船舶柴油機排氣狀況及污染物治理探討

劉鴻鋒 徐 灝 陳瑤姬 季經(jīng)偉

（浙江天地環(huán)?？萍加邢薰菊憬贾?10003）

船舶柴油機排氣狀況及污染物治理探討

劉鴻鋒 徐 灝 陳瑤姬 季經(jīng)偉

（浙江天地環(huán)?？萍加邢薰菊憬贾?10003）

本文收集了船用柴油機排放現(xiàn)狀以及國內(nèi)外關(guān)于船舶排放標準，并對國內(nèi)外排放標準進行了對比分析。針對某萬噸級貨船，在其柴油發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下，對柴油機排氣進行了測試，結(jié)果顯示柴油發(fā)動機尾氣中NOX和PM排放濃度較高。分析了船舶柴油機中SOX、NOX和PM三大污染物的生成機理，并就其控制技術(shù)分別進行了研討。

船舶柴油機；排氣；污染物治理

1 前言

據(jù)統(tǒng)計，全球80%的國際貿(mào)易都是通過船舶來運輸完成的，柴油發(fā)動機是全球船舶的推進動力及電力的主要來源。中國是一個造船大國，同時也是一個內(nèi)河航運資源比較豐富的國家，擁有大、小天然河流5800多條，河流總長43×104km，其中流域面積在1000km2以上的有80多條。船舶的柴油消耗量約占非道路用途柴油的15%。柴油機排氣中的有害成分有CO、HC、NOX、CO2、SOX及顆粒物（PM）。根據(jù)中國環(huán)境科學研究院正在開展的《船舶和港口空氣污染防治研究項目》的初步研究成果，內(nèi)河船舶排入大氣的污染物（僅估算柴油機船舶部分），NOx排放81×104t/a，PM排放6.6×104t/a，SOX排放約10×104t/a。船舶排放的NOX和PM占整個非道路移動源的大氣污染分擔率分別為13.32%和17.63%[1]。

目前，我國對大氣環(huán)境污染日益重視，并在《大氣污染防治行動計劃》中明確提出了船舶污染防治的要求，開展船舶大氣污染物排放控制技術(shù)的研究變得尤為重要?！斑x擇性催化還原法（SCR）船用低速柴油機尾氣氮氧化物(NOx)凈化裝置”以及“大功率柴油機接觸氧化還原法（SCR）脫硝裝備”已被列入“國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄（2014年版）”（工信部聯(lián)節(jié)[2014]573號）。

2 國內(nèi)外標準分析

2.1 國外標準

國際海事組織（IMO）于1997年通過了MARPOL73/78公約附則Ⅵ——防止船舶造成大氣污染規(guī)則，該規(guī)則已于2005年5月19日正式生效。2008年10月，在MEPC58次會議上又討論通過了附則Ⅵ的修正案，該修正案對船舶NOX和SOX的排放提出了嚴格要求。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ中明確了氮氧化物排放限值的三個階段，即TierI、TierII和TierIII。各階段排放限值情況見圖1。其中，橫坐標為船用柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速（單位：rpm），縱坐標為發(fā)動機NOX排放量（單位：g/kW·h）。

圖1 MARPOL73/78公約附則Ⅵ對NOX排放要求

限制船用柴油機排放的國際海事組織TierII標準于2011年1月起開始實施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約20%；Tier III標準于2016年實施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約80%。面對已經(jīng)生效的Tier III排放法規(guī)，各國船用柴油機制造商都在積極開展研究工作并制定應(yīng)對措施。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ中對于SOX按照控制區(qū)域范圍、實施時間進行分類控制，總體趨勢是越來越嚴格，具體要求見表1。

表1 MARPOL73/78公約附則Ⅵ對SOX排放要求

2.2 國內(nèi)標準

由國家環(huán)保部科技標準司組織制定了《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》（二次征求意見稿）。標準規(guī)定了船舶裝用的壓燃式發(fā)動機及氣體燃料（如：天然氣）點燃式發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法。適用于內(nèi)河船、沿海船、江海直達船和海峽[渡]船裝用的額定凈功率大于37kW的第1類和第2類船機（包括主機和輔機）的型式核準、生產(chǎn)一致性檢查和耐久性要求。

該標準中對CO、HC、NOX和PM的要求分別見表2、表3。

表2 船機排氣污染物第一階段排放限值

表3 船機排氣污染物第二階段排放限值

其中，第一階段自2017年1月1日起執(zhí)行，第二階段自2020年1月1日起執(zhí)行。執(zhí)行日期之后12個月起，所有銷售、進口和投入使用的船機（含作為配件的船機），其排氣污染物排放應(yīng)符合本標準要求。凡不滿足本標準相應(yīng)階段要求的船機不得銷售、進口和投入使用。

