船舶柴油機(jī)廢氣排放控制技術(shù)

曼恩機(jī)械有限公司上海分公司 楊永東

一、MARPOL公約附則VI的形成與發(fā)展

IMO在制定1973年防污公約（MARPOL 1973）時，對控制船舶污染空氣（尤其是排氣中的有毒氣體）的議題進(jìn)行了討論，但未將有關(guān)空氣污染的規(guī)則納入公約。1973年公約只包括5個技術(shù)附則。

1979年，在聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會的環(huán)境部長會議上，通過了《長距離越境空氣污染公約》（Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution，LRTAP），以處理歐洲和北美的酸雨問題，公約主要規(guī)定了為防止各加盟國越境大氣污染的最佳對策，防止硫等物質(zhì)排放的技術(shù)，促進(jìn)酸雨影響的研究與開發(fā)，實(shí)施國際合作和檢測等。

在MORPOL73/78公約于1983年生效后，IMO海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）開始討論防止船舶污染空氣的規(guī)則，并先后通過了防污公約《減少硫排放物議定書》（1985）、《控制氮氧化物排放議定書》（1988）、《控制揮發(fā)性有機(jī)化合物排放議定書》（1991）和《進(jìn)一步減少硫排放物議定書》（1994）。

1988年，挪威遞交了關(guān)于空氣污染問題的文書，MEPC同意將該議題納入工作日程。在1989年3月召開的海環(huán)會會議上，多國提交了關(guān)于防止船舶污染空氣的文書，MEPC決定自1990年起將空氣污染議題列入其長期工作議程。1990年挪威向MEPC提交了系列關(guān)于船舶排放硫、氮氧化物以及氯氟烴（CFCs）和哈龍（Halons）的研究報(bào)告。在MEPC的努力下，1991年IMO大會通過了關(guān)于防止船舶污染空氣的A.719（17）號決議。決議要求MEPC起草一個關(guān)于防止船舶污染空氣的MARPOL73/78新附則。新的附則草案經(jīng)過6年的準(zhǔn)備，IMO于1997年9月通過MARPOL73/78公約1997年議定書，為防污公約新增了一個附則VI，標(biāo)題為“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”。1997年議定書于2005年5月生效。

新的附則VI設(shè)定了船上硫氧化物、氮氧化物的排放限制，并禁止蓄意排放破壞臭氧層的物質(zhì)。該附則設(shè)定了一個4.5%m/m的全球燃油硫含量上限，并呼吁IMO監(jiān)控世界范圍內(nèi)的平均燃油硫含量。

1997年議定書生效后，MEPC考慮到當(dāng)時的技術(shù)可行性和進(jìn)一步降低排放的需要，先后于2005年7月召開的第53屆會議和2008年10月召開的第58屆會議上通過了附則VI和NOx技術(shù)規(guī)則的修正案。2008年修正案于2010年7月1日生效。

二、MARPOL公約附則VI關(guān)于氮氧化物排放和燃油硫含量的規(guī)定

2011年1月1日生效的關(guān)于控制氮氧化物排放的具體內(nèi)容可以用圖1來表示，即在全球海域范圍之內(nèi)，2011年1月1日之前裝船使用的二沖程低速柴油機(jī)NOx排放限值為17.7 g/kWh（Tier I）；2011年1月1日以后鋪龍骨的船上使用的二沖程低速柴油機(jī)需要減少到14.4 g/kWh（Tier II）；2016年1月1日及以后新造的船舶，在特定的排放控制區(qū)域，NOx的排放要在Tier I的基礎(chǔ)上減少80%（Tier III），在其他區(qū)域還是執(zhí)行Tier II的排放規(guī)則。

圖1同時給出了MARPOL73/78公約附則VI關(guān)于燃油含硫量的要求，從圖中可以看出，到2020年全球海域內(nèi)船舶使用的重油含硫量不得超過0.5%，在SECA區(qū)域，自2016年起硫含量不得超過0.1%，在加州海岸2012年1月已經(jīng)實(shí)施了燃油含硫量不超過0.1%的規(guī)則。

三、控制船舶柴油機(jī)廢氣排放的方法

圖1 控制氮氧化物排放的具體內(nèi)容

就船用低速機(jī)市場占主導(dǎo)地位的MAN B&W來說，目前有兩種比較成熟的方案來控制NOx排放，分別是廢氣再循環(huán)技術(shù)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）和選擇性催化還原理技術(shù)（Selective Catalyst Reduction，SCR）。對于SOx的控制，有兩種不同的解決方案，一是在船舶上加裝Scrubber （洗滌塔），或者直接燃燒滿足要求的低硫油，以達(dá)到排放的要求。

圖2 EGR裝置在柴油機(jī)上的安裝位置和廢氣再循環(huán)路徑

1.廢氣再循環(huán)技術(shù)

EGR裝置在柴油機(jī)上的安裝位置和廢氣再循環(huán)路徑可以大致用圖2表示。

廢氣再循環(huán)技術(shù)的主要思路是將柴油機(jī)產(chǎn)生廢氣的一小部分再送回到汽缸，用排氣中的CO2代替掃氣空氣中一部分氧氣，由于CO2的比熱比氧氣大，可以降低燃燒室中的最高溫度。同時，再循環(huán)廢氣由于具有惰性，會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程放慢，最終達(dá)到減少NOx生成量的效果（NOx在高溫富氧的環(huán)境下產(chǎn)生），從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)排放水平的提升。另外，提高廢氣再循環(huán)率會使總的廢氣流量減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量也會相對減少。

