船用柴油機NOX減排措施介紹及應用

江秋紅

摘要：隨著時代的不斷發展，船用柴油機有害污染物的排放造成的大氣污染引起了人們的高度重視，為了適應當前船舶動力減排要求不斷提高的發展趨勢，本文僅介紹當前各種減排技術及其效果，并在某機型上驗證HAM及SCR減排技術對NOX的優化效果，為即將實施的TierⅢ排放要求確定本企業各機型柴油機采取的解決方案。

關鍵詞：船用柴油機;環保;減排技術;NOX;優化效果

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0046-02

1? 船用柴油機有害物質排放現狀及法規要求

船用柴油機因其燃油消耗低、扭矩大、使用壽命長的優勢，成為了當今最為主要的船舶動力。近年來，船用柴油機排放物造成的環境污染越來越受到國際重視，出臺了諸多關于限制柴油機排放物的法規公約。

海上環境保護委員會（MEPC）通過的船舶防污公約附則Ⅵ-修訂版對船用柴油機廢氣中的NOX排放量做出了明確的規定： 2016年1月1日強制實施Tier III階段法規，北美排放控制區和美國加勒比海排放控制區已全面實施，其他區域在2021年1月前也將陸續實施;2016年我國環保部發布船用發動機排氣污染物排放限值及測量方法，對船用柴油機廢氣排放中的CO、HC+NOX化合物及顆粒物也提出了更高要求，柴油機減排迫在眉睫。

2? 控制柴油機NOX排放的常見措施

2.1 現階段控制柴油機NOX排放的常見方法已滿足Tier II要求，NOX排放的減排效果如表1所示。

2.2 機內凈化技術

2.2.1 延遲噴油定時? 延遲燃油噴射定時，可以提高燃油噴射速率，降低缸內最高燃燒溫度，縮短混合氣體中氮、氧在高溫下的停留時間，從而可以減少NOX的產生，利用此方法可以將廢氣排放中NOX含量降低10～15%。

2.2.2 壓縮空氣缸前冷卻? 柴油機進氣系統采用增壓技術后，由于氣體經增壓器壓縮后溫度升高， 必然會導致氣缸內最高燃燒溫度升高，廢氣排放中NOX含量增加。在進氣增壓系統中增加空冷器，可降低柴油機進氣溫度及缸內最高燃燒溫度，減少NOX的生成量。試驗表明柴油機進氣溫度每降低10℃，廢氣中NOX含量下降約1.64%。

2.2.3 提高燃油噴射效率? 提高燃油噴射效率，保證油、氣在缸內充分混合。通過調整柴油機噴油定時、噴油器的啟噴壓力、燃油噴射速度、噴嘴噴孔結構來減少滯燃期內可燃混合氣的生成是降低NOX的有效途徑。

2.2.4 米勒定時技術? 米勒定時基本原理是：通過調整進氣閥的開、關時點，控制空氣進氣量，在下止點前關閉進氣閥，利用壓縮空氣的膨脹吸熱降低缸內混合氣體的溫度和壓力，從而達到降低缸內最高燃燒溫度減少NOX生成量的目的。

如果在柴油機上采用米勒定時技術，必須進一步提高柴油機壓縮比和提高空氣的進機壓力，才能既降低NOX生成量，又不影響柴油機其它機械性能。

2.3 STC可變噴油正時技術

合適的噴油延遲可明顯改善NOX排放，并不導致油耗的顯著上升;若噴油延遲過大，雖然能減少NOX生成，但必然會使排放物中CO和HC的比例上升，同時也會增加柴油機燃油消耗量。噴油正時的設定一般根據額定工況設置，忽略了部分工況的性能，采用可變噴油正時技術正好解決了以上問題，根據柴油機不同工況噴入需要的燃油，大幅降低了部分工況下的HC化合物、CO，PM的排放，NOX的排放也可降低10%左右。

2.4 VTA渦輪增壓技術（可變渦輪流通面積）

渦輪增壓柴油機的最大優點是可以進一步提高柴油機的機械效率，使柴油機的動力性更強，經濟性更高。但渦輪增壓的效果取決于柴油機的轉速，若柴油機在低轉速下運行，渦輪增壓器不能發揮自身最佳效率，進入柴油機的壓縮空氣總量不足，不能使噴入氣缸內燃料完全充分燃燒，會導致排放更加惡劣，這是傳統渦輪增壓技術一直以來的弊端。若采用VTA渦輪增壓技術則可有效地解決這個問題，無論柴油機在任何工況和轉速下運行，它都能根據柴油機的燃油噴入量自動、持續、精確的吸入適量的壓縮空氣，從而提高缸內燃燒效率，降低了HC化合物、CO，PM的排放量， NOX的生成量也可減少10%左右。

2.5 摻水技術

柴油機燃燒溫度的高低決定了NOX的生成量，適當的降低缸內最高燃燒溫度，可減少NOX的生成。水在降低燃燒最高溫度減少NOX生成過程中可起到明顯作用，當前使用的摻水技術主要有以下三種：

2.5.1 油水乳化技術? 對燃油系統作適當改進使燃油在燃燒室前形成乳化，再噴入燃燒室參入燃燒，這樣可降低NOX 20～30%，其缺點是乳化油的穩定性及油水配比對柴油機性能有影響，燃油系統需特殊設計。

