船舶柴油机废气排放及控制技术

发布时间：2020-09-14

　　摘要：现阶段，海洋运输在中国运输行业占有着重要的地位，中国进出口货物几乎全部依靠海洋运输渠道，对船舶的需求量也越来越大。但是也对海洋环境、大气环境造成了严重的污染，据调查显示柴油机排放出的SO占全球排放总量的13%，而NO排放量占总量的15%，这么惊人的数字显示船舶废气排放对环境造成了严重的污染，危害人的身体健康，采取废气排放控制技术是至关重要的。

　　关键词：船舶废气;排放;控制;

　　随着我国经济的不断发展和进步，我国海上运输行业发展越来越庞大，但是船舶柴油机的废气排放量也越来越大，已经引起了国际组织上的高度重视。

　　一、排放控制标准

　　为了减少船舶排放造成的大气污染,国际海事组织在伦敦通过了MARPOL73/78公约议定书,新增了MARPOL73/78附则VI防止船舶造成大气污染规则。该附则对于船舶废气中的硫氧化物和氮氧化物的排放含量作了限制,禁止故意排放消耗臭氧层的物质,附则规定了燃油中硫的含量不超过4.5%m/m的上限,并呼吁国际海事组织在议定书生效后监控全球燃料的平均含硫量。附则V I规定输出功率超过130kW的柴油机,其NOx排放限制如下:当转速低于130r/m in时,NOx≤17.0g/kwh;当转速在(kw h); 当转速n>2000r/m in时,NOx≤9.8g/kw.h。该规则已于2005年5月19日生效。2008年10月国际海事组织MEPC第58次会议召开,会议一致通过了MARPOL附则防止船舶造成大气污染规则的修正案。附则的主要变化是渐进地减少船舶废气的含硫量。从现今的4.50%减少到3.50%(2012年1月1日生效),最后达到0.50%(2020年1月1日)。含硫废气控制区SECAS将于2010年7月1日起实行1.00%控制量(现在是1.50%),并于2015年1月1日起进一步减少至0.10%。氮氧化合物(NOx)排放控制量的渐进减少最严格的措施--所谓“散型”(Tier III)主机也得以通过。这类主机将在2016年1月1日起安装在船上并要求在排放控制区使用。 该附则修正案按照默认接受程序于2010年7月1日起生效。

　　二、船舶废气的组成和危害

　　船舶柴油机排除的废气主要是燃油燃烧后的产物，还有少部分的剩余空气组成，这些废气有的对人体危害极大，有的对人无害。无害成分主要是完全燃烧生的CO2、H2O、过量空气以及N，这些对人的健康和生物没有直接的危害，但是二氧化碳的含量累积过多产生的温室效应对地球气候的影响极大。有害成份包括一氧化碳、碳氢化物、氮氧化物、硫氧化物、微粒物等。二氧化硫和二氧化氮会与大气中的水蒸气结合形成酸雨，造成建筑物的腐蚀，植被的破坏。氮氧化物会在地面形成光化学烟雾，影响人们的生活。这些有害物质对人的呼吸道也会造成很大伤害，因此，我们必须采取有效的控制废气排放措施，实现可持续发展战略。

　　三、控制船舶柴油机废气排放的方法

　　就船用低速机市场占主导地位的MAN B&W来说，目前有两种比较成熟的方案来控制NOx排放，分别是废气再循环技术(EGR)和选择性催化还原理技术(SCR)。对于SOx的控制，有两种不同的解决方案，一是在船舶上加装Scrubber(洗涤塔)，或者直接燃烧满足要求的低硫油，以达到排放的要求。

　　船舶柴油机废气排放及控制技术相关期刊推荐：《南通航运职业技术学院学报》(季刊)创刊于2002年，是经中华人民共和国新闻出版总署批准，江苏省教育厅主管，南通航运职业技术学院主办，是国内外公开发行的综合性学术刊物(季刊)，本刊主要刊载航海技术、轮机工程技术、船舶工程技术、机电技术、港航管理、高职教育研究等为主的具有较高学术水平和理论水平的研究论文。

