船舶柴油機(jī)NOx排放控制探析

王兆省　周廣豐

摘 要：20世紀(jì)70年代以來，船舶柴油機(jī)的排放對(duì)環(huán)境的影響日益引起各國(guó)的重視，許多國(guó)家和地區(qū)通過立法的形式規(guī)定了船舶柴油機(jī)的排放限額。國(guó)際海事組織（IMO）多次召開會(huì)議，就船用燃油質(zhì)量、主機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)和排放要求展開探討。隨著MARPOL公約附則Ⅵ第二階段和第三階段的到來，對(duì)船舶排放的要求更加嚴(yán)格。文章從技術(shù)方面就降低NOx的排放進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)；MARPOL；NOx排放

隨著國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展，船舶航運(yùn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。在驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，自身也面臨著能源與環(huán)境的問題。地球上化石燃料儲(chǔ)存有限，而能源需求量卻在逐年增加，資源面臨著枯竭的危險(xiǎn)。與此同時(shí)，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，極大地制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響人們的身體健康，甚至危及人類的生存。船舶對(duì)環(huán)境所造成的污染主要來自柴油機(jī)排放造成的大氣污染。

限制船舶污染物的排放已成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。1997年，國(guó)際海事組織（IMO）制定并通過了MARPOL73/78公約的新增附則Ⅵ《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》，對(duì)船舶主機(jī)的排放提出嚴(yán)格的要求。MARPOL73/78公約附則Ⅵ適用于400總噸及以上航行于締約國(guó)海域的船舶，以及航行于締約國(guó)所屬或所管轄水域的平臺(tái)和鉆井平臺(tái)。

對(duì)安裝在2000年1月1日及以后的船舶上的柴油機(jī)或經(jīng)重大改裝的、輸出功率超過130KW的柴油機(jī)，附則Ⅵ規(guī)定了NOx的排放上限，表1是IMO對(duì)NOx排放的要求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，船用柴油機(jī)每年向大氣中排放的NOx達(dá)到650萬(wàn)噸，超過了SOx（600萬(wàn)噸）。預(yù)計(jì)到2020年，NOx的排放量將增長(zhǎng)47%。船舶所造成的大氣污染，特別是距海岸400km以內(nèi)的近海地區(qū)尤為嚴(yán)重。減少柴油機(jī)的有害排放已刻不容緩。

NOx是柴油機(jī)廢氣的主要成分之一，其中90%的是NO，少量是NO2。

NOx是形成酸雨、酸霧的主要原因之一，是光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)?，?duì)人體的呼吸系統(tǒng)有毒害作用。限制氮氧化物的排放已成為各國(guó)環(huán)保部門的共識(shí)。為了減少NOx的排放，根柴油機(jī)的工作過程，可以從機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)處理和后處理三個(gè)方面進(jìn)。

1 機(jī)前處理——乳化燃油技術(shù)

燃油乳化是將燃油摻水形成乳化油在柴油機(jī)中進(jìn)行燃燒。乳化燃油有油中水滴型（W/O）和水中油滴型（O/W）兩種?？紤]到對(duì)柴油機(jī)的可靠性和壽命的影響，通常采用W/O型乳化油。

當(dāng)向柴油機(jī)噴入乳化油時(shí)，乳化油中的水分蒸發(fā)使得燃油溫度下降，從而降低NOx的排放。另一方面，乳化油噴入氣缸燃燒室后，在超聲波和熱場(chǎng)的作用下，油滴內(nèi)部溫度和壓力急劇升高并發(fā)生爆炸，從而使乳化油破碎成更小的油滴。通常情況下增加1%的水將減少1%的NOx。

2 機(jī)內(nèi)處理

2.1 直接噴水技術(shù)

該技術(shù)是把水和燃油以一定的比例先后噴入缸內(nèi)，在燃燒的過程中通過水分蒸發(fā)帶走大量熱量以降低燃燒室峰值溫度從而降低NOx的排放。在發(fā)動(dòng)機(jī)的各缸蓋上裝有相互獨(dú)立的燃油和水噴射閥，噴水系統(tǒng)可以隨時(shí)切斷。

此方法可以降低50%-60%的NOx排放，水油的最大比例為50%，超過此比例后，燃油消耗量將增大，NOx的降低則不明顯。

2.2 兩級(jí)燃燒方式

為減少NOx的排放，應(yīng)在保證柴油機(jī)熱效率的前提下，降低燃燒的最高溫度，縮短滯燃期。為此可以采用兩級(jí)燃燒的方式，它將燃燒過程分為兩個(gè)階段。在壓縮接近上止點(diǎn)的時(shí)候，少部分燃油著火燃燒，到活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，為第一個(gè)階段。此階段產(chǎn)生熱量較少，壓力上升平緩?；钊x開上止點(diǎn)后，燃燒室的溫度和壓力迅速提高，其余燃料快速燃燒，反應(yīng)速度加快，緩燃期和后燃期大大縮短，提高了熱效率，同時(shí)由于最高爆發(fā)壓力降低，使得燃燒較為平緩，增強(qiáng)了柴油機(jī)的可靠性。

2.3 推遲噴油定時(shí)

