（环境科学与工程专业论文）基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t h 廿l ed e t 鲥。洲0 no f 9 1 0 b a la i rp o l l u t i o n ，n l ea i rq u a “哆i sg o i n g 纳mb a dt 0 w o 倦e t h i ss i t u a t i i sa p tt oc 肌s eav 撕啊o fn a n a ld i s 弱t 粥1 1 1 ea “e r s ee 行e c t s o fa i rp o l l u t i 伽h a v es t a n e dt 0t 1 1 i e a 咖h u m 觚l i f e 锄d 鲫r v i v a l e v e 巧c o 彻仃yh 舔 掣a d u a l l ys 咖g t l l e i l e dt h ea w a r e n e s so f p r o t e c tt l l ew o r l d sa n n o s p h e r e s e a 舰n s p o n a t i s h o u l d e 塔m o 他t l l 锄8 0p e r c 锄to ft r a l l 叩o nt 勰ki nt l l ew h o l ew o r l d ，i t s h u g ee x h 卸s te m i s s i o n sl e a di n c r e i n g l y9 1 0 b a la 廿n o s p h 硎cp 0 1 l u t i o n ， s 0s h i pe m i s s i o 傩c o n 协o li si m p e r a t i v e m e 锄w h i l e ，朗e 唱yr e s o u r c e si ss c a r c e 掣池y ，趾dt l l ef h e lc o s t s 船p i d l yi i l c r e 硒e r e d u c i n g 姐e 理；y n s u 啪p t i o n ， e s p e c i a l l yt h ec o n s u m p t i o fp e n 0 l e 眦lp r o d u c t sb e c o m e sa 酉o b a l t e c l l i l i c a lr e s e 鲫c h f 0 c u s n 盯e f o r e ，t l l e 他s e a r c ha b o u tt e c h n o l o g ) ，o fm 撕n e 朗e r j g yc 彻s e a t i 伽锄d e m i s s i 伽词u c t i 伽h a si m p o n 锄ts i 印i f i c 锄c et 0t 1 1 e9 1 0 b a l 蛐s t a i n a b l ed c v e l o p m 明t t o d a y a p p l i e d 麟e 眦ha b o u tt l l em a 印e t i z a t i o nt e c h n o l o g ) ri s 伊a d u a l l ym a t i l r e ， av 州e t yo f m a 卯e t i z a t i o n 觚t i f o u l i i l gp r o d u c t s 觚dm a 印e t i z a t i 锄c f g y - s a v i n g p r o d u c t sh a v e b e e nb r g l l tf o n h r e s e a r c h e 体a r ec o n s 锄t l yi m p r o v i n gt h e m a 印e t i z a t i c 蚰d i t i st 0a d 印tt 0d i f f 孤m ta p p l i c a t i o n s ，a i m i n ga tt h e 岫a d j u s 油l e d b o u tp 咖锄饥tm a 印c t i c6 e l d ，a 即f e s s o ro f t 0 h o j c uu n i v c r s i 以j a p a n f i r s t d i s c o v e r e dt 1 1 ec a t h o d ep o t 朗t i a lc o n 臼o l t e c h n o l o g yo fl o w - v o l t a g ea l t 咖a t i n g 咖r r t f i e l d ，鲫d 跚c c e s s 如l l ya p p l i e dt ot l l e 锄t i f o u l i n go ft l l ed r a i n a g ep i p e 锄d e 唱y s a v i n g 锄d 锄i s s i 叩r e d u c t i o na b 伽td i f l 衙e n tc a 璐 t h i sp a p e rt e s t st 量l ee a e c t so ft l l ec a 山o d ep o t e n t i a lc