2016年3月30日，浙江省政府辦公廳印發(fā)《浙江省船舶排放控制區(qū)實施方案》，宣布2016年4月1日起，船舶到控制區(qū)圖十個港區(qū)靠岸停泊期間（靠港后的1h和離港前的1h除外）應(yīng)使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。鼓勵船舶在靠岸停泊期間使用硫含量≤0.1%m/m的燃油，鼓勵船舶進入排放控制區(qū)期間使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。

1.3 國內(nèi)外標準對比分析

國內(nèi)標準控制的內(nèi)河船機，除了要控制NOX，還要控制CO、HC和PM，控制要求比IMO TierII項目多，從NOX限值看，單缸排量小于20L的船機，國內(nèi)標準的控制要求比IMO TierII嚴格；單缸排量大于20L小于30L的船機，國內(nèi)標準的控制要求和IMO TierII的要求大致相當。IMO TierII排放水平與國內(nèi)標準要求的比較見表4。

表4 IMO TierII排放水平與國內(nèi)標準的要求的比較

3 船舶柴油機排放測試

3.1 船舶基礎(chǔ)資料

為了解目前大功率低速船舶柴油機排放情況，以某貨船為研究目標，對其柴油發(fā)動機排氣情況進行實測。該船總噸位33147t，凈噸位18562t，結(jié)構(gòu)吃水時的載重量為56772.7t，滿載排水量68268.4t，空載排水量11495.7t。主發(fā)動機為滬東重機有限公司生產(chǎn)的MAN B&W 6S50MC-C8型號發(fā)動機一臺，額定功率9960kW，額定轉(zhuǎn)數(shù)127r/min，6缸，缸徑500mm，沖程2000mm。燃料采用F0重柴油，燃油含硫量不大于0.504%。

3.2 測試儀器和測試點位置

表5 相關(guān)測試儀器

圖2 主煙道以及測試點位置示意圖

共設(shè)置了A、B兩處測試點，測試點A位于船舶最上層煙囪一側(cè)，在該處用嶗應(yīng)3012H對主排氣管道出口處煙氣情況進行檢測；測試點B位于主柴油機排氣總管溫度計螺口處，在該處德圖、熱電偶對柴油機排氣口處煙氣情況進行檢測。主煙道及測試點位置示意圖如圖2。

3.3 測試結(jié)果

在船舶穩(wěn)定前進工況下，其柴油發(fā)動機尾氣排放測試結(jié)果具體見表6。

表6 測試結(jié)果匯總表

從測試數(shù)據(jù)可以看出，該船舶煙氣污染物排放量大，其中在柴油機80%額定轉(zhuǎn)速工況下，排放較大的主要污染物為NOx、SO2、PM，其平均排放量分別為：19.05g/kW·h、5.06g/kW·h和200mg/Nm3，其中NOx排放高于Tier I標準所限定的排放值；在90%額定轉(zhuǎn)速工況下，PM排放急劇增加，污染嚴重。

由于該船發(fā)動機功率和單杠容量都超過了國內(nèi)標準管理范疇，因此參考國際標準IMO TierIII的要求，即NOx排放應(yīng)小于3.4 g/kW·h，則船舶柴油發(fā)動機的脫硝效率不低于82.2%。

4 船舶柴油機排氣污染物治理措施

根據(jù)對船舶柴油發(fā)動機進行排氣測試，發(fā)現(xiàn)其尾氣中主要污染物為SOx、NOx、和PM。對這三種污染的治理技術(shù)和脫除措施分析如下[2][3][4][5][6]：

4.1 SOx脫除

SOx的排放水平完全取決于燃料中硫的含量。因此，通過在發(fā)動機內(nèi)采取措施對SOX的排放起不到任何作用。對SOx排放的控制主要分為前處理和后處理兩個途徑，其中前處理就是通過化學方法降低燃油的含硫量，后處理技術(shù)途徑就是通過尾氣后處理裝置。

在后處理技術(shù)控制SOx排放方式中，SOx洗滌器技術(shù)被認為是最有效的方法之一。SOx洗滌技術(shù)主要分為兩種：干式洗滌和濕式洗滌。干式洗滌一般采用生石灰或熟石灰作為SOX的吸收劑，濕式洗滌是指使用海水或處理過的淡水作為吸收劑去除排氣中的SOx。濕式洗滌的脫硫效率普遍高于干式洗滌，如采用濕式洗滌，船舶燃用3%含硫的燃油也可以達到相關(guān)標準的要求。因此對于船舶柴油機排氣中SOx推薦采用濕式洗滌技術(shù)。

4.2 NOX脫除

船舶柴油機中生成的NOX主要來源是空氣中的氮氣，而影響其生成的因素主要是燃燒溫度、燃燒時間及燃油與空氣的預(yù)混合程度。要控制NOX的排放，可以從其生成機理和性質(zhì)兩個方面進行，可分為機內(nèi)燃燒控制和機外排氣凈化。

