船用柴油機(jī)空氣防污染排放技術(shù)的分析與研究

毛蘭霞，梁東升

(1．江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫214151;2．江蘇科技大學(xué)四洋柴油機(jī)制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引言

所有研究表明，船舶對大氣的污染已經(jīng)不容忽視，特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的海區(qū)，船舶排放的廢氣甚至成為該地區(qū)的主要污染源，全球2/3以上的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣都產(chǎn)生在距海岸400 km的范圍內(nèi)。我國內(nèi)河航運(yùn)線上的環(huán)境污染情況比沿海港口更加復(fù)雜和嚴(yán)重。內(nèi)河船舶約22萬余艘2 000多萬DWT，大多船型舊、船舶噸位小，使用20世紀(jì)70～80年代的中小型船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及劣質(zhì)的燃料油。根據(jù)目前國內(nèi)船舶排放水平現(xiàn)狀推算，我國內(nèi)河船舶每年排放大氣的NOx、SOx不少于100萬t。針對船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放對大氣的污染日益嚴(yán)重，國際海事組織(IMO)制定了MARPOL73/78附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》。該規(guī)則于1997年9月26日獲得締約國大會(huì)通過，2005年5月19日生效，2006年8月23日起對我國生效。MARPOL73/78附則VI禁止船舶故意排放消耗臭氧物質(zhì)，控制排放揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)，并對船舶廢氣中的硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)提出了越來越嚴(yán)格的控制。這對于現(xiàn)有的排放控制技術(shù)將是極大的考驗(yàn)，所以，有必要對現(xiàn)有的排放控制技術(shù)進(jìn)行分析和比較，以便找出更好的解決方案或研究方向。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

在IMO的附則VI中，船舶柴油機(jī)廢氣排放控制的主要對象是SOx、NOx和顆粒物PM。為了有效控制船用柴油機(jī)廢氣排放和改善船舶對大氣的污染，通常采用淘汰劣質(zhì)燃料油、降低燃油中的含硫量、改善柴油機(jī)燃燒特性和柴油機(jī)排氣的后處理等措施來減少大氣污染物的排放。

1．1 船舶SOx排放控制技術(shù)

船舶SOx是燃油燃燒產(chǎn)生的，燃油中的硫和硫化物如硫化氫和硫醇等，在燃燒后產(chǎn)生二氧化硫(SO2)和三氧化硫((SO3)，是造成酸雨的罪魁禍?zhǔn)?。目前，船舶SOx的控制技術(shù)有:

(1)選用低硫燃料。硫含量下降，可改善燃燒性能，使SOx排放減少。但一方面，低硫燃油在煉制過程中需要耗費(fèi)大量能量并造成新的污染，且成本相對較高;另一方面，使用低硫燃油會(huì)導(dǎo)致油泵和噴油嘴的磨損。

(2)從煙氣中脫硫。海水沖洗是煙氣脫硫的辦法之一，它利用海水呈堿性與SO2可溶于海水的基本原理，讓排氣通過清洗裝置、洗滌水溶解SOx，而產(chǎn)生的硫酸利用海水的堿性正好將其中和。此辦法可以除去90%的SOx，但洗滌水的排放可能對環(huán)境有所影響，同時(shí)清洗裝置增加了柴油機(jī)的排氣背壓。因此，需要對附屬機(jī)構(gòu)和柴油機(jī)本身的工況作必要的調(diào)整。

1．2 船舶NOx的排放控制技術(shù)

船舶柴油機(jī)中生成的氮氧化物主要來源是空氣中的氮?dú)猓绊懫渖傻囊蛩刂饕侨紵郎囟?、燃燒時(shí)間及燃油與空氣的預(yù)混合程度。廢氣中含有95%的NO和5%的NO2+N2O。要控制NOx的排放，可以從其生成機(jī)理和性質(zhì)兩方面進(jìn)行，一般分為機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)和機(jī)外排氣凈化技術(shù)。