o n 臼o l l e ru s e df o rm 撕n e 西n e s ，t os e a r c ht h e0 p t i m a le x p “m e n t a lc o n d i t i o n so ft l l e 锄g i n eo ft l l es h i p n l c t e s ti sd i v i d e di n t oi n d o o rb e n c ht e s ta n dt h es h i pt e s t ： 1 t h et e s t - b e dm e a s u 他m e n ts i m u l a t e st 1 1 ee n g i n ew o 喇n g ，b yt l l ec h 锄g eo ft h em d c 彻s u m p t i o n ，t h ec h 如g eo fe n e r g y 粕d t 1 1 ec h 柚g eo fe x h a 嶙tg 鹊b e f 0 r e 锄da r e rt l l e u s eo fc o n 仃o i i e r t ot 叫t o 伊a s pn l ee n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr c d u c t i o ne f r e c to ft l l e c a t h o d ep o t e n t i a lc o n 臼o l l e r a n de x p l o r i n gt l l eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ； 2 i i lt h cs h i pt e s t ，t h ce x h a u s te m i s s i 叩st e s t i n gi sv e r yd i 仃i 咖l tt oc a n yo u t ，o n l y 英文摘要 t h ef l l e ln o w 锄dp o w e rw e r cr e c o r d e dt 0 锄a l y s et h ec n e r g ys a v i n ge 疵no f t h e c o n 缸d l l e rb yc o m p a r i n g t h et e s t b e dm e 丛u r e m e n tr e s u l t ss h o wm a t l ec o n n - o l l e rc 锄r e d u c et l l ec o n t 铋t o f p o l l u t i n gg 舔f md i e s e le i l 百n e s 锄i s s i o n s ，b u tt l l er e d u c eo f 如e lc o n 锄m p t i o n 卸d 如e lc o n s m n 硼o nm t ei sn o ts od b v i o u s b 私e d t l l er e 鲫l t s ，ap r e l i m i n a r y e s t i m a t ec 舳b ed o n et h a tt h eo p t i i n 啪缸q u e n c yo ft 1 1 ec a t l l o d ep o t 锄t i a lc 衄廿0 1 1 e ri s 6 k 8 k h z t h es h i pt e s tr e 跚l t ss h o w e dt h a t 也e 璐eo ft h ec o n 缸0 l l e rr e d u c e d 如e l c o n s 啪p t i 伽锄dm a d e t i l ea v e r a g e0 u 印u tp o w e rm o r es 讪l e ，i n d i c a t i n gt l l a tt h e c o n 仃d l l e rc 锄a l s oa c h i e v ee i l e 唱y s a v i n ge 疵c tw h e l li n s t a l l e do nt l l es h i pe n 舀n e k e yw o r d s ：p o u 6 0 nf o r ms h i p s ；e n e r g ys a “n g ；c a t h o d ep o t e n 6 a l ； m a 印e t i z a 6 0 nt e c h n o l o g y 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 1 1 引言 第1 章绪论 1 1 1 大气污染概述 随着人口的增长和工业化文明进程的不断推进，当下的地球已经失去了他固 有的面貌，已变得伤痕累累。世界各国无一不面临着环境恶化带来的严峻的挑战。 臭氧层破坏，酸雨腐蚀，全球气候变暖等等都无时无刻不在威胁人类社会的生存 与发展。作为发展中国家的中国，也和其他国家一样，同样经受着生态环境恶化 所带了的各种严峻的问题，这一恶化的现状无时无刻不给我们带来警示。2 0 0 9 年1 2 月在丹麦的哥本哈根气候大会上，世界各国达成了罕见的共识减排和 发展低碳经济，节能减排逐渐成为人们关注的焦点【l 】。 