基于船用柴油機(jī)廢氣排放及凈化研究

劉正祥+張東方

摘 要：世界各船舶設(shè)備提供商及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)國際海事組織（IMO）和各國制定的有關(guān)船用柴油機(jī)廢氣排放限定的公約和法規(guī)都加快了船用柴油機(jī)廢氣排放及凈化措施的研究，取得了一系列理論和技術(shù)上的成功，就廢氣中各成分（NOX、SOX、PM等）的排放，相關(guān)公約與法規(guī)及凈化技術(shù)進(jìn)行了探討，解決柴油機(jī)廢氣排放凈化措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 廢氣排放 凈化

1.引言

船用柴油機(jī)的廢氣排放物主要為：NOX、SOX、CO2等氣體和顆粒排放物（PM）等，它們給環(huán)境帶來不同程度的污染。隨著船舶運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，船用柴油機(jī)功率的不斷提高，船用柴油機(jī)的廢氣排放對(duì)當(dāng)前環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重?？梢姡貌裼蜋C(jī)的廢氣排放是影響全球環(huán)境的重要因素之一。如果不及時(shí)地對(duì)船用柴油機(jī)的廢氣排放進(jìn)行有效的控制，將對(duì)地球的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。減少船用柴油機(jī)對(duì)大氣環(huán)境的污染，將是船舶制造企業(yè)今后一段時(shí)間的又一主題，這就對(duì)我國的船舶工業(yè)給予了更高的要求，這也為本文的探討提供了現(xiàn)實(shí)意義。

2.有關(guān)船用柴油機(jī)廢氣排放的有關(guān)法規(guī)及影響

2.1船用柴油機(jī)主要廢氣排放的有關(guān)法規(guī)

船用柴油機(jī)排放物影響大氣環(huán)境的主要是NOX、SOX、CO2、PM，這也是本文探討的主要方面，有關(guān)船用柴油機(jī)廢氣排放的限制主要來自兩個(gè)方面：（1）國際海事組織（IMO）制定的MARPOL公約附則VI有關(guān)船用柴油機(jī)廢氣排放規(guī)定，（2）當(dāng)船舶停泊于港口或航行于沿海地區(qū)時(shí)又要滿足相對(duì)應(yīng)地區(qū)的相關(guān)法規(guī)，一般而言，這些地方法規(guī)嚴(yán)于IMO所要求的規(guī)定。2.2NOX的排放要求

《73/78 MARPOL公約》附則VI中規(guī)定，即船用柴油機(jī)輸出功率超過130kw的（應(yīng)急設(shè)備、應(yīng)急發(fā)電機(jī)及裝置除外）且其所在船舶為2000年1月1日或以后建造或重大改裝的，對(duì)NOX的排放明確規(guī)定了最高限制標(biāo)準(zhǔn)，如圖1和表1。同時(shí)，IMO對(duì)于此最高限值還明確：（1）船舶在海上航行時(shí)，輪機(jī)人員用簡(jiǎn)易方法測(cè)量柴油機(jī)NOX排放量時(shí)可以有10%的誤差；（2）當(dāng)柴油機(jī)使用劣質(zhì)燃料燃燒時(shí)可以有10%的誤差；（3）當(dāng)船舶在海上航行又使用劣質(zhì)燃油時(shí)最大允許誤差為15%。

TierI的限定標(biāo)準(zhǔn)適用于船舶建造或重大改裝于2000年1月1日或以后至2011年1月1日以前其安裝的船用柴油機(jī)。

TierII的限定標(biāo)準(zhǔn)適用于船舶建造或重大改裝于2011年1月1日或以后其所安裝的船用柴油機(jī)，并在全球?qū)嵤?/p>

TierIII規(guī)定NOX排放量的限定值約為TierI限定值的20%。其控制區(qū)尚未確定。

2.3SOX的排放限制，見表2

歐盟規(guī)定所有駛進(jìn)歐盟的船舶，自2005年5月必須使用硫含量為1.5%及以下的燃油并且有歐洲固定航線的客輪應(yīng)使用硫含量為1.2%及以下的燃油，所有停泊在歐洲的船舶使用硫含量為0.2%及以下的燃油且到2010年1月后必須使用低于0.1%硫含量的燃油或使用排氣后處理措施達(dá)到相應(yīng)的SOX排放水平。歐洲部分國家還制定了相應(yīng)的排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。相比于IMO關(guān)于燃料的硫含量限制美國加州地區(qū)要求更加嚴(yán)格，要求在2012年所有到達(dá)加州地區(qū)的船舶所使用燃料的硫含量必須低于0.1%。

