船用柴油机排放控制技术

陈峰

摘要：本文结合工作实际，主要介绍目前在市场上应用的船用柴油机高污染排放控制技术。柴油发动机一直以高热效率以及高扭矩的优异性，被广泛应用在船舶推进领域。多年来，船用发动机的发展也一直侧重于强化其经济性、可靠性、机动性等优异性能的表现上，但由于转速较低、燃烧爆压高以及使用劣质燃料等原因也存在着高污染排放（Emissions）、噪声较大等问题。随着全球污染加剧，人们对生活品质和环境要求的不断提高，其中船舶柴油机废气排放已日益引起人们的重视。许多国家和国际组织积极采取各种有效措施， 把限制船舶排放物对大气的污染提到了议事日程。由于使用的燃料以及其自身特性原因，船用发动机在燃烧时产生的氮氧化物（NOX）和硫化物（SOX），是主要高污染排放的根源。

不论是发动机性能提升或污染排放成因的探讨，最终还是都得回到对发动机缸内燃烧工况的探讨。污染排放的形成受到许多复杂因素的影响，许多研究都集中在优化喷油嘴设计、调整喷油正时、改变燃烧室形状等方法，根据这些基本思路目前市面上出现的新型升级版发动机基本上能满足IMO排放标准II的要求。然而要达到排放标准III的要求，目前出现的技术主要集中在对排气的净化处理或者是使用新型燃料。

关键词：环境污染 船用发动机 SOX NOX 双燃料 SCR

1 概述

1.1船舶排放污染

当今世界，尤其是中国，环境保护已经刻不容缓。近年来， 我国经济持续快速发展，对石油资源的需求不断增长。据统计，2013年我国石油消费量约为4.9亿吨，由此造成的大气污染也越来越显著。主要表现在这几年在中国部分城市冬季出现的严重雾霾现象越来越突出，出现频率也越来越高。近年来已经开始注意的到船用柴油废气排出所造成的污染问题，这些污染物质夹带致癌成份进入人体，而导致呼吸系统的疾病。而传统柴油发动机在压缩行程末了时将柴油喷入，燃烧室中之燃油及空气混合不均匀，因局部缺乏足够氧气燃烧，易形成一氧化碳（CO）以及黑烟，且燃烧不完全的燃料也转化为HC排放至大气中。喷雾中央为油气过浓（Fuel Rich） 区域，使燃烧室的某些区域产生非常高的燃烧温形成氮氧化物（NOX）。同时，船用柴油机大量使用劣质重质柴油，其含有大量硫磺成份，经燃烧后生成硫化物（SOX）排入大气。由于劣质燃料的使用，也产生大量黑烟粒子（Particulate）。它们都具有强烈的腐蚀性，同时对人类生理也有刺激影响，可造成较大危害。由于船用大型柴油技术升级，提高了过量空气系数比，燃烧相对比较完善，因此在其污染排放废气中的一氧化碳和未燃径的数量相对较少。其主要有害排放为成分氮氧化物（NOx）、硫化物（SOx）。因此，对船用柴油排放的限制，主要是对氮氧化物、硫化物以及烟尘颗粒的限制。

1.2 IMO MARPOL 排放限制公约

船舶污染排放控制为IMO（国际海事组织）制定实施。

1990年9月，IMO在《防止船舶的空气污染及燃油品质》文件中提出了船舶污染排放控制指标。

1995年9月，IMO第37次海洋环境保护委员会会议提出新增“MARPOL 73/78公约”附则VI。附则分为两章，共计19条和4个附录。IMO防止船舶大气污染的目的是将船舶NOX的排放量削减至现有水平的70%和50%，以及使用优质燃油。

1997年 ，IMO第39次海洋环境保护委员会会议通过“MARPOL73/78公约”附则VI，即“防止船舶造成大气污染规则”。其适用于所有除游艇和渔船外，总吨位大于500吨的货轮。同时，会议还通过了“船用柴油机发动机氮氧化物释放控制技术规则”。