　　废气再循环技术。EGR装置在柴油机上的安装位置和废气再循环路径可以大致用图1表示。

　　废气再循环技术的主要思路是将柴油机产生废气的一小部分再送回到汽缸，用排气中的CO2代替扫气空气中一部分氧气，由于CO2的比热比氧气大，可以降低燃烧室中的最高温度。同时，再循环废气由于具有惰性，会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢，最终达到减少NOx生成量的效果(NOx在高温富氧的环境下产生)，从而实现了发动机排放水平的提升。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量减少，因此废气排放中总的污染物输出量也会相对减少。EGR系统的关键就是控制废气的引入量，使废气的再循环量在每一个工作点都达到最佳状况。如果废气的引入量过多，造成氧气量不足，会导致柴油机燃烧状况不佳;如果废气引入量不足，就达不到减少氮氧化物的目的。因此，一个看似简单的过程其实并不简单，图1中的EGR Valve必须有精确的控制技术才能达到相应的效果。EGR技术通过稀释汽缸的氧气，同时配合燃油电喷技术，改善燃油喷射效果，使燃烧过程更加平稳，减少柴油机粗暴燃烧。但是，单独采用EGR技术并不能达到降低废气排放的目的，还必须配合中冷技术(图1中的水处理系统)一起使用。发动机的排气温度非常高，一般能到达300～400℃，如此高温的气体引入对发动机性能会造成极大损害，中冷技术正是为解决这个问题而生。实验证明，在相同的空燃比条件下，增压空气的温度每下降10℃，发动机功率就能提高3%～5%。油耗也因此会相应下降。EGR技术代表了Tier III研发的里程碑，它的出现使现有船用发动机满足自2016年起开始实施的排放控制区域排放标准，同时，EGR也不会显著改变发动机的性能。在图1中，还有一个洗涤塔装置，根据实验结果，在柴油机运行在75%额定负荷情况下，该洗涤塔可以降低排放废气中70%~80%的颗粒物，洗涤塔中的过滤装置还可以减少90%~98%的SO

　　2，从而保证了进入扫气空气中的废气的惰性，防止SO2重新进入汽缸产生腐蚀。第一条装配MAN公司研发的EGR装置的船舶主机6S80ME-C9将第一季度交付开始投入运营，MAN公司将在未来三年进行跟踪研究和服务。这台主机每年将有20%的时间进行Tier III模式运行。现在设计的新型柴油机已经可以将EGR设计成柴油机的一部分，而不需要单独配置另外一个系统。所以，对于新建造的船舶，如果选用集成EGR系统的柴油机，对于满足新规范的要求是没有任何问题的。

　　选择性催化还原技术。选择性催化还原装置及其工作原理见图2。SCR已经被广泛应用于陆地火力发电厂，而且技术相当成熟，以NH3基为还原剂的SCR技术，能去除柴油机尾气中的绝大多数NOx和部分HC。由于尿素比液氨或氨水更便于运输和存储，安全性也好，因此船用柴油机的SCR技术一般以尿素为还原剂。

　　但是在船用发动机低负荷运行的时候还有一些技术性的挑战需要解决。通常情况下，柴油机在20%~40%负荷下，废气排温低于300℃，而SCR要求的工作温度在300℃以上。如何解决船用柴油机在低负荷时的排气温度是让SCR能满足船舶使用的关键问题，目前通常的做法是旁通部分扫气，通过减少进入汽缸的扫气量来增加排气温度。根据实验结果，在柴油机运行于25%负荷时，可以通过旁通部分扫气将废气温度从258℃提高到330℃。此时相应的油耗会提高3 g/kWh左右，但还是远远低于IMO规定的5.1 g/kWh。通过采用高压SCR技术，可以完全满足Tier III排放技术要求，同时，SCR装置的体积也减小很多，不需要太多的催化剂和催化反应空间。MAN的电喷ME主机的ECS控制系统，可以完全集成整个SCR的控制，包括在柴油机低负荷情况下自动旁通部分扫气，以达到SCR装置最佳工作的要求。

　　3.Scrubber(洗涤塔)脱硫技术。对于SOx的处理，单纯地对柴油机设计进行改造已经不可能满足排放Tier III和SECA的要求了，因此必须采用后处理装置Scrubber洗涤塔。Scrubber已经是一种非常成熟的技术，在传统商船上的应用主要是空间的问题，如果在船舶建造初期没有安装，则在后期改装需要有足够的空间和较大的投资费用。一般可以将其安装在后甲板上。

　　总之，经济快速发展的同时使我们必须高度重视环境污染问题，对以上废气排放控制技术我们要不断的研究，借鉴国外发达国家的经验，创新出更科学有效的解决措施，能够有效的控制废气排放量，有效改善环境污染问题，实现可持续发展战略，造福子孙后代。——论文作者：孙名志