關(guān)于降低船舶柴油機(jī)NOx排放措施的探討

趙翠

摘要：闡述了船舶柴油機(jī)氣體NOX排放對環(huán)境的影響，介紹了IMO關(guān)于船舶柴油機(jī)廢氣排放的有關(guān)規(guī)定，提出了針對NOX排放的應(yīng)對措施，詳細(xì)討論了降低NOX排放的幾種有效方法。

關(guān)鍵詞：NOX排放；EGR；SCR；WIF；SAM

Abstract: This paper expounds the influence of the NOX emitted from the marine engine on the environment and introduces the IMO convention concerning the emission of marine diesel. Measures are described to reduce the NOX emission and several effective solutions are also discussed in this paper.

Key words: NOxemission;EGR;SCR;WIF;SAM

1引言

近年來，由于氣候變暖、環(huán)境污染所造成的各種各樣的災(zāi)害和對人類生命財(cái)產(chǎn)的影響，使得船舶及航運(yùn)業(yè)對環(huán)境污染的問題成為國際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，船舶減排面臨前所未有的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，許多國家都以非常熱衷而積極的態(tài)度發(fā)展綠色船舶。綠色船舶是從設(shè)計(jì)、建造、營運(yùn)到拆解的整個(gè)生命周期內(nèi)，通過應(yīng)用綠色技術(shù)最大程度上實(shí)現(xiàn)低能耗、低排放、低污染、高能效、安全健康的功能目標(biāo)。

對船舶柴油機(jī)來講，其排氣中包含很多有害物質(zhì)，例如碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、固體顆粒等。其中，氮氧化物不僅會(huì)造成環(huán)境污染，而且損害人類健康。針對NOX排放，國際海事組織（IMO）對MARPOL公約重新審視梳理，不斷提出了一些新的環(huán)保要求。在MEPC57中，MARPOL Annex VI規(guī)定了NOX的排放要求（適用于功率超過130 kW的柴油機(jī)）：

Tier I ：2000年1月1日起鋪龍骨（上船臺(tái)）的建造的船舶，排放要求：若轉(zhuǎn)速為n<130 r/min，排放要求為17.0 g/kWh ，若130 r/min≤n<2 000 r/min排放要求為45.0*n(-0.2) g/KWh，隨著轉(zhuǎn)速的升高，排放值降低。適用范圍：全球海域；

Tier II：2011年1月1日起鋪龍骨（上船臺(tái)）的建造的船舶，排放要求：若轉(zhuǎn)速為n<130 r/min，排放要求為14.4 g/kWh 。適用范圍：全球海域；與Tier I相比降低20%；

Tier III ：2016年1月1日以后建造的船舶，排放要求：若轉(zhuǎn)速為n<130 r/min，排放要求為3.4 g/kWh 。適用范圍：排放控制區(qū)；與Tier I相比降低80%。在排放控制區(qū)外航行時(shí)，可按Tier II標(biāo)準(zhǔn)排放。

2應(yīng)對措施

較少NOX排放無非采用一級處理和二級處理兩種方法來實(shí)現(xiàn)。一級處理方法通過改變?nèi)紵隣顩r降低燃燒溫度來實(shí)現(xiàn)；二級處理不改變主機(jī)的工作狀態(tài)，利用外部設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

目前新造船舶的柴油機(jī)都已經(jīng)滿足Tier II 的要求，但Tier III的要求比Tier II 的要求低了60%。針對以上兩種處理方式目前經(jīng)過幾大主機(jī)廠家的研究和試驗(yàn)，證實(shí)了通過①EGR (廢氣再循環(huán)Exhaust Gas Recirculation)、②SCR (選擇性催化還原Selective Catalytic Reduction)、③WIF (油水乳化Water In Fuel Emulsion)、④SAM (掃氣加濕Scavenge Air Moistening)幾種方法可以使柴油機(jī)的排放滿足Tier III的要求。

2.1EGR(廢氣再循環(huán))

EGR是將排氣管中的一部分廢氣引入進(jìn)氣管，再進(jìn)到氣缸中。廢氣的稀釋作用減緩了NO生成速度，降低了燃燒溫度，從而有效地降低了NO的排放濃度。利用10%廢氣量進(jìn)行再循環(huán)可以使氧化氮排放量下降30%，而不太影響燃油消耗率。

