗。盡管某些公司認為只要海水流量足夠，使進入水洗器的水得到充分稀釋，直接排放入海沒有任何問題，但對于海洋環境的長期影響有待于進一步評估。

3.3柴油機廢氣中PM的凈化措施

燃用餾分油是減少顆粒排放最簡單的方法，然而這會極大增加營運成本。在實際應用中，比較有效實用的方法是提高高壓油泵噴油壓力、改善油氣混合質量。大量的研究表明，降低顆粒中碳的排放可以通過提高噴油壓力和減少噴孔直徑，然而同時也使NOX排放量增加，從而要求更加嚴格的燃油噴射系統。

3.4CO2排放的控制方法

控制CO2排放主要通過兩條途徑，①提高船舶動力裝置的綜合效率，其中包括柴油機自身的效率、柴油機工況點的選擇、螺旋槳的推進效率和柴油機廢熱的回收和利用；②采用一些新能源，風能、天然氣、生物燃料等。國際海事組織（IMO）正在考慮確定船舶動力裝置的CO2排放指標，一個是“能效設計指標”，另一個是“能效運行指標”。

4.結束語

隨著地球環境資源的日益減少，船舶排放污染已受到IMO和世界各國政府的高度重視。船舶節能減排是船舶行業未來的發展趨勢。船用柴油機是船舶的主要廢氣來源，因此也是船舶節能減排的重點探討、研究船舶廢氣排放也是非常重要的，刻不容緩的任務。

參考文獻：

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