世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告中说：“空气污染已成为全 世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。 大气污染源可分为天然污染源和人 为污染源。天然污染源是指自然界向大气排放污染物的地点或地区。其中天然污 染源是人类所不能控制的，我们所能做的就是尽可能的减少人为的污染。人为的 大气污染主要包括以下三个方面：一是生活污染、工业污染和交通污染。空气中 极其微少的污染物，都能对人体产生极大的影响并导致疾病的产生，甚至夺去人 的生命。人需要呼吸空气以维持生命。一个成年人每天呼吸大约2 万多次，吸入 空气达1 5 2 0 立方米。因此，空气的污染直接影响人类的健康。在低浓度空气 污染物的长期作用下，可引起上呼吸道炎症、慢性支气管炎、支气管哮喘及肺气 肿等疾病，我国已成为世界上大气污染最严重的国家之一。据统计，全国工业二 二氧化硫、烟尘与粉尘年排放量分别约为1 3 9 6 万吨、1 4 7 5 万吨。在我国6 0 0 多 个城市中，只有不到l 的城市的大气环境质量符合国际一级标准。沿海有1 7 个城市、长江沿岸有1 8 个城市出现了酸雨污染。全球监测网曾对4 0 个大型城市 的颗粒物污染情况进行排序，我国的沈阳、西安、北京、上海、广州进入了前 1 0 名。这无疑是给中国环境敲响了警钟! 我们时刻都生活在大气当中，它的污 染程度将与我们的健康息息相关。 第1 章绪论 1 1 2 航运对于海洋及大气的污染现状 1 1 2 1 全球航运对于海洋大气污染综述 当前，世界各国经济都在快速发展，特别是包括我国在内的发展中国家，经 济增长速度达到了年均8 ，而经济的增长必定与贸易和运输密切相关。由于有 着其他运输方式不可比拟的优势，如安全、低价和大运量等，航运业也随着经济 的发展脚步不断壮大，据统计目前约有8 万艘船舶来往于世界贸易航道上，总排 水量超过4 亿吨，肩负着全世界9 7 的贸易运输量，同时消耗的能量约占世界总 能耗的3 ，但船舶造成的污染也占到全球污染量的7 ，当然，如果考虑船舶 溢油、海上事故及货物溢散等因素时，污染程度远超于此。船舶柴油机的功率大， 所以排放的有害物的量也是巨大的，海运船舶数量和吨位的逐年增加，随之带来 的海洋环境污染问题也日益加剧【2 j 】。 当今世界发展的主题是节能减排和发展低碳经济，保护环境、保持生态平衡 和可持续发展越来越受到人类的重视，作为重要的交通工具，船舶数量日益增多， 从船上排入海洋及大气中的各种有害物质的数量与日俱增，使海洋生态和环境遭 受破坏，危害人类健康，船舶对海洋大气的污染越来越严重，引起国际社会的高 度重视。与此同时，随着全球范围内环境保护意识的进一步加强，有世界各国政 府首脑于会的“世界环境与发展会议 召开，标志着人类对环境问题的认识进人 了一个新时期。 1 1 2 2 国内外航运污染及能耗统计数据 挪威曾于1 9 9 0 年和1 9 9 8 年分别向m e p c 和i m o 提交了船舶造成大气污染 的情况报告，两份报告的内容是全球船舶每年排放的污染性气体量，l9 9 0 年报 告书中统计全球船舶每年排放s o x 量为4 5 0 6 5 0 万吨，占全球s o x 总排放的 4 ；全世界船舶每年排放n o x 为5 0 0 万吨，占全球n o x 总排放的7 ；全世界 船舶每年排放c f c s 为3 0 0 0 “0 0 0 吨，约占全球c f c s 总排放的l 3 。1 9 9 8 年报告中估计船舶年排放量，n o x 达6 0 2 万吨，占世界排放总量的7 ；s o x 达 6 3 4 万吨，占世界排放总量的4 。这两次数据比较后我们可以看出，s o x 的排 放没有明显的波动或增加，但在短短的几年中，n o x 的排放量增加了1 0 0 万吨， 据统计，海上船舶排放的废气造成大气的污染占据整个大气污染源的1 0 ，虽然 船舶污染物只占世界污染物的一小部分，但是其绝对数量是相当大的i l 。 2 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 同时船舶对大气的污染也严重影响着旅游业及旅游地区的环境，在阿拉斯加 州国家公园和荒漠地区，人们通过气象研究和预测模型结合化学方法分析了 2 0 0 6 年旅游旺季时船舶尾气的污染情况。其中船舶排放影响最大是威廉王子湾， 这个地方的地形造成了污染物的聚集和难扩散，沿着海岸线和毗邻的沿海地区， 大气中n o x ，s 0 2 ，0 3 ，h n 0 3 和p m 2 5 分别增加至6 5 0 p p t v ，3 2 5 p p t v ，9 0 0 p p t v ， 1 0 p p t v 和1 0 0n g m 3 ，随着船舶排放的悬浮颗粒物日益增多，使威廉王子湾的可 见度降低到3 0 而沿航线的可见度只有5 2 5 【7 1 。 我国港口众多，航运业发达，交通运输是能源消耗和温室气体排放的重要行 业，也是能耗和排放增长最快的行业。据统计，2 0 0 4 年交通运输、仓储及邮电 业共消耗油品约8 4 0 0 万吨，水路运输( 包括船舶和港口) 占2 1 左右，其中船舶 运输大约消耗1 3 0 0 万吨燃油年。