2000年开始，IMO实施了严格的NOx排放标准。

2008年10月，IMO最新修正的MARPOL公约附则VI，对NOx排放以及使用燃油的含硫量提出了三个阶段等级的限制要求，及Tier I 至Tier III。

IMO 规定， SOx和PM降到等效排放的减排技术均可接受。为满足IMO对船用柴油机有害排放等级的要求， 国内外各大船用柴油机研发制造企业均相应在原有机型上做出了改进，或开发出新的满足排放标准的机型。

2 有效较少NOx的解决方案（IMO 排放等级II）

现代直喷式柴油发动机在压缩行程末段时，喷入燃油燃烧，造成局部浓油在预混燃烧阶段温度最高造成 NOx 较高。研究NOx的生成原理，得知NOx生成的基本主要因素为瞬时燃烧温度和氧气浓度。温度越高，氧气浓度越大，则NOx生成量越大。控制NOx的生成，也就是最就是要控制燃烧反应瞬时的温度，以及控制氧气过量系数。为达到此目的的方式都通称为缸内处理技术。它们包括采用电子控制喷射技术，改进优化燃烧室结构，改进增压技术以及采用可变喷气/排气定时等，来优化燃烧过程。通过这些措施使得缸内之油气均匀分布，造成中间局部浓油较少，燃烧温度也就降低，NOx也相对降低。通过缸内处理来改善柴油机性能和排放的方式还有很多。但无论采用何种方式，均可认为其基本原理都为通过调整燃烧系统参数，改善燃烧环境来改善燃烧效果，从而提高排放性能。各大柴油机厂家都在此方面进行了深入研究，此方法已证明适用于船用柴油机。

从目前技术开发以及应用来看，缸内处理技术能有效的减低了燃烧过程中产生的NOx排放，使柴油机排放满足IMO规定的排放等级标准II。

2.1 共轨喷射技术

在提高船用柴油机燃烧技术上，采用共轨技术，及电子控制喷射技术是发展方向之一。传统柴油机采用凸轮轴驱动燃油高压油泵，控制喷油定时。凸轮轴的外形决定了柴油的喷油定时，喷油压力的建立等。由于柴油机凸轮轴外形在柴油机设计时依据某一最固定工况进行设计，柴油机制造后凸轮轴及固定。因此相关的喷油压力，喷油提前角成为柴油机的固有参数，不能根据需要进行调节。而喷油压力，喷油提前角是柴油机喷射系统的主要控制参数。喷油压力直接影响燃油雾化和混合气体形成质量，与喷油提前角相配合最终影响到燃油燃烧的经济性和排放成分。共轨技术则完全改变了相关燃烧参数无法更改的状况，通过共轨控制喷油系统，在柴油机高负荷时延后喷油正时以减低NOx排放量，在低负荷时提高喷射压力以提高热效率并减少黑烟，提高燃油经济性和改善排放性能。实验证明其中通过通过以上方法有效的降低NOx排放。基于共轨技术喷油系统的柴油机已经在船舶上开始大量应用。

以MAN公司2000年后推出市场的四冲程柴油机32/44CR机型为例。该机型缸径320mm，冲程440mm，单缸功率为560kW。跟传统机型相比，此机型采用了MAN公司研发先进的喷油共轨技术，及电子控制喷射技术。（见图1）

共轨喷油技术的使用，解决了传统喷油依靠凸轮轴进行喷油定时带来的无法根据负荷和转速实时调节喷油时间的缺陷。同时其先进的电子控制系统可以根据柴油机的实时工况对喷油压力和喷油过程进行优化，结合其他优化方式，使得柴油机无论在油耗率上，还是在排上均达到了领先的水平。

根据MAN公开的试验数据显示，和传统柴油机相比，在低负荷和部分负荷工况下，共轨电子喷射柴油机NOx排放最低仅为传统柴油机的75%（见图2）。

2.2燃烧室形状优化

柴油机燃烧室由汽缸盖和活塞组成。油气的充分均匀混合才能使得柴油机燃烧充分，从而在效率和性能上大幅提高。因此优化燃烧室形状就是要向着能使油气混合更为充分方向努力。通常的做法为在活塞上采用对称于喷油路径的浅凹形燃烧室，同时让燃油的燃烧在上止点后才开始，这样燃烧过程接近等压燃烧过程。这样在油气充分混合下，瞬时燃烧最高温度可以大幅降低，从而到达在，减低NOx和噪音，同时依然保持柴油机的经济性。MAN公司在其大型二冲程MC柴油机中采用一种称为Oros的新型燃烧室结构（图3），其活塞顶部呈浅W形，与改进气缸盖配合调整形成了新的燃烧室结构，代替原先的浅凹形，可使燃烧温度下降80℃～90℃，燃烧热流量减少20%以上，局部最大热负荷降低25%～35%，使得在维持原有油耗率水平上，减低了NOx排放。