2015年12月2日， 交通運(yùn)輸部關(guān)于印發(fā)珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案的通知， 自2016年1月1日起，有條件的港口可以實(shí)施船舶靠岸停泊期間使用硫含量≤0.5%m/m的燃油等高于現(xiàn)行排放控制要求的措施。自2017年1月1日起，核心港口區(qū)域的船舶在靠岸停泊期間應(yīng)使用硫含量≤0.5%m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制區(qū)內(nèi)所有港口靠岸停泊期間都要使用硫含量≤0.5%m/m的燃油；自2019年1月1日起，船舶進(jìn)入排放控制區(qū)后，必須使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。方案確定，在排放控制區(qū)內(nèi)的船舶可采取連接岸電、使用清潔能源、尾氣后處理等與排放控制要求等效的替代措施。

2.4CO2的排放限制

大氣中CO2含量的增加形成了很嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，從而導(dǎo)致全球氣候變暖，南北極冰川融化，海平面上升，繼而導(dǎo)致全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生損失、人類的生存造成巨大的威脅。更為嚴(yán)峻的是氣候變暖導(dǎo)致冰川融化，另外一種存在于冰川之中溫室氣體甲烷也會(huì)釋放出來，無法控制，將會(huì)對(duì)整個(gè)人類造成滅頂之災(zāi)，這也是全球范圍內(nèi)控制CO2排放的原因。圖2是科學(xué)家對(duì)100年內(nèi)由于溫室效應(yīng)造成的海平面升高的預(yù)測(cè)。

3.船用柴油機(jī)廢氣排放限制的凈化措施

根據(jù)相關(guān)防污染公約要求和柴油機(jī)廢氣排放的特點(diǎn)，控制船用柴油機(jī)排放物的重點(diǎn)是NOX，其次是SOX，對(duì)于顆粒排放和CO2排放的控制正在考慮之中。

3.1廢氣中NOX排放的凈化措施

廢氣中NOX排放的凈化措施屬于船用柴油機(jī)NOX排放控制措施中排氣后處理范圍，通常將它和降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的機(jī)內(nèi)燃燒控制結(jié)合起來，主要有廢氣再循環(huán)（EGR）、選擇性催化還原法（SCR）、三效催化法（3-way cat）和NOX吸附還原催化等，且可以滿足IMO有關(guān)NOX排放量限制TierIII要求。我們將主要分析比較廢氣再循環(huán)和催化轉(zhuǎn)化法（SCR）兩種更為主流的方法。3.1.1廢氣再循環(huán)（EGR）

廢氣再循環(huán)（EGR）是將船用柴油機(jī)排氣管中的一部分廢氣（通常是10%～20%）引進(jìn)柴油機(jī)的進(jìn)氣管，再進(jìn)入氣缸，進(jìn)到氣缸中的廢氣通過稀釋作用減緩了NOX生成速度、降低了燃燒溫度，NOX排放濃度也會(huì)有效的降低。從大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，廢氣再循環(huán)技術(shù)可使NOX排放降低30%～40%。

大量試驗(yàn)結(jié)果證明，NOX的排放隨著廢氣再循環(huán)量的增加而減少，但是，廢氣再循環(huán)量大時(shí)還會(huì)導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性變差、燃燒速度降低，HC及CO排放量增加，導(dǎo)致顆粒污染廢氣渦輪及冷卻器，氣缸的磨損也因此增加。中高速柴油機(jī)由于使用蒸餾油產(chǎn)生的顆粒較少，不會(huì)引起嚴(yán)重的問題，而低速柴油機(jī)由于使用重油，因此產(chǎn)生的顆粒較多，引起的問題會(huì)比較嚴(yán)重，甚至啟動(dòng)產(chǎn)生困難。

通過試驗(yàn)表明，在將廢氣再循環(huán)率控制在34%～36%時(shí)（掃氣空氣含氧量16.5%～16.8%），可將排氣的NOx排放降低至3.6～4.0g/（KW·h），如果將EGR技術(shù)與燃油乳化技術(shù)相結(jié)合，在75%負(fù)荷下，可使柴油機(jī)的NOX排放降至1.3g/（KW·h）。

3.1.2選擇性催化還原法（SCR）

選擇性催化還原法（SCR）是一種船用柴油機(jī)后處理廢氣來減少廢氣中NOX排放技術(shù)，其原理是將含N的一些添加劑（如氮?dú)?、尿素等）噴入柴油機(jī)的排氣管，添加劑在300～400℃的溫度下會(huì)與NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ，生成物為N2和H2O。

先把NH3按一定比例和水混合，然后噴入柴油機(jī)的廢氣中，在催化劑作用下，產(chǎn)生的NH3經(jīng)過反應(yīng)器時(shí)快速對(duì)NOX進(jìn)行反應(yīng)，使之被還原。