燃油燃烧排放的c 0 2 大约为4 0 0 万吨。2 0 0 5 年全国、海洋、内河营运船舶燃油单耗分别为5 4 4 、5 2 6 、7 8 l 干克千吨公里。 “十五”期间，交通部调查统计，航运累计能耗为9 9 5 3 4 l 万吨标煤，折合燃油 约为6 8 3 万吨，平均每年1 3 6 6 万吨【引。 英国劳氏船级社曾对4 0 艘各类船舶在稳定运行时的中速机和低速机的排放 进行调查，由分析结果( 见表1 1 ) 可看出船舶的巨大能耗所带来的不仅是运输 的便利，还有大气污染的加剧。据统计，在航运密集的海域，船舶排放的n o x 使其上方大气中的n o x 含量成百倍的增长，因为覆盖海洋的大气层对空气污染 尤为敏感，而且在各大洋和一些沿海地区，船舶排放已经成为该地区s 0 2 的主要 来源【9 。 除了针对全球船舶污染比率的研究外，很多对于世界不同地区船舶尾气污染 的研究也相继展开。据统计，航经日本东京湾的船舶所排放的s o x 和n 0 x 分别 占该地区污染总量的3 3 和1 4 ；东南亚地区的s o x 排放污染中，有1 1 7 来 自于航运业；在丹麦的哥本哈根港船舶排放的n o x 也是该地区全部n o x 污染的 主要来源，1 9 小时n o x 排放量最高值达到了6 1 5 “肿3 ；地中海地区、瑞典地区、 大西洋东北部等地区船舶对大气的污染已有相关研究【1 1 1 7 】。 也有学者对土耳其海峡的船舶污染情况进行了分析研究，主要分析了n o x 。 c o ，c 0 2 ，v o c 和p m 的污染情况，经过博斯普鲁斯海峡和达达尼尔海峡的运输 船只以及经过博斯普鲁斯海峡的国内客运船都计算在内，而且为了保证数据的准 第l 章绪论 确性，研究人员将主机系统、燃料类型、巡航次数和航速都考虑在内。调查结果 为：在博斯普鲁斯海峡船舶排放的n 0 x 有2 7 2 0 t 来自国内客运船，有4 3 5 7 吨来 自运输船只，明显看出，运输船舶对大气的污染更为严重【嘲。 表1 1 船舶发动机消耗每吨燃料所排放废气量 t a b 1 1e ) 【h a u s t g 硒劬m m 捌北g j n e p e r t o f f h e l 船舶发动机消耗每吨燃料所排放废气量 n o x ：约7 2 k 卧燃料 s o x ：约燃料含硫量的2 l 倍( 叭) c 0 2 ：约3 2 0 7 k g a 燃料 c o ：约8 5 k 趴燃料 h c ：约2 6 k 卧燃料 1 1 3 船舶造成海洋污染的特点及节能减排意义 1 1 3 1 船舶造成海洋污染的特点 海洋污染主要来自五个方面：陆源污染、人类活动引起的大气污染、船舶引 起的污染、海洋倾倒、海底活动的污染。由此可见，船舶是主要污染源之一。 船舶对海洋环境造成污染的物质主要有：石油及其制品、散装有毒液体物质、 包装有害物质、生活污水、船舶垃圾、有害排气等，主要通过操作性和事故性等 排放将污染物带人海洋或大气造成污染1 1 乳2 3 1 。 据统计，海洋环境污染中有3 5 是由于船舶污染引起，船舶作为航运中的 交通工具，也是一种流动污染源，船舶污染具有流动性和无界限性。水的流动和 船舶的移动，决定了由船舶带来的污染物不可能局限在某一点而静止不动，一次 污染可能会波及多个地区，给污染的治理造成诸多不便，所以说海洋污染持续性 强，扩散范围大，是具有国际性的危害【2 4 ，2 5 】。 船舶对海洋大气造成的污染也具有同样特性，流动性强、扩散性大、持续时 间长的特点，船用柴油机一般燃用重质的燃料油，成份复杂，有害物含量高，在 同样的情况下，其产生的有害物较多，而且，船舶对海洋的污染在短时间内可能 4 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 对沿海地区生活的人们影响较大，对内陆地区影响较小，但对大气的污染会随着 季风等自然力的影响深入内陆，对全球各地人们的生活带来影响【3 1 。 1 1 3 2 船舶节能减排的重要意义 1 8 9 2 年柴油机问世，直至今日，世界上9 9 以上的商船使用柴油机作为动 力源，同时，船舶柴油机排放对环境和人类健康的影响又非常严重，其主要排放 的污染物有n o x 、h c 、c o x 、s o x 、烟尘、噪声等。近日，美国研究人员发现， 全球范围内，商业运输船队排放到空气中的颗粒污染物乎达到汽车所排放颗粒污 染物的5 0 ，此外，船队的氧化氮排放量占全球总氧化氮排放量的7 。由此看 来，船舶引起海洋环境污染日益严重，船舶污染不仅影响着全球的气候，更严重 的是，它已经影响到了人类的生活，尤其是生活在沿海地区的人们的身体键康。 换言之，护海洋环境，重视船舶的节能减排，就是对我们生命和健康的保护。同 时，近年来由于油价上涨迅速，燃油费用不断提高，使航运的运营成本越来越高， 使得节能减排成为近年来世界各船公司的一个主要任务，特别是在经济危机之后， 船舶节约能源消耗、降低燃油费用、提高装置经济性已成为一个重要课题f 2 4 ，2 蚴】。 