噴油定時(shí)包含著確定噴油始點(diǎn)和噴油終點(diǎn)的時(shí)刻，就其內(nèi)容而言，我們研究的是噴油的早晚以及持續(xù)時(shí)間問題。噴油定時(shí)對(duì)柴油機(jī)排放的影響，主要是通過滯燃期的長(zhǎng)短起作用。滯燃期長(zhǎng)，預(yù)混合燃油所占比例就大，NOx排放量就高。研究表明，推遲噴油定時(shí)是降低柴油機(jī)NOx排放濃度的簡(jiǎn)單而有效地措施。當(dāng)噴油定時(shí)比對(duì)應(yīng)于最短滯燃期的定時(shí)還晚時(shí)，NOx排放量將繼續(xù)降低，但過分推遲噴油定時(shí)會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的后燃嚴(yán)重，排煙增加，降低了柴油機(jī)的熱效率，是不可取的。為降低NOx的生成量，應(yīng)盡可能保證在柴油機(jī)具有較高熱效率的前提下，降低燃燒的最高溫度，縮短滯燃期。

2.4 采用高壓共軌噴射

傳統(tǒng)的機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)的柴油機(jī)，為提高經(jīng)濟(jì)性，通常采用增大噴油提前角的方法，為了降低NOx的排放，又要求減小噴油提前角。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，往往很難同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。使用高壓共軌噴射系統(tǒng)，可以根據(jù)工況對(duì)噴油定時(shí)和供油量精確控制，可以顯著提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又降低了NOx的排放。

2.5 廢氣再循環(huán)（EGR）

使部分廢氣再次進(jìn)入氣缸參與循環(huán)。由于氧濃度的降低和熱容量的增加，可以獲得較低的燃燒溫度和較低的NOx排放。參與循環(huán)的廢氣量比例為10%-20%，可使得NOx的排放降低30%-40%。

由于廢氣中含有未燃燒的HC化合物，炭煙顆粒和灰塵，會(huì)對(duì)增壓器和氣缸造成損害。這種方法更適合中小型柴油機(jī)，而對(duì)于燃用重油的船用柴油機(jī)，廢氣中的顆粒和油煙會(huì)更多，在船用領(lǐng)域有待于進(jìn)一步研究。

3 機(jī)后處理

3.1 催化還原SCR

使用機(jī)內(nèi)凈化或者前處理方法仍然不能滿足排放要求，就需要采取排氣后處理的措施。其中廣泛使用的是選擇性催化還原法（SCR）。在SCR反應(yīng)器中，使廢氣通過無(wú)水液氨或氨水溶液以及裝有催化劑的反應(yīng)器（選擇性催化還原法使用的還原劑，主要以氧化鈦為載體，以五氧化釩、氧化鋁為活性成分），在350-450℃下NOx被還原成N2和H2O，發(fā)生如下反應(yīng)：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

在SCR裝置中，應(yīng)首先使廢氣通過顆粒捕集器，以防粉塵對(duì)裝置的影響，同時(shí)也降低了柴油機(jī)PM的排放。采用此方法，可降低95%的NOx排放。但由于SCR裝置尺寸大，運(yùn)行成本高，在柴油機(jī)工況變化時(shí)，難以準(zhǔn)確控制氨的供給量，使得柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性受到影響。

3.2 水箱洗滌法

水洗法常用的一種廢氣后處理方法，可以凈化NOx和微粒以及其他廢氣，同時(shí)可有效地降低排煙溫度，減輕噪音。

水洗箱中的洗滌液一般是加入洗滌劑的溶液，使用10%的硫酸鈉溶液，可以吸收25%的NOx，使用20%的硫酸亞鐵溶液可使NOx的排放降低40%。在水中加入適量尿素，可以顯著提高NOx的吸收率。

在柴油機(jī)動(dòng)力設(shè)備通常使用隔板式水洗箱，它主要由擴(kuò)散室、噴氣管、隔板和排氣室組成，如圖3所示。柴油機(jī)的廢氣經(jīng)過擴(kuò)散室后緩慢進(jìn)入水中。由于隔板的阻擋作用廢氣和水溶液及水蒸氣有足夠長(zhǎng)的時(shí)間相互作用，從而達(dá)到有害氣體充分過濾的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，影響柴油機(jī)NOx排放的因素很多，單純使用一種技術(shù)降低船用柴油機(jī)的排放已無(wú)法滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，需要采取綜合措施，對(duì)船舶的燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和排放系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，又能改善柴油機(jī)的性能指標(biāo)。

（1）使用乳化燃油，噴油持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒最高爆發(fā)壓力增加，NOx的排放減少，燃油的消耗減少，排煙溫度會(huì)減低，但是排煙中顆粒物數(shù)量會(huì)增加，淡水消耗量也將增加。（2）提高噴油壓力，推遲噴油定時(shí)，改善增壓器的效率和進(jìn)氣壓縮比可以有效減少NOx的排放。（3）選擇性催化還原法（SCR）可除去大部分的NOx，但設(shè)備投資和運(yùn)行的費(fèi)用較高；體積龐大，廢氣處理后的產(chǎn)物需要專門的空間儲(chǔ)存空間，船舶到港后交岸上處理，使船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性受到影響。

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作者簡(jiǎn)介：王兆?。?986-），男，漢族，山東人，上海海事大學(xué)碩士，船舶與海洋工程專業(yè)。