機內(nèi)燃燒控制技術(shù)是指在可燃混合氣體燃燒之前采取的降低污染物排放的措施，主要包括直接噴水法（DWI）、廢氣再循環(huán)（EGR）、增壓中冷技術(shù)、濕空氣動力系統(tǒng)（HAM）、水乳化燃料（FWE）、液化天然氣（LNG）、燃油電噴技術(shù)（FAI）、集成排氣歧管（IEM）等。機外排氣凈化技術(shù)是在機內(nèi)控制的基礎(chǔ)上為了進一步降低排放量采取的措施，包括選擇性催化還原技術(shù)(SCR)、廢氣洗滌法等。各種減排技術(shù)的潛力對比見圖3。

圖3 船舶主要的NOX減排技術(shù)及減排潛力

根據(jù)國外權(quán)威柴油機廠商研究，依據(jù)目前的技術(shù)水平和狀況，僅僅憑借直接噴水法（DWI）、增壓中冷等機內(nèi)凈化技術(shù)已很難滿足MARPOL公約附則Ⅵ的要求，機外控制技術(shù)的應(yīng)用已成為必然趨勢。SCR作為排氣后處理技術(shù)在工業(yè)中已廣泛應(yīng)用，可有效去除NOX高達90%，是目前降低NOX排放的最有效方法，也是為數(shù)不多能夠使船舶柴油機滿足MARPOL公約附則Ⅵ中TierⅢ排放標準的減排技術(shù)?？紤]到日益嚴格的環(huán)保標準，建議采用SCR技術(shù)對船舶柴油機排氣中NOX進行高效脫除。

4.3 PM脫除

柴油機排放的PM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10μm，能夠進入人體肺部的深處且對人體健康造成傷害。燃油乳化和顆粒捕集器技術(shù)是目前降低柴油機PM排放的主要技術(shù)。

燃油乳化是將燃油摻水形成乳化油在柴油機中進行燃燒，乳化油噴入氣缸后，一方面由于水的比熱容較大，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，抑制了NOX的生產(chǎn)。另一方面，霧化的燃油噴入氣缸后，形成了油包水的油水乳化液。微爆效應(yīng)使油和水獲得了二次霧化、擴散和均化，燃料油在空氣中分布更加均勻，空氣利用率高。因此，發(fā)動機的PM排放也得到了有效降低。國外研究表明，使用含水量40%的乳化油，可同時降低30%的NOX排放和80%的PM排放。

顆粒捕集器安裝在柴油機排氣系統(tǒng)中，通過過濾來降低排氣中PM排放。其捕集效率主要受到過濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)、柴油機運行工況、柴油機運行時間等因素影響。隨著過濾體內(nèi)顆粒不斷積累，排氣背壓升高，發(fā)動機性能惡化，所以必須適時清除過濾體中沉積的顆粒，使排氣阻力恢復(fù)到或接近原來的水平，即實現(xiàn)過濾體的再生。

5 結(jié)語

（1）船舶柴油機排氣中有大量污染物，隨著國內(nèi)外航運業(yè)的發(fā)展，船舶柴油機排氣污染物治理顯得非常重要。（2）針對某萬噸級貨船的柴油發(fā)動機排氣污染物進行了測試，結(jié)果顯示排氣中的NOX和PM排放較高，污染嚴重。（3）通過對船舶柴油機中SOX、NOX和PM三大污染物的生成機理進行分析，分別提出了相應(yīng)的控制措施。

[1]船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）標準編制組.船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）:（二次征求意見稿）編制說明.

[2]楊極,程釗.柴油發(fā)動機尾氣排放后處理技術(shù)的研究進展[J].內(nèi)燃機,2007,(4):45-48.

[3]趙明哲,張躍文,仉大志,等.SCR技術(shù)在船舶柴油機上的應(yīng)用[J].船舶工程,2013,(1):51-54，67.

[4]吳金源,董以敏.船用大功率柴油機排放凈化和控制[J].鐵道機車車輛,2003,(23):105-108.

[5]龐海龍,鄧成林,姚廣濤,等.船用柴油機有害物排放控制技術(shù)[J].船舶工程,2011,(33):21-24,32.

[6]周松,肖友洪,朱元清.內(nèi)燃機排放與污染控制[M].北京:北京航空航天大學出版社.

劉鴻鋒（1988—），男，浙江溫嶺人，助理工程師，從事煙氣環(huán)保工藝設(shè)計與研發(fā)工作。

徐灝（1978—），男，河南安陽人，高級工程師，從事環(huán)保設(shè)計與新技術(shù)研發(fā)工作。

陳瑤姬（1984—），女，浙江玉環(huán)人，工程師，從事環(huán)保設(shè)計和新技術(shù)研發(fā)工作。

季經(jīng)偉（1991—），男，助理工程師，從事環(huán)保項目管理與技術(shù)研發(fā)工作。