2.5.2 直接噴水技術? 通過分置式噴嘴直接將水噴入氣缸，可降低NOX 50～60%，該方案優點為設備投資、維修費用都較低，缺點是需對柴油機上的氣缸蓋及活塞等零部件進行防侵蝕設計，否則殘留水易對柴油機零部件產生侵蝕，降低柴油機的使用壽命和可靠性，存在一定的危險性。

2.5.3 采用HAM空氣加濕技術? 利用水蒸氣加濕缸前增壓空氣，通過對進氣系統中的增壓空氣加濕，加濕后增壓空氣進入缸內與燃油混合，這種混合油氣可以降低燃燒最高溫度，達到減少NOX生成量的目的。這種空氣加濕原理是使用熱水不斷地沖刷的換熱器表面，熱水氣化后變成水蒸氣。同時壓縮后的過熱空氣遇水蒸氣放熱，從過熱空氣變至飽和空氣，使壓縮空氣溫度降低，壓縮空氣經過加濕器的多層阻氣裝置，形成的冷凝水可以放出。因此，供給氣缸內的飽和空氣相對濕度可達到99%。這種空氣加濕技術可降低50～60%的 NOX生成量，其優點是使用成本低。缺點是需在柴油機上的活塞、缸頭等零部件需進行防侵蝕設計，否則殘留水對柴油機零部件造成侵蝕，降低了柴油機的使用壽命及可靠性，存在一定的危險性。

2.6 廢氣再循環技術

廢氣再循環（EGR）是將柴油機產生的部分廢氣引入進氣系統，與新鮮吸入的壓縮空氣混合后再進入到燃燒室內參與燃燒，增加反燃燒物質的熱容量以及CO2、H2O和N2這種惰性氣體，降低了進入缸內混合氣體中氧氣的相對密度，這樣可使燃燒室內點火延遲，從而降低氣缸內最高燃燒溫度，減少NOX生成。柴油機廢氣排放物中大約60～70%的NOX是在高負荷的工況下產生的，此時將適量的廢氣引入到進氣系統中參入再循環燃燒，對于減少NOX是有顯著效果的。當引入進氣系統中的廢氣再循環率達到15%時，排放物中NOX可以減少50%以上，當引入進氣系統中的廢氣再循環率達到25%時，排放物中NOX可減少80%以上，但隨著引入進氣系統中的廢氣再循環率不斷增加，氣缸內的燃燒速度會變得越來越緩慢，燃燒的穩定性也會越變越差，這樣會導致廢氣排放物中HC等顆粒物越來越多，零部件的磨損也會加快，影響柴油機的使用壽命，柴油機油耗也會惡化2～4%及功率下降等。另外各工況EGR效率的控制、排氣冷卻、凈化等技術問題難以解決，都是影響廢氣再循環廣泛使用的重要因素。

2.7 廢氣后處理（SCR）

廢氣后處理是對廢氣中已生成的NOX進行凈化處理，將廢氣中的NOX還原成N2和H2O，從而減少NOX的生成。對柴油機廢氣后處理最有效的方法是選擇性催化還原法，簡稱SCR系統。它是將尿素噴入廢氣流或直接噴入燃燒室中，使氨能有選擇性的與NOX發生化學反應，將其中的氮分離成為無害的N2和水蒸氣。凈化效果顯著，最多可降低NOX達85～90%，另外CO和HC也有不同程度的降低。該系統既可以不用對柴油機本身結構做改變，也不影響柴油機的使用壽命、性能及油耗，但投入成本較高、經濟性差，體積也較大對船艙空間要求有所提高。

3? 某機型減排技術測試效果

根據上述減排技術的介紹，以下是以某機型為試驗機，試驗前將柴油機排放狀態調至最差，排放主要對其進行HAM及SCR試驗研究，驗證HAM及SCR對降低柴油機燃燒產生NOX的排放效果。

3.1 HAM空氣加濕試驗

采用0.7MPa壓縮空氣給淡水加壓后，通過直徑為0.81mm（6個）和0.74mm（6個）的噴孔噴射至柴油機進氣道中與中冷后的壓縮空氣混合，每個噴孔的流量為0.45L/min。按照推進特性運行，當工況為額定工況的75%以下時為開啟6個噴孔，水的消耗量為2.7L/min。當工況為額定工況的75%以上時為開啟12個噴孔，水的消耗量為5.4L/min，經計算混合空氣達到飽和蒸汽要求。根據試驗結果顯示，HAM技術可以降低NOX排量44%，但距離Tier III的排放限值（2.395g/kWh）還是存在一定的差距，試驗結果見表2。

3.2 廢氣處理（SCR）試驗

廢氣后處理工作原理是將還原劑噴入排氣管，使排氣中的氮氧化合物在催化器的作用下與還原劑發生化學反應，氮氧化合物被還原成氮氣和水，在本試驗中后處理系統使用的是尿素作為還原劑。

試驗表明：廢氣經催化還原（SCR）后可降低NOX排放量達85%，NOX排放加權值為2.08g/kWh，可以滿足到達TierⅢ限值（2.395g/kWh）的要求，試驗結果見表3。

4? 結論

不論選擇單一的減排措施還是使用組合式減排措施，都會在降低排放污染物的同時對柴油機或用戶產生一些負面影響，故選擇哪一種減排措施，都應從柴油機的結構性能、可靠性、經濟性以及用戶的使用要求等方面權衡利弊，選擇最適合的減排措施滿足市場對柴油機的使用要求。

參考文獻：

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