1．2．1 燃油乳化

燃油乳化技術(shù)是把柴油或重油在進(jìn)入氣缸前與水按一定比例混合并在超聲波和機(jī)械攪拌的作用下，形成油包水的乳化油滴。噴入高溫燃燒室后，由于水比熱較大，吸收大量的潛熱汽化，進(jìn)而在油滴內(nèi)部產(chǎn)生“微爆”使之破碎成粒徑更小的油滴，從而促進(jìn)了混合氣的形成和燃燒。同時(shí)，水的吸熱作用在燃燒過程中可以降低最高燃燒溫度。水與油的混合噴入，還可以降低燃油密度，使最高燃燒溫度進(jìn)一步降低。因此，柴油機(jī)的NOx排放量減少。使用乳化燃油對發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響隨機(jī)器型號不同而變化，但在一般情況下，增加1個(gè)百分點(diǎn)的水將減少1個(gè)百分點(diǎn)的NOx。MAN B＆W公司在其二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上使用含水10%的乳化燃油，實(shí)現(xiàn)了NOx減少10%的效果。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿負(fù)荷時(shí)加入20%的水，水的增加量根據(jù)排氣中測得的NOx來決定，因此，需要對NOx進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。國內(nèi)外的實(shí)踐證明，使用乳化燃油不僅能夠降低NOx的排放，還可改善柴油機(jī)的排煙，尤其在低負(fù)荷時(shí)更加明顯。但是，它也有會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的腐蝕以及油水分離現(xiàn)象的缺點(diǎn)。

1．2．2 發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化指控制缸內(nèi)參數(shù)來降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性。諸如改善燃燒室結(jié)構(gòu)和燃燒滯留期、增大壓縮比、優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、控制燃油噴射過程、采用共軌系統(tǒng)等。其中，延遲噴油正時(shí)是在燃燒過程中降低NOx生成的最簡單有效的方法之一。它主要通過滯燃期起作用，使燃料燃燒所形成的溫度峰值降低，但燃油消耗率會(huì)略有上升，并會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。當(dāng)燃?xì)鉁囟群驮鰤嚎諝饫鋮s水的溫度較低時(shí)，NOx的降低量可達(dá)20%，甚至更低。船舶動(dòng)力裝置由于經(jīng)常在熱帶環(huán)境狀態(tài)下運(yùn)行，冷卻水溫較高，利用延遲噴油正時(shí)的辦法也能將NOx排放量減少10%～15%。高壓共軌噴射系統(tǒng)是通過對噴油要素的優(yōu)化使船舶柴油機(jī)燃燒更充分，從而減少柴油機(jī)的有害排放，特別是在低負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速時(shí)，效果更加明顯。共軌柴油噴射系統(tǒng)可以將燃油噴射壓力提高到180 MPa。實(shí)踐表明，采用共軌技術(shù)的船用柴油機(jī)可以減少20%的NOx排放。另外，增壓中冷技術(shù)可使船舶柴油機(jī)的熱負(fù)荷不增加甚至降低以及在機(jī)械負(fù)荷增加不多的前提下，大幅度地提高船舶柴油機(jī)的功率，降低有害物的排放。其中廢氣渦輪增壓方式結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，所以，在船舶柴油機(jī)上得到普遍采用。

1．2．3 廢氣再循環(huán)

廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是將柴油機(jī)排氣管中的一部分廢氣經(jīng)冷卻和清潔后再次引入氣管，與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸參加缸內(nèi)燃燒。廢氣再循環(huán)之所以能使排氣中NOx濃度下降，是因?yàn)橐环矫?，柴油機(jī)排出的廢氣循環(huán)進(jìn)入到氣缸顯著降低了燃燒前氣缸中的氧含量;另一方面，柴油機(jī)排出的廢氣中含有較多的水蒸氣和CO2，它們的比熱容比空氣的大得多，從而也降低了燃燒過程所能達(dá)到的溫度。MAN B＆W在75%的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，采用20%再循環(huán)率取得了50%脫硝率。一般EGR可以在不影響柴油機(jī)輸出功率的情況下有效地降低NOx的排放約50% ～60%，但該方法只適用于使用低硫分和低灰分燃油或其他潔凈燃料的機(jī)型。EGR的使用還會(huì)影響到燃燒，增加燃油的消耗量，燃燒廢氣中的微粒物質(zhì)、未燃的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸家矔?huì)增加。廢氣冷卻時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高粘性的硫酸產(chǎn)物、水和煙灰的混合物，這也限制了EGR在柴油機(jī)中的應(yīng)用。