利用廢氣再循環(huán)并不是將廢氣中的氧化氮再次送入柴油機(jī)以減少其排放量，而是從燃燒過程的熱化學(xué)反應(yīng)來阻止氧化氮的形成。在柴油機(jī)廢氣中，其主要成分是氮?dú)?，但也含有水蒸氣和二氧化碳，水蒸氣和二氧化碳的比熱都比較大，這可以有效地降低火焰溫度，減少氧化氮的形成。并且，由于燃燒室中廢氣的增加，其含氧量減少，從而使氧與氮的接觸機(jī)會(huì)減少，也有助于降低氧化氮的生成。

圖1為MAN公司推薦的燃燒重油的二沖程柴油機(jī)采用廢氣再循環(huán)法的示意圖。EGR系統(tǒng)主要部件：洗滌器、冷卻器及水分分離器、鼓風(fēng)機(jī)、應(yīng)急停止閥、系統(tǒng)啟停閥、水處理單元(WTP)、NaOH中和單元和廢水處理裝置（WCU)。EGR的安裝要鄰近主機(jī)的排煙集管。旁通的廢氣在進(jìn)入燃燒室之前，經(jīng)過洗滌器、冷卻器和水分分離器，利用鼓風(fēng)機(jī)增壓，和增壓空氣混合后進(jìn)入空冷器。

圖1EGR系統(tǒng)示意圖

在洗滌器內(nèi)，因?yàn)閺U氣中含硫，和水混合后變成酸性，要加入NaOH中和，以盡量減小腐蝕的可能性。洗滌水中含有大量的顆粒物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致WTP部件的失效。因此，系統(tǒng)配備一套WCU以去除顆粒物，同時(shí)，在一定程度上凈化洗滌水使之滿足洗滌水排放要求。WTP向EGR洗滌器提供給水，緩沖水柜是WTP最大的部件，用來維持恒定的水流量。洗滌泵布置在緩沖柜的下方，用來向洗滌器和預(yù)清洗裝置供水。臟的洗滌水通過疏水器從洗滌器底部流入緩沖柜，然后泵入WCU進(jìn)行循環(huán)，處理后的凈水經(jīng)過三通閥排到舷外或船上的污水艙。另外，還需要向緩沖柜供給淡水以及向EGR冷卻器供給海水。

為了EGR能夠?qū)ω?fù)荷變化作出準(zhǔn)確快速的反應(yīng)，而且能易于操作，EGR控制單元包括一個(gè)主控制器來控制EGR比率（再循環(huán)廢氣和掃氣空氣的比率）、掃氣空氣壓力和WTP的啟停定時(shí)，還包括一個(gè)PLC來控制水系統(tǒng)。

MAN公司利用完整的EGR系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在75%主機(jī)負(fù)荷下，單獨(dú)采用EGR技術(shù)，45%廢氣量能將NOX減少到3.4 g/kWh，從而滿足在排放控制區(qū)IMO Tier III階段的要求，但是燃油耗油率提高約0.3%。另外，在基本設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮該裝置的布置空間。

2.2SCR(選擇性催化還原)

用氨作還原劑對含NOX的氣體進(jìn)行催化還原處理，使氨能有選擇地和氣體中的NOX進(jìn)行反應(yīng)，而不和氧發(fā)生反應(yīng)，稱為選擇性催化還原法。利用SCR來降低廢氣中的NOX，廢氣在通過一層特殊的催化劑之前與氨相結(jié)合，溫度為300～400℃，NOX還原為N2和H2O。

圖2為船用低速柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的布置示意圖。SCR的反應(yīng)器為一個(gè)獨(dú)立的裝置，垂直于機(jī)旁通過排氣管和閥件與之連接。另一種可供選擇的布置方式是水平設(shè)置SCR反應(yīng)器，置于增壓器之上，對機(jī)艙的布置更方便。