随着经济发展，海洋污染日趋严重，全球各国环保意识也不断增强，关于控 制船舶污染的国内外法律法规也逐渐增多、完善，但无论是采用严格的法律还是 科学的措施，航运业仍存在很多违反规范，违章排放的现象，尤其是国内航线上 一些老旧的、民营船舶业主，他们更看重的是成本和效益，对船舶污染往往不够 重视，对于一个发展中国家，我国的航运业节能减排将是一项长期而艰巨的任务， 不但要有完善的法律体系做保证，同时还要有高水平的科技手段作支撑。建设资 源节约型和环境友好型社会，是航运企业应承担的责任和义务，也是航运企业提 高竞争力的必然要求【8 例。 1 2m a r p o l 7 3 7 8 附则防止船舶污染空气规则 1 2 1m a r p o l 公约的形成 1 2 1 1m a r p o l 公约的形成背景 从上世纪六十年代起，一些发达国家就己经制定了限制汽车尾气排放的相关 法规，带动了有关减少和控制发动机排气有害气体处理技术的研究。随着航运业 和海洋开发的发展，海洋环境的污染越来越严重，从船舶上排入海洋及大气中的 第1 章绪论 各种有害物质的数量也与日俱增，船舶柴油机废气排放对生态坏境造成的危害逐 步受到了国际海事组织、国际海事环保委员会、世界卫生组织及其他机构和各国 政府的高度重视。 1 2 1 2 m a 砒，o l 公约的形成过程 表1 2m u 冲o l 公约的形成过程 t a b 1 2t h e 如m i i n gp r o c e 鼹o f m j u 冲o l7 3 ，7 8 时间事件 。i m o 制定防污公约，当时对控制船舶空气污染的议题进行了讨论但有关空气污染的 1 9 7 3 年 。 规则当时未纳入公约 2 0 世纪8 0 年 国际海事组织m e p c 审议附则中排放要求相关的燃油质量问题和讨论空气污染议 代中期 题。随后，签署了减少硫排放物的防污公约议定书( 1 9 8 5 ) 、控制氮氧化物排放议定 1 9 8 8 年挪威递交了关于空气污染问题的文书，p c 同意将该议题纳入工作日程 1 9 9 1 年 m e p c 讨论批准了防止船舶空气污染a 7 1 9 ( 1 7 ) 决议 2 0 0 5 年5 月 m u 冲o l7 3 广7 81 9 9 7 年议定书生效，该议定书包含了一个新的附则附则 1 9 日 。 一m e p c 就审议附则和n o x 技术规则达成一致，考虑到当时的技术可行性和进一 2 0 0 5 年7 月 步降低排放的需要，决定修订该规则 2 0 0 6 年1 0 月 2 0 0 8 年4 月 m e p c 就八个与m 舭冲0 l 附则、n o x 技术规则及相关指导执行和实施的说明达 成了一致，统一实施和港口国监督硫捧放控制区域( s e c a ) 符合证明的标准形式 m e p c 第5 7 届会议上，通过了减少船上有害气体m a r p o l 附则和n o x 技术规 则的修正案 2 0 0 8 年l o 月m e p c 第5 8 届会议，n o x 技术规则的修正案获得批准，并于2 0 1 0 年7 月1 日生效 i 2 2 m a l 冲o l 7 3 7 8 附则防止船舶污染空气规则的内容及要求 现行的经1 9 7 8 年议定书修订的1 9 7 3 年国际防止船舶造成污染公约 ( 简 称m a r p o l7 3 7 8 ) ，包括两个议定书，六个附则，对我国全部生效都具有约束 力，其中m a r p o l 7 3 7 8 附则防止船舶污染空气规则内容概述如下： 6 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 1 2 2 1 消耗臭氧物质 附则v i 中阐明，消耗臭氧层物质系指在应用或解释本附则时有效的1 9 8 7 年消耗臭氧层物质蒙特利尔议定书第l 条第4 款定义的并在一该议定书附件a ， b ，c 或e 中所列的受控制物质。 在船上可能有的“消耗臭氧物质”包括但不限于下列各项： h a l 1 2 1 l溴氯二氟甲烷 h a l o n l 3 0 l溴三氟甲烷 h a l o l l 2 4 0 2 l ，2 - 二溴化物- l ，l ，2 ，2 一四氟乙烷( 亦称作h a l o n l l 4 8 2 ) c f c 1 l 三氯氟甲烷 c f c 1 2二氯二氟甲烷 c f c 1 1 3 1 ，l ，2 三氯1 ，l ，2 三氟乙烷 c f c 1 1 4 1 2 二氯1 ，l ，2 2 - 四氟乙烷 c f c 1 1 5 氯五氟乙烷 附则v i 第1 2 条要求任何情况下，禁止消耗臭氧物质的故意排放，但消耗臭 氧物质的回收或再循环相关的过程可有微量释放，如果因泄漏引起的排放，无论 是否属于故意，可由1 9 9 7 年议定书各缔约国进行管理。2 0 2 0 年1 月1 日前允许 含有氢化氯氟烃( h c f c s ) 的新装置，但所有船上应禁止使用含有消耗臭氧物质的 新装置。 1 2 2 2 氮氧化物( n o x ) 附则第1 3 条阐明本条要求适用于： 每一台安装在2 0 0 0 年1 月1 日或以后建造的船舶上，输出功率超过1 3 0 l 州 的柴油机；以及每一台在2 0 0 0 年1 月1 日或以后经过重大改装的、输出功率超 过1 3 0 k w 的柴油机。但主管机关可允许安装在本议定书生效之日前建造的船舶 或经过重大改装的船舶上的任何柴油机免除适用本条要求，只要该船舶仅航行在 其船旗国的港口或近海装卸站。 根据本附则第3 条的规定。