中小型中高速发动机上也同样采用了优化燃烧室空间，增加了油气混合充分度，达到化燃烧优化和降低有害污染物排放的效果。

2.3 改进增压技术

更低的燃油消耗率和有害废气排放是新一代大型两冲程和四冲程发动机研发的两大并列目标。新型发动机（图4）运用了米勒循环原理，及四冲程发动机上对进气门，两冲程发动机上的排气门，引入了一种特殊的定时系统。但是米勒循环过程在这两种发动机的实现过程有所不同。

从原理上来说，在压缩行程期间，气缸中的压缩比变小，燃烧阶段的起始温度随之下降，这将直接减少生成的NOx。为了获得相似的热力循环环境，如缸内压缩终了压力和缸内空气量（空气过量系数），因此其中部分气体压缩过程必须转移到增压阶段，使最终压缩压力获得与之前相类似的条件。这样更高的增压比就成为必须。因此也就需要更高效的增压器。

在四冲程发动机中，如果进气门与排气门之间的扫气梯度是足大的正梯度，则换气过程对改善发动机的工作是有帮助的。这就是大的扫气梯度可以通过更高的增压器增压系统来实现，增压系统效率通过具有中间冷却功能的双级增压系统来提高，相对于单级增压系统来说，实现最大增压的潜力不受影响。曼柴油机与透平公司在新推出的TCX系类中，专门针对四冲程柴油发动机双阶增压开发了一款涡轮增压器，总增压比大于10。

3 有效较少NOX的解决方案（IMO 排放等级III）

前面讨论了，通过优化柴油机内部、改善燃烧环境只能使目前市面的柴油机排放等级达到IMO规定的排放等级II的要求，离排放等级III的要求还相距甚远。 因此要使柴油机有害排放控制上有大幅突破到达IMO排放III的标准，还需要采用其他的技术。目前市面上主要有直接对尾气进行净化处理的SCR解决方案，也有废气再循环的解决方案。 同时采用新型燃料也可以有效降低柴油机排放。这里重点介绍采对尾气进行处理的SCR系统。

3.1 双燃料发动机

双燃料发动机通常指既可以使用柴油，又可以使用液化天然气或者其他可代替燃料作为主要燃料的发动机。在当今石化燃料过量使用，导致温室气体效应不断增大情况下，使用液化天然气作为燃料可以大幅降低二氧化碳的排放，同时在NOx和SOx等有害排放上均可以达到了IMO排放等级Teri III的要求。同时基于通常市场上液化天气和液体石化燃料在市场价格上的区别，使得使用LNG做为燃料的运营船舶能有更好的经济性。因此双燃料发动机的研发推出，对船东节能增效和对社会环境保护都做出了贡献。

MAN公司研发的35/44 DF机型

此机型为四冲程中速柴油机，可使用液体石化燃料，同时也可以使用液化LNG。它的燃烧模式有两种：燃油模式，燃气模式。在燃气模式下，排放等级能满足IMO 排放等级III的要求。（见图5）

同时，在燃气模式下二氧化碳排放降低了约20%， 如图6。

此外，双燃料发动机在燃气模式下SOx的排放几乎为零。在不需要安装任何其他设施或者处理的情况下即可满足IMO 排放等级III中关于SOx排放的要求。

和传统燃料的发动机相比，由于燃料的获取，贮存和使用的存在差异，因此采用双燃料发动机动力的船舶的系统相对要复杂得多。同时对于船舶设计，建造和营运也提出了更高的要求。相信随着液化天然气存储运输技术的不断提高，以及液化天然气加气站的逐步建立，双燃料发动机船舶的应用将越来越多。