1．2．4 濕空氣動(dòng)力系統(tǒng)

濕空氣動(dòng)力(Humid Air Motors，HAM)系統(tǒng)是利用水蒸氣加濕進(jìn)氣管中的進(jìn)氣，形成濕空氣進(jìn)入氣缸燃燒，因而，必須降低最高燃燒溫度和NOx的生成數(shù)量。HAM系統(tǒng)可以取代增壓空氣冷卻器來冷卻進(jìn)口空氣和增加其水蒸汽含量，使?jié)穸仍诖髿庵刑岣邘妆?，從而能有效減少NOx達(dá)70% ～80%，同時(shí)不會(huì)引起二次污染。瑞典的Munters Euroform公司在1臺(tái)6 000 kW的12PC2．6V型船用中速柴油機(jī)中采用HAM技術(shù)，能使NOx的排放量降低74%。除此之外，HAM系統(tǒng)可以利用海水作為水蒸氣的來源，用廢氣鍋爐加熱或柴油機(jī)冷卻水加熱。

1．2．5 DWI技術(shù)

DWI(Direct Water Injection)技術(shù)是采用同時(shí)噴水和噴油的復(fù)合型噴油器，在燃油噴射階段，按水-燃油重量比0．4～0．7將高壓水噴入氣缸內(nèi)，完成水與燃燒的混合氣混合，進(jìn)而降低燃燒溫度，降低NOx排放可達(dá)50%～60%。這種復(fù)合型噴油器的噴水系統(tǒng)與噴油系統(tǒng)完全獨(dú)立，因此終止噴水系統(tǒng)不會(huì)影響柴油機(jī)工作。DWI技術(shù)除降低NOx的排放外，還降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷，并提高柴油機(jī)運(yùn)行的清潔性，淡水消耗量較少。但DWI技術(shù)會(huì)導(dǎo)致燃油消耗率略有提高，在使用含硫量較高的燃油時(shí)更需考慮燃燒室材料和采用特殊的噴嘴。該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上并不需要額外的空間也不用增加額外成本，一般可用在中速類型的船用發(fā)動(dòng)機(jī)上，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用大約為燃料費(fèi)用的4%～5%。另外，日本三菱重工還開發(fā)了添加水降低柴油機(jī)NOx排放的新技術(shù)，油水分層噴射。在噴油階段，使油和水分層噴入氣缸，降低火焰溫度。經(jīng)過連續(xù)試運(yùn)行，工況穩(wěn)定，對低速柴油機(jī)NOx可降低50%，高速柴油機(jī)降低70%。

1．2．6 選擇性催化還原法(SCR)

選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是指溫度在290～350℃下，利用還原劑(如氨氣、尿素溶液等)“有選擇性地”與NOx在催化劑涂層上進(jìn)行催化還原反應(yīng)(而不與氧發(fā)生反應(yīng))生成無毒無污染的N2和H2O。主要發(fā)生以下反應(yīng):4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，6NO2+8NH3→7N2+12H2O。芬蘭某公司的V6R32E型中速柴油機(jī)，采用SCR系統(tǒng)后NOx降低85%，CO和HC均降低70%;MAN B＆W公司的6S35MC型柴油機(jī)應(yīng)用SCR系統(tǒng)后，脫硝率在90%以上;此外，還有德國西門子公司的SINOX技術(shù)、美國RJM公司的SCR系統(tǒng)、加拿大DCL公司的SCR系統(tǒng)等。由此可見，SCR技術(shù)具有很高的NOx凈化效率，能夠達(dá)到Tier II和Tier III的排放要求。此外，使用該技術(shù)還可以在反應(yīng)器中氧化去除部分煙氣和碳?xì)浠衔铮粫?huì)造成油耗率和排氣黑煙的增加。當(dāng)然，SCR裝置也存在尺寸大、初投資高的問題。基礎(chǔ)型SCR體積與發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，其投資費(fèi)用是船舶的5% ～8%，是船舶柴油機(jī)的50%。盡管如此，因?yàn)镾CR技術(shù)可以非常有效地降低船舶柴油機(jī)NOx排放，所以，還是成為降低NOx排放的首選技術(shù)方案。