圖2SCR系統(tǒng)示意圖

液氨、氨水和尿素都可用作還原劑。對于船用來說，需要安全且容易處理的還原劑，所用的介質(zhì)通常是尿素的水溶液，一般濃度為40%。NH3是可燃性氣體，因而其輸送管路采用雙層管壁并設(shè)有必要的透氣裝置，環(huán)形空間中置有NH3泄漏監(jiān)測器。NOX清除的程度取決于所加的氨量，多噴入一些氨，NOX凈化率就越高，同時(shí)，由于在被處理過的煙氣中未用過的氨將增加。為了減少氨隨廢氣排出造成的損失，噴入排氣管中的含氨量由一臺(tái)程序計(jì)算機(jī)控制，使氨的噴射量與柴油機(jī)產(chǎn)生的NOX成比例。NOX的產(chǎn)生量與柴油機(jī)負(fù)載的關(guān)系在試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了測量，所取得的關(guān)系編入程序計(jì)算機(jī)用來控制氨的劑量。氨的劑量隨后按反饋系統(tǒng)基于所測得的NOX出口信號的壓差來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

SCR反應(yīng)器是一個(gè)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。催化劑的容量以及反應(yīng)器的尺寸取決于催化劑的活性、所期望的NOX凈化程度、NOX的濃度、煙氣壓力和可接受的NH3流失量等因素。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%的尿素溶液的消耗量大約是20～25g/kWh。

SCR系統(tǒng)利用選擇性催化還原技術(shù)對柴油機(jī)的廢氣作后處理，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，能夠較好地滿足一些航區(qū)對NOX排放控制較嚴(yán)的要求。

2.3WIF(油水乳化)

WIF是用水等物質(zhì)來參與柴油機(jī)的燃燒，使燃燒溫度降低，從而使NOX的生成量降低。隨著摻水量的增加，NOX的生成量減少。WIF是唯一一種既能減少NOX排放又能減少微粒排放的方法。

目前普遍認(rèn)為降低NOX排放是以降低燃燒溫度從而增加耗油率的代價(jià)來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上采用油水乳化技術(shù)能夠改善燃燒狀況，對于一些主機(jī)能夠減少1%~2%的耗油率。圖3顯示某設(shè)備商采用該技術(shù)在實(shí)船上測量的NOX排放量與含水量的變化關(guān)系。

圖3NOx排放與含水量關(guān)系

燃油的乳化必須在其進(jìn)入燃油系統(tǒng)的循環(huán)回路前完成。水的增加量根據(jù)控制系統(tǒng)進(jìn)行微量調(diào)節(jié)，監(jiān)測壓力、溫度和摻水量。燃油乳化技術(shù)也有其局限性，水和重質(zhì)燃油的乳化比較容易取得，并且較穩(wěn)定。但水與柴油、輕質(zhì)柴油的乳化就困難了。當(dāng)沿海航行強(qiáng)制需要采用低硫燃油時(shí)，需設(shè)置專門的乳化裝置。圖4為滿足MARPOL 附則VI采用WIF技術(shù)的工作流程圖。

對于采用燃油乳化措施的船舶，燃油系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)，當(dāng)船舶失電時(shí)，將不會(huì)影響油/水乳化的穩(wěn)定性。

圖4WIF系統(tǒng)示意圖

2.4SAM(掃氣加濕)

SAM是一種向掃氣中加水的方法，利用水的汽化吸熱來適當(dāng)降低燃燒溫度，使NO生成減少。

SAM屬于機(jī)內(nèi)改造方法，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。利用這種方法，每加入20%的水分，可以減少NOX排量的10%。同時(shí)，低的燃燒溫度也使炭煙生成速率下降，且CH基的增加可促使炭煙先兆物的氧化，因而增加進(jìn)氣濕度對降低炭煙排放也是有利的。

但是在低負(fù)荷下，進(jìn)氣濕度增加會(huì)使未燃烴排放增加，而且因?yàn)樵诶涞膾邭饪諝庵?，水不能完全蒸發(fā)，水珠打在氣缸套內(nèi)壁，造成其表面油膜的破壞和硫酸腐蝕，因此目前很少采用SAM。

3結(jié)束語

降低船舶柴油機(jī)NOX排放，需要根據(jù)各船具體情況進(jìn)行，可采用單一的措施，也可疊加使用。IMO防止空氣污染規(guī)則的引入將會(huì)提高各國對船舶柴油機(jī)排放的進(jìn)一步關(guān)注，出臺(tái)一些日趨嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)或國家船舶排放控制計(jì)劃，對航運(yùn)業(yè)和造船業(yè)提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從而采取有效的綠色環(huán)保技術(shù)來應(yīng)對。

參考文獻(xiàn)

[1] MAN B&W PROJECT GUIDE.2011

[2] 江彥橋.海洋船舶防污染技術(shù)[M] .上海:上海交通大學(xué)出版社, 2000