应禁止每台适用于本条的柴油机的使用，除非该 柴油机n o x 排放量( 按n 0 2 的排放总重量计算) 在下列限值内： ( i ) 1 7 0 9 l ( w h ，当n 小于1 3 0 r m i n ： ( i i ) 4 5 0 n ( - o 2 ) g l c w h ，当n 等于或大于1 3 0 r m i n ，但小于2 0 0 眦，m i n ； 第1 章绪论 ( i i i ) 9 8 9 l ( w h ，当n 等于或大于2 0 0 0 r m i n 。 其中n 为发动机额定转速( 每分钟曲轴转速) 。 1 2 2 3 硫氧化物( s o ，) 附则第1 4 条要求船上使用的任何燃油的硫含量不应超过4 5 m m ，同 时应对世界范围内供船上使用的残余燃油的平均硫含量应作监测。 当船舶位于s o x 排放控制区如前述的波罗的海区域或其他海域港口) 之内 时至少应满足船上使用的燃油的硫含量不超过1 5 n 咖：或经废气滤清系统或 采用可行的其他技术将硫氧化物排放总量减少至6 0 9 k w h 或更少( 按二氧化硫 排放的总重量计算) 。 1 2 2 4 挥发性有机化合物 附则第1 5 条规定： 在1 9 9 7 年议定书缔约国管辖的港口或装卸站对液货船产生的挥发性有机化 合物( v o c s ) 排放加以监控时应按照本条规定进行。 受到蒸气排放控制的所有液货船都应配备m s c c i r c 5 8 5 号通函 关于蒸汽 排放控制系统标准认可的蒸气收集系统，1 9 9 7 年议定书缔约国政府，应保证 在其指定的港口和装卸站配备m s c c i r c 5 8 5 号通函 关于蒸汽排放控制系统标 准认可的蒸气排放控制系统，可以接纳在生效日期之后的3 年内没有安装蒸气 收集系统的现有液货船。 对气体船而言，只有其装载和围护系统的类型使得非甲烷v o c s 安全保存在 船上或安全回输到岸上时才适合本条。 1 2 2 5 船上焚烧 附则第1 6 条规定在船舶正常操作过程中产生的污泥和油渣的船上焚烧也 可以在主、副发电机或锅炉内进行，但在这种情况下，不能在码头、港口和河口 内进行，除此之外，船上焚烧应只允许在船上符合要求的焚烧炉中进行。焚烧炉 应满足m e p c 7 6 ( 4 0 ) 号决议： 船上焚烧炉标准技术条件及m e p c 9 3 ( 4 5 ) 号决议： 船上焚烧炉标准技术条件的修正案的要求，仅航行于其船旗国的主权或管辖 下的水域内的船舶在1 9 9 7 年议定书生效前安装的焚烧炉可免除此要求。 第1 6 条( 4 ) 中列明了禁止在船上焚烧的物质，在此不做详细说吲2 9 1 。 8 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 1 2 3 关于m a l 心o l 7 3 7 8 附则的修正案 2 0 0 8 年1 0 月6 日至1 0 日m e p c 第5 8 次会议在英国伦敦洲o 总部召开，会 议通过了m a i 冲o l 7 3 7 8 公约附则关于减少船舶排放废气的修正案，要求从 2 0 1 2 年1 月1 日开始，各国将重质燃油的含硫量降低至3 5 ，并且于2 0 1 8 年之 前进行可行性评估，若通过评估，则到2 0 2 0 年1 月1 日要求全球船用重质燃油的含 硫量降低到0 5 。对于s o x 控制区的所有船舶，从2 0 l o 年7 月1 日开始所使用 的燃油含硫量不得超过1 0 ；从2 0 1 5 年1 月1 日开始不得超过o 1 。该修正 案将于2 0 1 0 年7 月1 日默认生效。 在n o x 排放控制方面，修正案根据船舶的建造年份制定了三层控制标准。标 准如下表1 3 ： 表1 3 船舶n 0 x 排放控制 t a b 1 3t h e 锄i s s i o nc 呐lo f n o 】【疗d mm 撕n e 朋g i n e 1 2 4m a r p o l 7 3 7 8 附则的重要意义 m a l 冲0 l 7 3 7 8 附则已于2 0 0 5 年5 月1 9 日生效。我国2 0 0 6 年3 月1 5 日 加入，2 0 0 6 年8 月2 3 日对我国生效。我国作为缔约国，为了确保我国水域安全 顺畅，应做好履约工作，对m 朋冲o l 7 3 7 8 公约附则v l 的相关要求、履约涉及 9 笫l 章绪论 的行业部门、履约面临的问题及应对措施进行深入研究，主动适应附则v l 检 验，也是我国航运界及相关产业面临的重要问趔4 j 。 附则的生效，无疑将又一次促进人类对保护环境的认识，有利于提升全 人类对有限资源的合理使用。同时，机遇与挑战并存，附则中的排放限制数值基 本上反映了目前船用柴油机生产制造的最高水平，无论从经济性还是环保性来 说，我们的水平都还不够，因此，我们应以此为契机，抓住机遇，迎接挑战，努 力提升自身水平，以期早日达到公约标准。 1 3 阴极电位控制理论初探 1 3 1 燃油磁化技术的基本原理 众所周知，石油主要成分是碳氢化合物，含量在9 7 以上，石油产品就是由 多种不同的碳氢化合物构成的，分子式为c x h y ，即烃。