EGR系統(tǒng)的關(guān)鍵就是控制廢氣的引入量，使廢氣的再循環(huán)量在每一個工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況。如果廢氣的引入量過多，造成氧氣量不足，會導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒狀況不佳；如果廢氣引入量不足，就達(dá)不到減少氮氧化物的目的。因此，一個看似簡單的過程其實(shí)并不簡單，圖2中的EGR Valve必須有精確的控制技術(shù)才能達(dá)到相應(yīng)的效果。EGR技術(shù)通過稀釋汽缸的氧氣，同時配合燃油電噴技術(shù)，改善燃油噴射效果，使燃燒過程更加平穩(wěn)，減少柴油機(jī)粗暴燃燒。

但是，單獨(dú)采用EGR技術(shù)并不能達(dá)到降低廢氣排放的目的，還必須配合中冷技術(shù)（圖2中的水處理系統(tǒng)）一起使用。發(fā)動機(jī)的排氣溫度非常高，一般能到達(dá)300～400 ℃，如此高溫的氣體引入對發(fā)動機(jī)性能會造成極大損害，中冷技術(shù)正是為解決這個問題而生。實(shí)驗(yàn)證明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降10 ℃，發(fā)動機(jī)功率就能提高3%～5%。油耗也因此會相應(yīng)下降。

EGR技術(shù)代表了Tier III研發(fā)的里程碑，它的出現(xiàn)使現(xiàn)有船用發(fā)動機(jī)滿足自2016年起開始實(shí)施的排放控制區(qū)域排放標(biāo)準(zhǔn)，同時，EGR也不會顯著改變發(fā)動機(jī)的性能。

在圖2中，還有一個洗滌塔裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在柴油機(jī)運(yùn)行在75%額定負(fù)荷情況下，該洗滌塔可以降低排放廢氣中70%～80%的顆粒物，洗滌塔中的過濾裝置還可以減少90%～98%的SO2，從而保證了進(jìn)入掃氣空氣中的廢氣的惰性，防止SO2重新進(jìn)入汽缸產(chǎn)生腐蝕。

第一條裝配MAN公司研發(fā)的EGR裝置的船舶主機(jī)6S80ME-C9將于2013年第一季度交付開始投入運(yùn)營，MAN公司將在未來三年進(jìn)行跟蹤研究和服務(wù)。這臺主機(jī)每年將有20%的時間進(jìn)行Tier III模式運(yùn)行。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)的新型柴油機(jī)已經(jīng)可以將EGR設(shè)計(jì)成柴油機(jī)的一部分，而不需要單獨(dú)配置另外一個系統(tǒng)。所以，對于新建造的船舶，如果選用集成EGR系統(tǒng)的柴油機(jī)，對于滿足新規(guī)范的要求是沒有任何問題的。

2.選擇性催化還原技術(shù)

選擇性催化還原裝置及其工作原理見圖3。

圖3 選擇性催化還原裝置及其工作原理

SCR已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于陸地火力發(fā)電廠，而且技術(shù)相當(dāng)成熟，以NH3基為還原劑的SCR技術(shù)，能去除柴油機(jī)尾氣中的絕大多數(shù)NOx和部分HC。由于尿素比液氨或氨水更便于運(yùn)輸和存儲，安全性也好，因此船用柴油機(jī)的SCR技術(shù)一般以尿素為還原劑。

但是在船用發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行的時候還有一些技術(shù)性的挑戰(zhàn)需要解決。通常情況下，柴油機(jī)在20%～40%負(fù)荷下，廢氣排溫低于300 ℃，而SCR要求的工作溫度在300 ℃以上。

如何解決船用柴油機(jī)在低負(fù)荷時的排氣溫度是讓SCR能滿足船舶使用的關(guān)鍵問題，目前通常的做法是旁通部分掃氣，通過減少進(jìn)入汽缸的掃氣量來增加排氣溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在柴油機(jī)運(yùn)行于25%負(fù)荷時，可以通過旁通部分掃氣將廢氣溫度從258 ℃提高到330 ℃。此時相應(yīng)的油耗會提高3 g/kWh左右，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IMO規(guī)定的5.1 g/kWh。

通過采用高壓SCR技術(shù)，可以完全滿足Tier III排放技術(shù)要求，同時，SCR裝置的體積也減小很多，不需要太多的催化劑和催化反應(yīng)空間。MAN的電噴ME主機(jī)的ECS控制系統(tǒng)，可以完全集成整個SCR的控制，包括在柴油機(jī)低負(fù)荷情況下自動旁通部分掃氣，以達(dá)到SCR裝置最佳工作的要求。

3.Scrubber（洗滌塔）脫硫技術(shù)

對于SOx的處理，單純地對柴油機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行改造已經(jīng)不可能滿足排放Tier III和SECA的要求了，因此必須采用后處理裝置Scrubber洗滌塔。見圖4。

Scrubber已經(jīng)是一種非常成熟的技術(shù)，在傳統(tǒng)商船上的應(yīng)用主要是空間的問題，如果在船舶建造初期沒有安裝，則在后期改裝需要有足夠的空間和較大的投資費(fèi)用。一般可以將其安裝在后甲板上。

目前，主要幾大主流供應(yīng)商有Alfa Laval Aalborg，Hamworthy Krystallon，DuPont Belco，Couple Systems（Dry scrubber）和Wartsila。

圖4 Scrubber洗滌塔示意圖