3.2 选择性催化还原法（SCR）

3.2.1 SCR 工作原理

SCR 是选择性催化还原的缩写，是一种尾气处理方法。它可以将船用柴油机产生的的NOx减少到符合Tier III排放要求的水平。

在燃烧过程之后的废气管路中安装SCR反应器，NOx通过催化反应被消耗掉。在SCR反应器中，NOx在催化作用下被还原剂氨气还原为氨气和水。反应器中的催化剂由含有大量通道的催化段组成，具有很大的表面积。如图7所示：

NOx 按照以下总反应流程进行还原：

4NO+4NH3+O2= 4N2+6H2O

2NO+2NO2+4NH3=4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

出于安全考虑，氨气通常以尿素水溶液的形式添加。氨气喷入蒸发器时会分解成氨气和二氧化碳：

（NH2）2CO（ab）= （NH2） CO（S） + X H2O （g）

（NH2）CO（S） = NH3 （g） +HNCO （g）

HNCO （g） + H2O （g）=NH3 （g）+ CO2（g）

3.2.2 SCR 系统和布置

SCR 反应器布置在废气管路上，反应器中内置催化还原载体。其主要过程为还原剂通过还原剂供给系统，经控制系统定量注入SCR反应器前端的混合室中，还原剂与废气充分混合后一起进入SCR反应器中。在催化剂载体的表面，废气中NOx与还原剂发生化学反应，从而达到降低NOx的目的。

（1）还原剂供给系统

SCR过程使用的还原剂是无水氨气（NH3）、氨水（25%NH3）或者尿素溶液（溶液32.5%或者40%）。无水氨气属于有毒的危险物质，而尿素没有显著危害，所以船舶使用尿素更方便。此外尿素供给系统没有无水氨气供给系统复杂，但是尿素的用量和存储量更大。尿素还需要使用更为复杂的蒸发和混合过程，这会影响SCR系统的布置。氨水（25%NH3）的处理方式与尿素类似，尽管具有腐蚀性并且对健康和环境有害，但可以采取一些预防措施。喷射过程与所选还原剂无关，采用压缩空气进行喷射。

还原剂的喷射和混合必须有效进行。任何未使用的氨气（剩余氨）很可能在温度降低时与废气反应生成硫酸铵（NH4HSO4），并有沉积在废气系统的风险，比如废气锅炉。

（2）尿素

尿素被供给单元中的尿素泵从存储舱中输送到蒸发器/混合器中。供应单元还配有一个清洗水舱和一个冲洗泵，用于冲洗尿素喷嘴。控制单元控制着尿素和压缩空气喷入蒸发器中。当SCR过程关闭时，尿素喷嘴将被清洗水冲洗，以防喷嘴堵塞。

（3）无水氨气

无水氨气NH3被归类为有毒物质，对健康和环境有害。在正常的环境下，NH3是一种气体，因此加压液化后保存在氨气舱中，氨气的储存舱和供应系统部分（包括蒸发器）必须布置在远离机舱和居住舱室的单独舱室内。喷射供应管线必须是双壁管，并且通风至室外。由于NH3直接用在还原过程中，所以不需要蒸发时间，蒸发/混合器可以替换为小型混合器。

（4）氨水

NH3水溶液（25%）属于腐蚀性物质，对环境有害。氨气存储舱和供应系统部分（包括蒸发器）必须布置在远离机舱和居住舱室的单独舱室内。其用量和存储量基本上与尿素相同。

（5）吹灰系统

为防止反应器不被污染，需要安装一个吹灰风机系统，以便通过压缩空气使SCR反应器保持清洁。吹灰风机在SCR过程中定期运行，反应器内部部件上的烟尘被风机吹松动之后随废气排出。

（6）SCR加热系统

SCR反应器和蒸发器因其部件的尺寸和重量很大，具有很大的热容。该系统应该在进入NOx排放控制区之前及时接通，已使SCR反应器和蒸发器获得合适的工作温度。但是，当船舶进港时，及发动机处在停机状态，此时温度会缓慢降低。这意味着必须使用温度保持所需水平或者加热该系统。为满足这一要求，该系统需要配备伴热装置或使用其他合适的加热方法。

