船舶柴油機(jī)NOx排放的技術(shù)特點(diǎn)

史繼才

摘 要：隨著人們對環(huán)境保護(hù)、大氣污染控制等愈加重視，控制船舶柴油機(jī)NOx排放污染的技術(shù)研究將是未來柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要課題。本文介紹了幾種較好的控制NOx排放技術(shù)并進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：控制NOx排放技術(shù)研究

為了防止船舶造成空氣污染，IMO于1997年9月通過了《經(jīng)1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約》1997年議定書，MARPOL73/78公約新增了“附則VI—防止船舶造成大氣污染規(guī)則”。附則VI對船舶使用消耗臭氧層物質(zhì)、發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）和硫氧化物的排放、揮發(fā)性有機(jī)物蒸汽的回收處理、船用焚燒爐的使用以及船舶燃油質(zhì)量的控制等方面作了具體規(guī)定。該議定書于2005年5月19日生效。我國于2006年5月23日加入該議定書，同年8月23日對我國生效。IMO在2008年10月10日以MEPC.176（58）決議通過MARPOL73/78附則VI修正案，修正案于2010年7月1日全球生效。為了促進(jìn)IMO制定更加嚴(yán)格的排放限制法規(guī)的實(shí)施，歐美一些國家正計(jì)劃構(gòu)筑排放稅框架，船舶NOx的排放直接與入港稅和航道稅掛鉤。許多船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)者和船用機(jī)械廠對控制NOx排放技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對船東選擇合理的方法很有價值。隨著人們對環(huán)境保護(hù)、大氣污染控制等愈加重視，控制船舶柴油機(jī)NOx排放的技術(shù)研究將是未來柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要課題。

控制船舶柴油機(jī)NOx 排放的方法分類

影響NOx形成的主要因素是燃燒過程中的局部溫度值以及氮和氧的濃度。所以降低NOx 的基本方法都集中在降低最高溫度、降低氧氣濃度(過量空氣系數(shù)) 和提高燃油質(zhì)量幾個方面。為了減少現(xiàn)有柴油機(jī)的NOx排量,機(jī)內(nèi)改造和機(jī)外改造措施均有使用。機(jī)內(nèi)改造方法(又稱基本方法) 著重利用在氣缸中控制燃燒來減少NOx產(chǎn)生量，是直接影響柴油機(jī)燃燒的方法，通常可使NOx排量的減少量在10%～60 %的范圍內(nèi)，機(jī)內(nèi)改造包括：增強(qiáng)掃氣空氣的冷卻、采用米勒增壓法、改變掃氣壓力、改變啟閥定時、改變幾何壓縮比、延遲噴油、采用預(yù)噴油、改變噴嘴設(shè)計(jì)、改變柱塞尺寸、廢氣再循環(huán)、燃燒室直接噴水法和燃燒室直接噴氨技術(shù)等。機(jī)外改造(又稱輔助方法) 是通過對已排出發(fā)動機(jī)的廢氣的處理來削減NOx 排出量的方法，是使用不屬于柴油機(jī)元件的設(shè)備的方法，這種方法并不會改變柴油機(jī)的工作性能，其中最常用的輔助方法是SCR(優(yōu)化選擇催化劑法)。此外對燃油進(jìn)行乳化處理來減少NOx 的方法也有使用。在這些方法中,加強(qiáng)掃氣冷卻法和采用米勒增壓法使用較少，因?yàn)榫哂行枰龃罄鋮s器和降低NOx效率低等問題。通過改變增壓壓力和啟閥定時來降低燃燒室中的過量空氣系統(tǒng)，可以降低NOx排量,但這同時會影響柴油機(jī)工作性能，所以這種方法的使用取決于柴油機(jī)的設(shè)計(jì)。通過改變噴油壓力和噴油時間來減少NOx排量的方法被試驗(yàn)證明對NOx影響有限，目前也很少采用。

目前比較有發(fā)展前景的控制NOx排放的技術(shù)

1、直接噴水法(DWI)

向燃燒室直接噴水是為了降低最高燃燒溫度。由于燒用乳化油會產(chǎn)生乳化不穩(wěn)定、影響噴油裝置的可靠性和在“無水工作”時柴油機(jī)性能惡化等問題，所以DWI成為柴油機(jī)設(shè)計(jì)者集中采用的減少NOx的方法。DWI法包括并列噴嘴式(油嘴和水嘴在同一噴射器上) 和雙噴射器式(兩個單獨(dú)的噴射器) ，根據(jù)SULZER 的研究結(jié)果，并列噴嘴式的減NOx 效率更高。DWI 系統(tǒng)只需要純凈水和幾個額外的設(shè)備裝在柴油機(jī)上，即可滿足NOx的限量要求。其技術(shù)的關(guān)鍵是具有噴水功能的噴油器，噴水嘴置于噴油器之內(nèi)，工作時按0.4～0.7的水油比一同噴入燃燒室中。噴水過程是先于噴油過程的，以便于有效地降低燃燒室中的溫度，噴水過程也是先于噴油過程而停止的，這樣自燃和燃燒過程將不會受到影響。此過程對柴油機(jī)各部件沒有任何損害作用，柴油機(jī)也可以在需要時停止噴水，而只噴油工作，在任何負(fù)荷下均可進(jìn)行無水噴油工作。DWI 具有以下優(yōu)點(diǎn)：可在不影響功率輸出和各零件工作的情況下將NOx 排量減少50 %～60% ，典型的NOx排量為4～6g/kWh (WDO)、5～7g/kWh(HFO)；它只需要很少的空間；安裝成本也較低；在緊急情況下，可以迅速切斷水進(jìn)入，而不影響柴油機(jī)的工作。