1．3 顆粒物排放控制

柴油機(jī)排放的顆粒物組成較為復(fù)雜，但主要因素有:燃油不完全燃燒產(chǎn)生的微小碳煙、潤滑油組分不充分燃燒、燃油和氣缸潤滑油中的灰分含量、燃油中未燃燒部分、燃燒產(chǎn)物以及潤滑油中的硫酸鹽和水分。船舶排放的顆粒物多數(shù)都小于10 μm，能夠進(jìn)入人體肺部的深處且對人體健康造成傷害。目前，對船用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的顆粒物凈化，就機(jī)內(nèi)控制來說，可以從提高噴油壓力，改善油氣混合質(zhì)量入手。而機(jī)外凈化技術(shù)，當(dāng)屬微粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，它可將排氣中微粒捕捉不使其排出機(jī)外，再利用催化劑、氧化器、燃燒器等進(jìn)行分解、燃燒。這種裝置可將船舶柴油機(jī)排氣中有害物微粒減少70%～90%。用來捕集微粒的過濾器的材料和結(jié)構(gòu)有許多種，常用的有整體式陶瓷、金屬絲網(wǎng)、紡織纖維圈、陶瓷纖維、泡沫陶瓷等。排氣系統(tǒng)中安裝DPF后將會(huì)使船舶柴油機(jī)的排氣背壓提高，功率下降。DPF上沉積的微粒越多，排氣背壓越高。因此，必須定期清除沉積在DPF上的微粒(稱為DPF再生)。DPF再生有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生2種技術(shù)，將二者結(jié)合起來應(yīng)用，效果顯著。另外，旋風(fēng)分離器也可減少顆粒物的排放，它能將顆粒物中粒徑大于0．5 μm的顆粒分離出去;還可采用靜電沉淀分離器，可減少99%顆粒物的排放，但設(shè)備造價(jià)較高。當(dāng)然還有其他新技術(shù)，如船舶廢氣反應(yīng)器(IESI)對發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物凈化率可達(dá)到80%以上。

2 目前運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)構(gòu)成

2．1 目前運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)

使用機(jī)內(nèi)控制技術(shù)降低NOx排放，總會(huì)或多或少帶來燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化或微粒排放增加，且機(jī)內(nèi)控制技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)零排放。為了滿足日益嚴(yán)格排放法規(guī)，需要使用機(jī)外凈化技術(shù)降低污染物排放。柴油機(jī)去除NOx的主要后處理技術(shù)包括:選擇性催化還原法(SCR)、非選擇性催化還原法(NSCR)、稀NO技術(shù)等。在所有的后處理技術(shù)中，選擇性催化還原法(SCR)被公認(rèn)為最成熟、最有效的措施，它在柴油機(jī)NOx排放中的應(yīng)用正在逐步推廣。

2．2 系統(tǒng)構(gòu)成

以瓦錫蘭SCR系統(tǒng)為例，對船舶SCR系統(tǒng)做一個(gè)簡單介紹，如圖1所示。

圖1 瓦錫蘭公司SCR系統(tǒng)布置示意圖

船舶SCR系統(tǒng)主體部分包括:SCR催化器、尿素罐、尿素計(jì)量單元、尿素泵、噴嘴、高壓氣瓶(工作空氣)、控制器、吹灰系統(tǒng)、混合器等?？刂破鞲鶕?jù)相應(yīng)的輸入(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、催化器溫度、催化器出口NOx濃度等)實(shí)現(xiàn)對還原劑計(jì)量單元的控制，調(diào)節(jié)還原劑的流量，并根據(jù)相關(guān)的傳感器信號，對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。尿素泵根據(jù)控制指令，實(shí)現(xiàn)尿素溶液的噴射，尿素溶液在排氣管路和催化器中分解成氨氣，在催化作用下，選擇性的將NOx還原成無害的氮?dú)夂退?。吹灰系統(tǒng)用于對催化劑積灰的吹掃，防止催化劑堵塞，保證良好的活性。混合器用于改善尿素液滴和排氣混合的均勻性。壓縮空氣的作用是為實(shí)現(xiàn)尿素溶液的良好噴射和霧化。

