船用柴油机空气防污染排放技术的分析与研究

毛兰霞，梁东升

(1．江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡214151;2．江苏科技大学四洋柴油机制造有限公司，江苏 镇江212003)

0 引言

所有研究表明，船舶对大气的污染已经不容忽视，特别是在港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区，船舶排放的废气甚至成为该地区的主要污染源，全球2/3以上的船舶发动机排气都产生在距海岸400 km的范围内。我国内河航运线上的环境污染情况比沿海港口更加复杂和严重。内河船舶约22万余艘2 000多万DWT，大多船型旧、船舶吨位小，使用20世纪70～80年代的中小型船舶柴油发动机以及劣质的燃料油。根据目前国内船舶排放水平现状推算，我国内河船舶每年排放大气的NOx、SOx不少于100万t。针对船舶发动机排放对大气的污染日益严重，国际海事组织(IMO)制定了MARPOL73/78附则VI《防止船舶造成大气污染规则》。该规则于1997年9月26日获得缔约国大会通过，2005年5月19日生效，2006年8月23日起对我国生效。MARPOL73/78附则VI禁止船舶故意排放消耗臭氧物质，控制排放挥发性有机物质，并对船舶废气中的硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)提出了越来越严格的控制。这对于现有的排放控制技术将是极大的考验，所以，有必要对现有的排放控制技术进行分析和比较，以便找出更好的解决方案或研究方向。

1 国内外研究现状及发展动态

在IMO的附则VI中，船舶柴油机废气排放控制的主要对象是SOx、NOx和颗粒物PM。为了有效控制船用柴油机废气排放和改善船舶对大气的污染，通常采用淘汰劣质燃料油、降低燃油中的含硫量、改善柴油机燃烧特性和柴油机排气的后处理等措施来减少大气污染物的排放。

1．1 船舶SOx排放控制技术

船舶SOx是燃油燃烧产生的，燃油中的硫和硫化物如硫化氢和硫醇等，在燃烧后产生二氧化硫(SO2)和三氧化硫((SO3)，是造成酸雨的罪魁祸首。目前，船舶SOx的控制技术有:

(1)选用低硫燃料。硫含量下降，可改善燃烧性能，使SOx排放减少。但一方面，低硫燃油在炼制过程中需要耗费大量能量并造成新的污染，且成本相对较高;另一方面，使用低硫燃油会导致油泵和喷油嘴的磨损。

(2)从烟气中脱硫。海水冲洗是烟气脱硫的办法之一，它利用海水呈碱性与SO2可溶于海水的基本原理，让排气通过清洗装置、洗涤水溶解SOx，而产生的硫酸利用海水的碱性正好将其中和。此办法可以除去90%的SOx，但洗涤水的排放可能对环境有所影响，同时清洗装置增加了柴油机的排气背压。因此，需要对附属机构和柴油机本身的工况作必要的调整。

1．2 船舶NOx的排放控制技术

船舶柴油机中生成的氮氧化物主要来源是空气中的氮气，而影响其生成的因素主要是燃烧温度、燃烧时间及燃油与空气的预混合程度。废气中含有95%的NO和5%的NO2+N2O。要控制NOx的排放，可以从其生成机理和性质两方面进行，一般分为机内燃烧控制技术和机外排气净化技术。

1．2．1 燃油乳化

燃油乳化技术是把柴油或重油在进入气缸前与水按一定比例混合并在超声波和机械搅拌的作用下，形成油包水的乳化油滴。喷入高温燃烧室后，由于水比热较大，吸收大量的潜热汽化，进而在油滴内部产生“微爆”使之破碎成粒径更小的油滴，从而促进了混合气的形成和燃烧。同时，水的吸热作用在燃烧过程中可以降低最高燃烧温度。水与油的混合喷入，还可以降低燃油密度，使最高燃烧温度进一步降低。因此，柴油机的NOx排放量减少。使用乳化燃油对发动机工作性能的影响随机器型号不同而变化，但在一般情况下，增加1个百分点的水将减少1个百分点的NOx。MAN B＆W公司在其二冲程发动机上使用含水10%的乳化燃油，实现了NOx减少10%的效果。标准设计的发动机可以满负荷时加入20%的水，水的增加量根据排气中测得的NOx来决定，因此，需要对NOx进行连续监测。国内外的实践证明，使用乳化燃油不仅能够降低NOx的排放，还可改善柴油机的排烟，尤其在低负荷时更加明显。但是，它也有会引起发动机零部件的腐蚀以及油水分离现象的缺点。