3.1.3兩種廢氣后處理凈化方式比較，見表3。

可以看出選擇性催化還原法在凈化效果上遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于廢氣再循環(huán)法，但在經(jīng)濟(jì)效應(yīng)上是不如廢氣再循環(huán)的，這也是催化還原技術(shù)在船舶應(yīng)用上少的重要的原因，考慮到催化還原技術(shù)卓越的凈化效果，國際上相關(guān)公司如MAN B&W、W？r t s i l？正積極參與該技術(shù)的研發(fā)、改進(jìn)中。當(dāng)然，我們也可以組合幾種方案來凈化NOX，這種組合方式往往好于單一措施。對(duì)柴油機(jī)6L40/54采用組合乳化燃油和廢氣再循環(huán)法進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明柴油機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可降低NOX60%。

3.2船用柴油機(jī)廢氣中SOX的凈化措施

對(duì)于SOX排放的控制方法主要通過兩個(gè)方面，一是控制燃油中的硫含量，使用低硫燃油，這主要是要滿足IMO以及各個(gè)國家和地區(qū)的有關(guān)法規(guī)；另一個(gè)方法就是水洗法，通過在排氣管道上安裝的水洗器除去廢氣中的SOX排放。

（1）控制燃油中的硫含量。在燃燒過程中，燃油中硫幾乎是全部氧化變成廢氣中的SOX，但是，在燃燒過程中，對(duì)硫處理無法控制。所以降低SOX排放的根本措施，就是燃用低硫值的燃油。然而如果按照MARPOL公約的要求，把燃油中硫的含量從3.5%降到1.0%，則燃油價(jià)格也要增加比較多，并且燃油脫硫的精煉也不經(jīng)濟(jì)和環(huán)保（脫1噸硫需要排放大量CO2），導(dǎo)致二次污染，對(duì)于船舶進(jìn)港或者SECA所用燃油硫含量，不同港口或者SECA要求也不一樣，就要經(jīng)常轉(zhuǎn)換使用硫含量不同的燃油，因燃油的不相容性導(dǎo)致燃油品質(zhì)下降，給船舶管理人員帶來很大的壓力。

（2）水洗技術(shù)。水洗技術(shù)是用水洗除廢氣中的SO2排放，主要利用噴淋等方法除去排氣中的SOX和顆粒排放，據(jù)目前的試驗(yàn)情況，可以除去廢氣中的98%的SO2和78%的顆粒物質(zhì)，還可以節(jié)省大筆的燃料費(fèi)用。

當(dāng)前使用的方法主要有海水直接水洗法和淡水水洗法。海水直接水洗法一般采用開式循環(huán)，即將海水直接供入水洗器中，水和硫反應(yīng)生成硫酸，再與海水中的堿性成分中和。清水在倒回大海之前必須先過濾，除去顆粒物質(zhì)和油類。洗滌器的缺點(diǎn)是占據(jù)甲板較大空間，以每千瓦時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率運(yùn)行，它需要耗費(fèi)40～50m3的海水。

淡水水洗法則是采用閉式回路，在淡水中加入適當(dāng)劑量的NaOH以中和所吸收的SO2。這樣洗滌器就只需要較小的空間，且每千瓦時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率只需要消耗0.1m3，實(shí)際上等于幾乎沒有廢水被排到海里。一般推薦在海上航行時(shí)采用海水直接水洗，而在沿岸和港口使用淡水水洗。盡管某些公司認(rèn)為只要海水流量足夠，使進(jìn)入水洗器的水得到充分稀釋，直接排放入海沒有任何問題，但對(duì)于海洋環(huán)境的長期影響有待于進(jìn)一步評(píng)估。

3.3柴油機(jī)廢氣中PM的凈化措施

燃用餾分油是減少顆粒排放最簡(jiǎn)單的方法，然而這會(huì)極大增加營運(yùn)成本。在實(shí)際應(yīng)用中，比較有效實(shí)用的方法是提高高壓油泵噴油壓力、改善油氣混合質(zhì)量。大量的研究表明，降低顆粒中碳的排放可以通過提高噴油壓力和減少噴孔直徑，然而同時(shí)也使NOX排放量增加，從而要求更加嚴(yán)格的燃油噴射系統(tǒng)。

3.4CO2排放的控制方法

控制CO2排放主要通過兩條途徑，①提高船舶動(dòng)力裝置的綜合效率，其中包括柴油機(jī)自身的效率、柴油機(jī)工況點(diǎn)的選擇、螺旋槳的推進(jìn)效率和柴油機(jī)廢熱的回收和利用；②采用一些新能源，風(fēng)能、天然氣、生物燃料等。國際海事組織（IMO）正在考慮確定船舶動(dòng)力裝置的CO2排放指標(biāo)，一個(gè)是“能效設(shè)計(jì)指標(biāo)”，另一個(gè)是“能效運(yùn)行指標(biāo)”。

4.結(jié)束語

隨著地球環(huán)境資源的日益減少，船舶排放污染已受到IMO和世界各國政府的高度重視。船舶節(jié)能減排是船舶行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)。船用柴油機(jī)是船舶的主要廢氣來源，因此也是船舶節(jié)能減排的重點(diǎn)探討、研究船舶廢氣排放也是非常重要的，刻不容緩的任務(wù)。

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