SCR法是一種運(yùn)用化學(xué)催化反應(yīng)原理，即利用NH3有選擇性的催化還原NOx反應(yīng)，將有害氣體NOx轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)夂退暮筇幚硌b置。決定SCR轉(zhuǎn)化效率因素很多，主要可以分為還原劑、催化劑、反應(yīng)溫度、廢氣中其他組分如水蒸氣、硫化物、氧氣等、催化器物理結(jié)構(gòu)等5類。

目前，最常用的還原劑有氨氣、尿素、氰尿素、密胺等。由于氨氣有毒、易揮發(fā)泄漏、不易攜帶等原因，使用它催化還原移動(dòng)源NOx存在一定的困難。因此，目前常用的是采用尿素溶液代替氨氣。由于尿素在溫度稍高時(shí)就容易水解成為NH3，故在催化反應(yīng)劑前，通過噴嘴噴入尿素霧化溶液，尿素在高溫廢氣中分解生成NH3。對于催化劑而言，目前已用于工業(yè)生產(chǎn)的主要是欽釩基蜂巢狀催化劑(V2O5-WO3-TiO2)。該類催化劑抗硫能力較好，但是低溫催化效果并不理想。對于不同的催化劑，其催化溫度窗口也是不同的，溫度過高或過低都會(huì)造成催化劑活性失效，影響催化效率。此外，水蒸氣、硫化物也會(huì)抑制催化效率。其中，在溫度較低時(shí)，硫化物還容易堵塞催化劑，造成排氣的背壓增高。催化器的物理結(jié)構(gòu)對催化效率影響也很大，一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)，不但要使催化器內(nèi)廢氣流動(dòng)均勻、排氣背壓小，而且催化器內(nèi)NH3分布也要求均勻。

SCR的最大優(yōu)點(diǎn)是可以減少80%～95%的NOx，從而滿足有關(guān)排放法規(guī)的NOx限制要求，這也是目前發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠、造船業(yè)十分看好SCR的主要原因。此外，使用這種裝置，不會(huì)造成耗油率和排氣黑煙的增加，不存在最終排放物的清除問題，且還具有消聲降噪的效果。然而SCR也存在不少問題，最大的問題是尺寸大、投資大。基礎(chǔ)型SCR的體積與發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，其投資費(fèi)是船價(jià)的5% ～8%，是柴油機(jī)的50% 。尺寸大，對于本來空間十分有限的船舶，自然有不堪擁擠之患;高額的投資，難免令船東或使用者重負(fù)難擔(dān);SCR的使用費(fèi)(主要是還原劑消耗)也較高。除以上問題外，因氨的逸漏和新的反應(yīng)生成物的產(chǎn)生，而使SCR有潛在的污染和毒性危險(xiǎn)，堿性物質(zhì)、蒸汽、重金屬等會(huì)破壞及降低催化劑的效能，從而限制了SCR的使用壽命。如果主機(jī)使用高硫份燃油，SCR有被在催化還原過程中生成的硫酸氨堵塞的危險(xiǎn)。無疑，這些問題或缺點(diǎn)的存在，是影響SCR技術(shù)真正步入普遍推廣應(yīng)用階段的嚴(yán)重障礙。為解決這些問題，西門子公司、蘇爾壽公司和日本的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，做了大量的研究發(fā)展工作，并取得了顯著成果，不同程度地克服了上述缺點(diǎn)，大大提高了SCR的實(shí)用性。

3 結(jié)語

在柴油機(jī)排放中，SOx和NOx是主要的限制對象。隨著排放控制標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，任何單一控制技術(shù)都難以達(dá)到要求。本文通過分析現(xiàn)有的主流控制排放技術(shù)，結(jié)合船舶應(yīng)用實(shí)例，試圖找出一個(gè)結(jié)合改善燃油，提高機(jī)內(nèi)控制技術(shù)，綜合對SOx和NOx機(jī)外排氣凈化的新的研究方向并作出一些有益的探索。

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