2、廢氣再循環(huán)法(EGR)

廢氣再循環(huán)( EGR)是一種減少NOx 排量的有效方法。EGR同樣也是燃燒過程中減少NOx 生成的方法。它利用將一部分柴油機(jī)自身產(chǎn)生的廢氣冷卻后再混入進(jìn)氣中，來降低過量空氣系數(shù)和降低最高燃燒溫度的原理來進(jìn)行的。廢氣的熱容量較高，吸熱量大，在氣缸中將進(jìn)一步降低局部燃燒溫度和NOx 的排出量。這種方法最多可達(dá)到50 %的NOx減少量。與其他方法一樣，因?yàn)槿紵实慕档?EGR會造成耗油率略有增加。這種方法目前未廣泛用于船上的原因是必須安裝一個額外的廢氣壓縮機(jī)。盡管最新的研究顯示提供這樣的一個壓縮機(jī)在技術(shù)上是可行的，但對于船用柴油機(jī)來講，廢氣中含有的大量硫化物和粉塵等會造成嚴(yán)重危害。所以人們確信如果柴油機(jī)在燃用重油時，這種方案是很不實(shí)用的，除非采用氣缸內(nèi)部再循環(huán)法。普通的EGR法只能用于使用清潔燃料的發(fā)動機(jī)。

3、優(yōu)選催化劑法(SCR)

優(yōu)選催化劑減氮法(SCR)屬于廢氣的后處理技術(shù),其所用的介質(zhì)通常是尿素的水溶液,一般濃度為40 %。此尿素溶液在廢氣總管的某一位置，直接噴入300～450℃的廢氣中。尿素在廢氣中迅速分解成氨和二氧化碳,然后氨經(jīng)過催化反應(yīng)器,與NOx 反應(yīng)生成無害的N2 和H2O。整個SCR反應(yīng)可寫作：

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O

SCR是目前為止最有效的削減NOx 的方法，NOx減少效率可以達(dá)到95%以上。一個典型的SCR 裝置包括一個催化反應(yīng)器，一個加藥和儲存系統(tǒng)及一個控制系統(tǒng)。SCR 反應(yīng)器是一個能容納幾層催化劑板的方型容器。反應(yīng)器內(nèi)使用的催化劑通常是：五氧化釩、二氧化鈦,通常還加入三氧化鎢和三氧化鉬來優(yōu)化催化劑特性。柴油機(jī)的負(fù)荷是尿素噴注量的控制參數(shù)，噴入廢氣管道中的氨的量是由微處理器進(jìn)行控制的，加入量與柴油機(jī)的NOx 的產(chǎn)生量成正比，而NOx的產(chǎn)生量則是柴油機(jī)負(fù)荷的函數(shù)。這種關(guān)系可設(shè)計(jì)成程序，輸入微處理器，用于NH3劑量的控制。SCR 的安裝位置應(yīng)在廢氣鍋爐之前的某一位置。該位置的選擇取決于其最佳工作溫度，大約在380℃左右。對于二沖程低速機(jī)，催化劑應(yīng)優(yōu)先安裝于透平增壓器前，對于四沖程機(jī)而言，SCR總是適用于安裝在透平的后部。然而，在二沖程機(jī)透平的后部安裝SCR裝置同樣也是可行的。但這種布置需要一個后加熱器來將廢氣加熱至催化劑所需要的溫度。燃油質(zhì)量愈低，含硫量愈高，意味著催化劑的負(fù)荷較大。催化劑的壽命通常是3～5 年，催化劑材料本身只占總成本的10% ，SCR的主要運(yùn)行成本來自尿素的消耗量。40%的尿素溶液消耗量大約是20～25g/ kwh。SCR可輕易通過廢氣系統(tǒng)中的旁通閥進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換,當(dāng)船在大洋航行時，旁通閥打開，加氨系統(tǒng)停止工作；在受控水域航行時，旁通閥關(guān)小，反應(yīng)器接通，待溫度升至正常溫度后，加氨系統(tǒng)開始工作。目前控制NOx排放最有效的機(jī)內(nèi)組合方法也只能達(dá)到80%的NOx降低量，只相當(dāng)于一個簡單的SCR的水平，所以SCR 方法應(yīng)是目前船公司既能滿足各種NOx排放量要求的同時又能夠減少成本的優(yōu)先選擇。

結(jié)束語

面對21世紀(jì)，為了保護(hù)海洋環(huán)境和大氣環(huán)境，將使用越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，為此有關(guān)船舶防止大氣污染問題應(yīng)引起航運(yùn)界和廣大船用發(fā)動機(jī)工作者的重視，并一起來研究和尋找出解決排放問題的技術(shù)策略和管理策略已是迫在眉睫之事。

（作者單位：青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院）