1．2．2 发动机优化

发动机优化指控制缸内参数来降低发动机排放和提高燃油经济性。诸如改善燃烧室结构和燃烧滞留期、增大压缩比、优化喷嘴结构、控制燃油喷射过程、采用共轨系统等。其中，延迟喷油正时是在燃烧过程中降低NOx生成的最简单有效的方法之一。它主要通过滞燃期起作用，使燃料燃烧所形成的温度峰值降低，但燃油消耗率会略有上升，并会降低发动机功率。当燃气温度和增压空气冷却水的温度较低时，NOx的降低量可达20%，甚至更低。船舶动力装置由于经常在热带环境状态下运行，冷却水温较高，利用延迟喷油正时的办法也能将NOx排放量减少10%～15%。高压共轨喷射系统是通过对喷油要素的优化使船舶柴油机燃烧更充分，从而减少柴油机的有害排放，特别是在低负荷或低转速时，效果更加明显。共轨柴油喷射系统可以将燃油喷射压力提高到180 MPa。实践表明，采用共轨技术的船用柴油机可以减少20%的NOx排放。另外，增压中冷技术可使船舶柴油机的热负荷不增加甚至降低以及在机械负荷增加不多的前提下，大幅度地提高船舶柴油机的功率，降低有害物的排放。其中废气涡轮增压方式结构简单、工作可靠，所以，在船舶柴油机上得到普遍采用。

1．2．3 废气再循环

废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是将柴油机排气管中的一部分废气经冷却和清洁后再次引入气管，与新鲜空气混合后进入气缸参加缸内燃烧。废气再循环之所以能使排气中NOx浓度下降，是因为一方面，柴油机排出的废气循环进入到气缸显著降低了燃烧前气缸中的氧含量;另一方面，柴油机排出的废气中含有较多的水蒸气和CO2，它们的比热容比空气的大得多，从而也降低了燃烧过程所能达到的温度。MAN B＆W在75%的发动机负荷下，采用20%再循环率取得了50%脱硝率。一般EGR可以在不影响柴油机输出功率的情况下有效地降低NOx的排放约50% ～60%，但该方法只适用于使用低硫分和低灰分燃油或其他洁净燃料的机型。EGR的使用还会影响到燃烧，增加燃油的消耗量，燃烧废气中的微粒物质、未燃的碳氢化合物和一氧化碳也会增加。废气冷却时还会产生高粘性的硫酸产物、水和烟灰的混合物，这也限制了EGR在柴油机中的应用。

1．2．4 湿空气动力系统

湿空气动力(Humid Air Motors，HAM)系统是利用水蒸气加湿进气管中的进气，形成湿空气进入气缸燃烧，因而，必须降低最高燃烧温度和NOx的生成数量。HAM系统可以取代增压空气冷却器来冷却进口空气和增加其水蒸汽含量，使湿度在大气中提高几倍，从而能有效减少NOx达70% ～80%，同时不会引起二次污染。瑞典的Munters Euroform公司在1台6 000 kW的12PC2．6V型船用中速柴油机中采用HAM技术，能使NOx的排放量降低74%。除此之外，HAM系统可以利用海水作为水蒸气的来源，用废气锅炉加热或柴油机冷却水加热。