在燃油的流动过程中， 各烃分子由于氢键的作用会缔结在一起，犹如胶体一样，当有外加磁场时，烃分 子间的氢键会被破坏，使各烃分子连接成的网络被破坏，从而能更自由的移动， 同时，由于磁场对胶体的作用特点，胶体微粒表面会形成双电子层，产生相互排 斥的作用，进一步降低了燃油的粒度，使燃油微粒更加分散，更易与氧结合，使 燃烧更充分，达到节油、降污的目的。 虽然上述理论研究对磁化节能机理给出了一定的解释或定义，但目前还未查 阅到对燃油磁化机理进行系统论述的文章，作为交叉学科，随着研究仪器和研究 方法的不断进步，这一原理的研究也将有新的进展。当然，可以肯定的是，磁场 处理前后的燃油是存在明显差别的，这也是对磁化节能技术开展进_ 步研究的基 础和保证【3 。5 1 。 1 3 2 阴极电位控制理论 该技术通过还原型电磁波发生器，对设置于液体燃料近旁的线圈施加单一频 率或者随时间而变化频率的交流电，以便使得液体燃料的动电位变负。若采用使 液体燃料带正动电位的电磁波照射，那么，燃料的微粒子的表面形成弱正电位， 流动过程中被带负电位的汽缸内壁吸附，仅仅依靠燃料内部带正电位的燃料微 粒子之间的斥力则不足以提高燃烧效率，所以不完全燃烧使c o 和碳氢化合物浓 度上升。所以，该技术采用阴极电位控制器，使油微粒带负电荷，与空气中的氧 l o 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 气微粒更好的结合，从而使燃烧更充分。 同时，通过燃料燃烧原理可知，氧气分子( 0 2 ) 在燃烧过程中得到电子，被 还原，由零价态变为负价态，若在燃烧发生时使氧分子的表面电位变负，在燃烧 过程中变能更好的与c 、h 等离子结合，从而达到充分燃烧的效果，充分燃烧不 但使有害气体减少，也可以使燃料提供更多的能量，所以可以达到节能减排的目 的。 第2 章国内外节能减排技术及应对措施 第2 章国内外节能减排技术及应对措施 2 1 主要危害气体 2 1 1 主要污染性气体产生机理 简单了解各污染性气体不同的产生机理，才可以从根本上控制气体的产生； 2 1 1 1c 0 2 的产生原因 c 0 2 的产生最主要就是燃料的燃烧，不同燃料包含碳元素的碳系数不一样， 如燃油和天然气的碳系数不同，两者产生的c 0 2 量就不同。 2 1 1 2n o x 的产生原因 n o x 的形成并不是来自燃油，主要原因是船用低速高效柴油机的燃烧室局 部高温造成的，因为工作原理的原因，柴油机的油气混合不是完全均匀的，燃 烧室的局部温度过高就会导致大量n 0 x 生成，实际中，柴油机排放的n o x 大 部分是n o ，n 0 2 只占很少一部分，但进入大气后，n o 又被氧化成了n 0 2 或其 他化合物。 2 1 1 3s 0 2 的产生原因 船舶尾气中s 0 2 ，主要是由于燃油产生的，因为燃油中的硫和硫化物的存 在，使燃烧后的硫转变成s 0 2 或s 0 3 ，逸散到空气中成为了酸雨的罪魁祸首。 2 1 2 主要污染性气体的危害 2 1 2 1 碳氧化物的危害 一氧化碳( c o ) 它是一种无色、无臭的有毒气体。它进入人的呼吸道后使氧 气无法同血红蛋白结合，阻碍了血液向各器官输送氧气，使人发生不良症状严重 时会窒息死亡。同时它会引起人体的慢性中毒，主要表现为中枢神经受损，记忆力 衰退等。 二氧化碳( c 0 2 ) 它是一种无色、无臭的气体。众所周知，它是温室气体 的代表，c 0 2 的危害是对整个地球气候的改变，c 0 2 的增多使温室效应越来越 显著，全世界气候变暖，破坏了生态平衡1 3 0 ，婚3 8 1 。 2 1 2 2 氨氧化物( n o x ) 的危害 1 2 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 氮氧化物吖o x ) 是燃烧过程中氮的各种氧化物总称，柴油机排气中的氮氧化 物绝大多数为n o ，而n 0 2 次之，其余的含量很少。n o 和n 0 2 会对人和动物 的中枢神经系统造成损伤，对血液的输氧能力以及内脏都有影响。据报道，人只 要在n 0 2 含量为1 0 0 p p m 1 5 0 p p m 的环境中停留0 5 h l h ，就会因肺气肿而死 亡。 同时，氮氧化物也是形成光化学烟雾的物质之一，而光化学烟雾会导致人 和动物的眼睛、粘膜、呼吸道、内脏功能等受损，危害极为严重，1 9 4 3 年和1 9 5 4 年两次美国洛杉矶烟雾的严重后果让人类深有体会【3 0 3 阳。 2 1 2 3 硫氧化物( s o x ) 的危害 燃料中的硫燃烧时主要生成s 0 2 ，另有少量s 0 3 生成。s 0 2 是无色但有强烈 刺激性气味，对人的上呼吸道粘膜有刺激作用，严重时会引发急性支气管炎、 哮喘、意识障碍等症状，甚至是喉头痉挛而窒息。与此同时，硫氧化物引起的 柴油机动力装置的腐蚀和磨损也不容小视，所以，使用含硫量高的劣质燃油不 但是对环境的严重污染，同时也是对机器的严重损伤。 更严重的是，硫氧化物溶于水中便形成了酸雨，酸雨对动物、植物、建筑 物都有严重的损害，不但破坏生存环境更会破坏自然界的生态平衡1 3 0 3 8 1 。 2 2 国内外关于船舶节能减排的应对措施 2 2 1 国内外法律法规 面对日益严重的大气污染和船舶污染，世界各国尤其是多港口的航运大国 都在积极可行性的航运环保立法，使船舶污染的控制有完善的法律法规保驾护 航。 