图8为常规四冲程中速柴油机的SCR系统示意图，采用尿素作为还原剂。主要有以下几大件组成：SCR反应器、催化剂载体、吹灰系统、计量供给单元、混合装置、尿素注入装置、尿素存储罐以及尿素输送系统、控制系统。

3.2.3 SCR 的温度控制

SCR过程的一个重要参数就是进气温度。NOx和氨气必须在合适的温度下才能在催化剂的作用下进行反应。这个温度的下限取决燃油含硫量和废气中随后生成的硫酸。硫酸在低温下容易被氨气中和。这会形成粘性产物ABS（硫酸氢氨NH4HSO4），可能积聚在SCR部件中。但是使废气保持高温可以抑制这一反应。当燃油含硫量不高于0.1%时，310℃左右的高温足以抑制该反应。在较低的排气压力时，所需的最低温度也会降低。

另外一方面，温度也不宜过高。因为这会催化剂中形成更多的SO3，随后其会与水反应成硫酸，从而产生额外的白色烟雨。同时在接近500℃左右的高温时，NH3会随着温度的接近而发生氧化，这是一个多余的反应，将会消耗更多的NH3。此外，催化剂材料会在温度高于500℃～550℃时发生烧结。

因此，为了确保SCR操作可靠进行，关键是使废气温度保持在某一温度范围之内。中速四冲程柴油机排气温度相对较高，在该系统中SCR布置在涡轮增压器后侧，这样便于灵活安装布置。在SCR工作过程中，即使是四冲程柴油机，在发动机低负荷或是低温度环境中，废气温度仍然有可能会过低。为了将废气温度提高到所需水平，可以使涡轮高压侧产生的部分废气在一个废气旁通阀（EGB）的控制下通过旁路进入到低压侧，使得进入SCR的废气达到应有的温度。但这种旁路会使得燃油消耗率增加，增加程度因所需温度而异。

本节重点介绍了针对四冲程中速柴油机的SCR系统，指出SCR的控制要点在于控制排气的温度。 SCR系统能完全满足IMO Tier III排放等级要，但同时SCR的使用也增加了船舶的燃油消耗，日常消耗和维护保养也是必须考虑的成本范围。

4 SOx的控制方法

尽管使用低硫燃油可以满足SOX排放要求，但是排放规定允许采用替代方法将SOX排放量降低到等效水平。相应的技术必须遵从IMO中的附加准则，以证明与燃油含硫限值等效。

4.1 低硫燃料

（1）柴油

SOX ECA 限值可以使用低硫燃油来满足，列如使用含硫量低于0.1%的船用低硫油。SOX排放控制区外部的限值比如可以使用含硫量低于0.5%的船用柴油来满足，这一要求将在2020年实施。

（2）气体燃料

由于液化天然气不含硫，所以可以安装双燃料发动机来满足SOX的限值。此外，在燃油模式下运行时，如果没有减少SOX排放的替代方法，必须使用低硫燃油满足SOX限值。

（3）SOX 洗涤器

与重燃油相比，船用柴油和船用轻柴油等低硫油的成本较高。因此通过废气净化技术开发了减少SOX排放的成本替代方法。废气净化在洗涤器单元中进行，它使用干式或者湿式方法除去SOX和PM。船用主机通常配有湿式洗涤器，该洗涤器使用容易获取的海水或者加油化学品的再循环淡水。

5结束语

本文详细介绍了四冲程中速柴油机为满足IMO排放要求所采取的技术手段，分析得出结论：目前针对改进柴油机本身的燃烧控制过程的方法只能使排放标准满足IMO Tier II阶段的要求。要满足排放标准Tier III，目前主流的方法还是对尾气的后处理。因此，本文重点解析了尾气处理的SCR技术、控制过程以及成本控制等。在降低NOx排放技术中，公认SCR是最成熟、最有效的，使用后能将NOx排放量从15g/kWh 降低到2g/kWh. 从技术角度讲，SCR是有最为光明的前景。

同时，双燃料发动机由于能够使用更为清洁的能源，从而能大幅降低NOx和二氧化碳的排放，在未来新型能源布局逐步加速，以及国家战略的引导下也必将有着广阔的发展空间。

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