1．2．5 DWI技术

DWI(Direct Water Injection)技术是采用同时喷水和喷油的复合型喷油器，在燃油喷射阶段，按水-燃油重量比0．4～0．7将高压水喷入气缸内，完成水与燃烧的混合气混合，进而降低燃烧温度，降低NOx排放可达50%～60%。这种复合型喷油器的喷水系统与喷油系统完全独立，因此终止喷水系统不会影响柴油机工作。DWI技术除降低NOx的排放外，还降低柴油机的热负荷，并提高柴油机运行的清洁性，淡水消耗量较少。但DWI技术会导致燃油消耗率略有提高，在使用含硫量较高的燃油时更需考虑燃烧室材料和采用特殊的喷嘴。该系统在发动机上并不需要额外的空间也不用增加额外成本，一般可用在中速类型的船用发动机上，运行和维护费用大约为燃料费用的4%～5%。另外，日本三菱重工还开发了添加水降低柴油机NOx排放的新技术，油水分层喷射。在喷油阶段，使油和水分层喷入气缸，降低火焰温度。经过连续试运行，工况稳定，对低速柴油机NOx可降低50%，高速柴油机降低70%。

1．2．6 选择性催化还原法(SCR)

选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是指温度在290～350℃下，利用还原剂(如氨气、尿素溶液等)“有选择性地”与NOx在催化剂涂层上进行催化还原反应(而不与氧发生反应)生成无毒无污染的N2和H2O。主要发生以下反应:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，6NO2+8NH3→7N2+12H2O。芬兰某公司的V6R32E型中速柴油机，采用SCR系统后NOx降低85%，CO和HC均降低70%;MAN B＆W公司的6S35MC型柴油机应用SCR系统后，脱硝率在90%以上;此外，还有德国西门子公司的SINOX技术、美国RJM公司的SCR系统、加拿大DCL公司的SCR系统等。由此可见，SCR技术具有很高的NOx净化效率，能够达到Tier II和Tier III的排放要求。此外，使用该技术还可以在反应器中氧化去除部分烟气和碳氢化合物，不会造成油耗率和排气黑烟的增加。当然，SCR装置也存在尺寸大、初投资高的问题。基础型SCR体积与发动机相当，其投资费用是船舶的5% ～8%，是船舶柴油机的50%。尽管如此，因为SCR技术可以非常有效地降低船舶柴油机NOx排放，所以，还是成为降低NOx排放的首选技术方案。

1．3 颗粒物排放控制

柴油机排放的颗粒物组成较为复杂，但主要因素有:燃油不完全燃烧产生的微小碳烟、润滑油组分不充分燃烧、燃油和气缸润滑油中的灰分含量、燃油中未燃烧部分、燃烧产物以及润滑油中的硫酸盐和水分。船舶排放的颗粒物多数都小于10 μm，能够进入人体肺部的深处且对人体健康造成伤害。目前，对船用发动机排气的颗粒物净化，就机内控制来说，可以从提高喷油压力，改善油气混合质量入手。而机外净化技术，当属微粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，它可将排气中微粒捕捉不使其排出机外，再利用催化剂、氧化器、燃烧器等进行分解、燃烧。这种装置可将船舶柴油机排气中有害物微粒减少70%～90%。用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种，常用的有整体式陶瓷、金属丝网、纺织纤维圈、陶瓷纤维、泡沫陶瓷等。排气系统中安装DPF后将会使船舶柴油机的排气背压提高，功率下降。DPF上沉积的微粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在DPF上的微粒(称为DPF再生)。DPF再生有主动再生和被动再生2种技术，将二者结合起来应用，效果显著。另外，旋风分离器也可减少颗粒物的排放，它能将颗粒物中粒径大于0．5 μm的颗粒分离出去;还可采用静电沉淀分离器，可减少99%颗粒物的排放，但设备造价较高。当然还有其他新技术，如船舶废气反应器(IESI)对发动机颗粒物净化率可达到80%以上。

2 目前运用的关键技术及系统构成

2．1 目前运用的关键技术

使用机内控制技术降低NOx排放，总会或多或少带来燃油经济性的恶化或微粒排放增加，且机内控制技术无法实现零排放。为了满足日益严格排放法规，需要使用机外净化技术降低污染物排放。柴油机去除NOx的主要后处理技术包括:选择性催化还原法(SCR)、非选择性催化还原法(NSCR)、稀NO技术等。在所有的后处理技术中，选择性催化还原法(SCR)被公认为最成熟、最有效的措施，它在柴油机NOx排放中的应用正在逐步推广。