2 2 1 1 国外相关法律法规 下表2 1 和表2 2 中列举的美国海域航行船舶排放法规及欧洲非陆用排放法 规可看出，欧美对于船舶排放的规定都严于国际公约的要求，这将有利于船舶 迅速适应国际化的航行排放标准；同时，瑞典则规定从1 9 9 8 年开始n o x 和s 0 2 排放最应达到n o 规定的7 5 嘣3 9 1 。 1 3 第2 章国内外节能减排技术及应对措施 表2 1 美国海域航行船舶的排放法规 t a b 2 1s h i p s 啪i s s i 伽r e g u l a t i o n si i lu n i t c ds t a t e sw a t e 璐 表2 2 欧洲非陆用排放法规 t a b 2 2e n i i s s i 伽掣l a t i o 腿i ne u m p n 、a t e f s 2 2 1 2 国内相关法律法规 m a r p o l 7 3 7 8 附则的实施将对船舶在节能减排上提出更高的要求。国 际航行的船舶必须持有国际防止空气污染证书( 御p 证书) 及其他相关技 术证书。为了应对这种严峻形势，防止船舶污染海域，维护海域生态环境，我 国也相继出台了相关的法律法规， 中华人民共和国海洋环境保护法、 大 气污染物综合排放标准、船舶与海上设施法定检验规则2 0 0 4 及2 0 0 6 、2 0 0 8 修改通报等，在2 0 0 9 年9 月9 日国务院公布了第7 9 次常务会议通过的防止 船舶污染海洋环境管理条例，因此，为了更好的保护海洋环境、达到各法律 法规的要求、更好的适应全球航运环境，船舶节能减排技术就显得尤为迫切和 重要。 2 2 2 国内外船舶节能减排技术的研究应用 2 2 2 1 国内外船舶节能减捧技术理论 ( 1 ) 对燃烧过程的排放控制理论 1 4 基于阴极电位控制理论的船舶节能减排技术研究 a ) 燃料控制 降低燃油含硫量：在炼油过程中加氢可以有效降低燃油的含硫量： 使用燃料添加剂：使柴油在燃烧过程中更加充分，从而降低由于燃烧不 充分产生的废气； 开发新型燃料：使用新能源一直都是全球倡导的主题，但目前的技术还 没有将新能源广泛应用于航运业，减少燃油消耗才可能降低c 0 2 的排放。 b ) 燃烧控制 延时喷射：人为的使燃烧时燃油喷射延时，参看n o 产生原理可知，这 样可以缩短高温火焰燃烧时间，从而很有效的降低n o x 产生量，但此法会增加 耗油量。 乳化催化燃烧：该技术结合了乳化技术和催化技术的优势，将燃料乳 化后燃烧，同时催化反应改善其着火性能和燃烧稳定性。实验说明，该技术在 节能减排方面潜力巨大，但燃烧室表面催化涂层的可靠性和寿命仍有待提高。 排气循环技术( e g r ) ：将一部分废气与进气混合进入气缸，利用废气 中的c 0 2 、n 2 等抑制燃烧，使气缸内温度降低，抑制n o x 生成，但易腐蚀发 动机，而且燃油耗量大，不能广泛应用。 加气加湿：在燃油过程中加水，可使燃烧温度降低从而降低n o x 产生 量，如果将给气加湿，具有异曲同工的效果。 c ) 燃后控制 烟气脱硫：将尾气先通过洗涤塔脱硫在排放到大气，一般用海水脱硫， 脱硫率在9 0 左右； 选择性催化还原法( s c r ) ：向废气中混入n h 3 作还原剂，在催化剂作用下 使n o x 和s o x 转变成稳定的无害的化合物，还原剂虽然无毒易贮存，但体积 大运行费用也较高。反应原理如下： 4 n o + 4 n h 3 + 0 2 4 n 2 + 6 h 2 0 6 n 0 2 + 8 n h 3 7 n 2 + l2 h 2 0 常温常压等离子法：在常温常压等离子发生器产生的等离子的催化作用 下，使n h 3 与s o 。、n o ，更好的合成，从而达到脱硫、脱硝的目的。这种方法 是近年来研发的新型方法，但仍处于实验阶段【5 2 射。 1 5 第2 章国内外节能减排技术及应对措施 ( 2 ) 对船舶及柴油机设计的改进 改进供油系统：改进供油系统包括很多方面，如减小喷油提前角、减小 喷油器压力室容积、增大喷孔直径或减少喷空数目、采用电喷技术等； 改进供气系统：包括了涡轮增压技术、多气门技术等； 对船舶外部设计的改进：如优化船尾线性可减少船尾水波阻力、改进风 帆装置、螺旋桨与舵的优化。 ( 3 ) 航运管理中的节能减排技术 变频技术及高效推进技术 航程优化 减速航行 辅机采用燃料电池 航行中风力及太阳能的利用【3 5 】 2 2 2 2 国内外船舶节能减排技术应用 ( 1 ) 日本游船公司2 0 3 0 年概念船所用的减排技术包括太阳能2 、风能4 、 降低船用电能2 、空气阻力1 、推进效率5 、船型最优化2 、超导电性2 、 船体轻量化9 、船体摩擦l o 、燃料电池3 2 等，所有技术汇总可减排7 0 的c 0 2 ； ( 2 ) 日本川崎重工优化集装箱船和汽车运输船船尾线性，减少了船尾水波阻 。力，可增加推进3 7 ； ( 3 ) w a n s i l a 公司研发的e n e r g o p a c 高效舵，使提高效率9 ，减低油耗，同 时减少轴的损耗和舵的气蚀： 马士基航运公司通过优化船型、提高螺旋桨效率、优化球鼻艏和废热再 回收等措施进行节能减排，每年可降低2 2 的成本，节约8 7 0 0 吨的燃油，减少 约2 6 0 0 0 吨的c 0