2．2 系统构成

以瓦锡兰SCR系统为例，对船舶SCR系统做一个简单介绍，如图1所示。

图1 瓦锡兰公司SCR系统布置示意图

船舶SCR系统主体部分包括:SCR催化器、尿素罐、尿素计量单元、尿素泵、喷嘴、高压气瓶(工作空气)、控制器、吹灰系统、混合器等。控制器根据相应的输入(如发动机转速、扭矩、催化器温度、催化器出口NOx浓度等)实现对还原剂计量单元的控制，调节还原剂的流量，并根据相关的传感器信号，对整个系统的运行状态进行监测。尿素泵根据控制指令，实现尿素溶液的喷射，尿素溶液在排气管路和催化器中分解成氨气，在催化作用下，选择性的将NOx还原成无害的氮气和水。吹灰系统用于对催化剂积灰的吹扫，防止催化剂堵塞，保证良好的活性。混合器用于改善尿素液滴和排气混合的均匀性。压缩空气的作用是为实现尿素溶液的良好喷射和雾化。

SCR法是一种运用化学催化反应原理，即利用NH3有选择性的催化还原NOx反应，将有害气体NOx转化为无害的氮气和水的后处理装置。决定SCR转化效率因素很多，主要可以分为还原剂、催化剂、反应温度、废气中其他组分如水蒸气、硫化物、氧气等、催化器物理结构等5类。

目前，最常用的还原剂有氨气、尿素、氰尿素、密胺等。由于氨气有毒、易挥发泄漏、不易携带等原因，使用它催化还原移动源NOx存在一定的困难。因此，目前常用的是采用尿素溶液代替氨气。由于尿素在温度稍高时就容易水解成为NH3，故在催化反应剂前，通过喷嘴喷入尿素雾化溶液，尿素在高温废气中分解生成NH3。对于催化剂而言，目前已用于工业生产的主要是钦钒基蜂巢状催化剂(V2O5-WO3-TiO2)。该类催化剂抗硫能力较好，但是低温催化效果并不理想。对于不同的催化剂，其催化温度窗口也是不同的，温度过高或过低都会造成催化剂活性失效，影响催化效率。此外，水蒸气、硫化物也会抑制催化效率。其中，在温度较低时，硫化物还容易堵塞催化剂，造成排气的背压增高。催化器的物理结构对催化效率影响也很大，一个合理的结构，不但要使催化器内废气流动均匀、排气背压小，而且催化器内NH3分布也要求均匀。

SCR的最大优点是可以减少80%～95%的NOx，从而满足有关排放法规的NOx限制要求，这也是目前发动机制造厂、造船业十分看好SCR的主要原因。此外，使用这种装置，不会造成耗油率和排气黑烟的增加，不存在最终排放物的清除问题，且还具有消声降噪的效果。然而SCR也存在不少问题，最大的问题是尺寸大、投资大。基础型SCR的体积与发动机相当，其投资费是船价的5% ～8%，是柴油机的50% 。尺寸大，对于本来空间十分有限的船舶，自然有不堪拥挤之患;高额的投资，难免令船东或使用者重负难担;SCR的使用费(主要是还原剂消耗)也较高。除以上问题外，因氨的逸漏和新的反应生成物的产生，而使SCR有潜在的污染和毒性危险，碱性物质、蒸汽、重金属等会破坏及降低催化剂的效能，从而限制了SCR的使用寿命。如果主机使用高硫份燃油，SCR有被在催化还原过程中生成的硫酸氨堵塞的危险。无疑，这些问题或缺点的存在，是影响SCR技术真正步入普遍推广应用阶段的严重障碍。为解决这些问题，西门子公司、苏尔寿公司和日本的有关研究机构，做了大量的研究发展工作，并取得了显著成果，不同程度地克服了上述缺点，大大提高了SCR的实用性。

3 结语

在柴油机排放中，SOx和NOx是主要的限制对象。随着排放控制标准的逐步提高，任何单一控制技术都难以达到要求。本文通过分析现有的主流控制排放技术，结合船舶应用实例，试图找出一个结合改善燃油，提高机内控制技术，综合对SOx和NOx机外排气净化的新的研究方向并作出一些有益的探索。

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