（船舶与海洋工程专业论文）基于imo附则vi的船舶柴油机nox排放研究.pdf

摘要 随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐加强，控制发动机有害气体排放 的要求日益强烈，船舶柴油机排放废气中的s o 。和n o ；等对大气环境造成的污染已 引起国际社会广泛的关注。基于此，i m o 的m a r p o l 7 3 7 8 公约在1 9 9 7 年新增了附 则v i 防止船舶造成空气污染规则，以加强对大气污染的法律控制，并从2 0 0 5 年5 月1 9 日起，附则v i 己正式开始实施。这就对我国的船舶工业提出了更高的要求，本 论文通过对船用柴油机排放的国际公约、国内外船用柴油机排放的研究现状进行研 究，针对n o x 排放在单缸机上进行了喷油正时和外部e g r 的试验研究，并结合某船 舶柴油机的实际n o x 排放测试结果进行实例分析，得出适合我国国情的降低排放措 施。 一、综述了船舶柴油机排放的i m o 国际公约及地方性法规，并对我国的船舶柴 油机排放现状进行了分析，同时综述了国内外降低船舶柴油机排放的几种常用的解决 措施。通过比较分析，采用喷油正时优化、外部e g r 两种方案是净化效果较好且具有 经济性好和技术实现容易的特点，今后可以率先在我国现有船舶上进行改造。s c r 方法虽然对降低n o x 最有效，但是初次投资费用最贵，且今后还原剂( 尿素) 的费用比 重油高6 倍，如果经常去排放控制区域，通过经济性评价可考虑采用此方案。 二、喷油提前角对柴油机的排放特性有决定性影响，这种影响主要通过改变滞 燃期、燃烧温度和燃烧产物的温度变化历程不同而改变了有害排放物的生成量。通过 延迟喷油，可显著改善n o x 的排放量，但过多延迟会使柴油机的排温和油耗显著增 加。本论文在研究了喷油正时对n o x 排放影响的同时，进一步阐述延迟喷油对降低n 0 x 排放的影响： 1 一定程度的喷油延迟可明显改善n 0 x 排放，并不导致油耗的显著上升，这是今 后在船舶实际应用中应该采用的点： 2 如果喷油延迟过大，虽然显著改善n 0 x 排放，但导致了c o 和h c 排放的上升的 同时，增大了燃油消耗，这是今后在船舶实际应用中应该避免的。 3 要解决降低污染物排放与保证发动机性能之间的矛盾，较好的办法是采用柴 油机电子控制技术或智能喷油系统。智能喷油系统可以综合考虑影响燃油雾化和混合 气形成质量的各种因素，如喷油压力，喷油提前角等，进而实施优化控制，优化燃 油经济性，降低排放。 三、采用外部e g r 可以显著降低n o x 排放，但是若匹配不当，会对柴油机性 能以及其他排放产物产生负面影响，如颗粒排放上升、功率下降、燃烧不稳定等。本 论文以单缸柴油机为研究对象，对外部e g r 进行了研究，得出以下几点结论： 1 当采用冷却外部e g r 时，在进气c 0 2 浓度小于某域值时( 本次试验为2 5 左右) ，能够显著降低n o x 排放，并且保持原机的性能和其他排放产物水平。当进气 c 0 2 浓度大于2 5 时，性能和烟度、h c 排放显著恶化。 2 在低负荷时e g r 率大于4 0 ，也能保持发动机的性能不恶化。而随着负荷 的升高，可运行的e g r 率范围逐步减小。 3 采用中冷外部e g r 后，滞燃期明显增加，而放热率峰值有所降低，燃烧持续 期稍有增加。 船舶柴油机采用中冷外部e g r 后，可以明显改善n o x 排放，这为国内超限的又 无e g r 系统的船舶主机提供了一个很好的解决方案。所得出的优化的e g r 率可为改 装或设计提供试验依据。 四、本论文在介绍了i m o 有关船用柴油机排放测试规定的同时，结合国内某船 舶主机的n o x 排放测试结果，按照i m o 附则v i 中对于排放的测试、计算要求，得 出了“叵速主推进”e 2 型、e 3 型试验循环下n o x 的比排放，并提出了此船舶主机 的两种改进方案，即喷油延迟和外部e g r 的方法，为今后国内船舶柴油机提供了改 j 羞方向。 关键词i m o 雪际公约，船舶柴油机，n o x 排放，研究 a b s t r a c t d i e s e e n g i n e sa r eu s e dw i d e l ya st h ep o w e rs o u r c e so fs h i p sd u et ot h e i rh i g h t h e r m a le f f i c i e n c y 。h i g hf u e le c o n o m ya n dd u r a b l ep e r f o r m a n c e h o w e v e r t h e g a s e o u sa n d s o l i ds u b s t a n c e se x h a u s t e df r o md i e s e f e n g i n e sd u r i n gc h e c o m b u s t i o np r o c e s sc a u s ea i rp o l l u t i o n i np a r t i c u l a ra r o u n dh a r b o rr e g i o n s 1 nf h i s d i s s e r t a t i o n n o xe m i s s i o nr e d u c t i o ni ss t u d i e db a s e do nas i n g l ec y l i n d e rd i e s e i e n g i n e t h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n li n c l u d e ： 1 t h ei m oc o n v e n t i o na n n e xv la n dd i e s e ie n g i n ee m i s s i o ns t a t u e si nc h i n a s h i p sm a r k e ta r ej n t r o d u c e dt h er e d u c t i o no fd j e s e je n g i n es o xa n dn o x e m i s s i o na r eb r i e f l yi n t r o d u c e da sw e l l e s p e c i a l l yt h en o x c o n s i d e r i n gt h ec o s t a n de f f i c i e n c y ，f u e ii n j e c t i o nt i m i n qo p t i m i z a t i o n e g ra r et h eb e s ts o l u t i o nf o r n o xe m i s s i o nr e d u c t i o n 2 t h eb e s lr u e li n j e c t i o nt i m i n gi sn o to n l yl ok e e pt h ed i e s e le n g i n eg o o d p o w e rp e r f o r m a n c e f o w e rn o xe m i s s i o n b u ta l s o t ok e e p g o o df u e ie c o n o m y f f f u ejl n j e c t i o nt i m i n gd e l a yt o om u c h ，n o xe m i s s i o nw i l li m p r o v e d ，b u tc o ，h ca n d f u e l c o n s u m p t i o nw i l i b ei n c r e a s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f u e i i n j e c t i o nl i m i n a o p t i m i z a t i o ni ss t u d i e d 3 e x t e r n a ic o o l e de g ri sa ne f f i c i e n im e t h o dt or e d u c en o xe m i s s i o n e 仟e c l s o fe g ro nc o m b u s t i o np e r f o r m a n c ea n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo fd i e s e l f u e l e d c o m b u s t i o na r es t u d i e d w h e nf h ee g rr a t ei si n c r e a s e d c o m b u s t i o np h a s i n gf s d e l a y e da n dm a x i m u mi n c y l i n d e rp r e s s u r ei sd e c r e a s e d t h es t a r to fc o m b u s t i o n i sd e l a y e da b o u t7 。c aw h e nl h ee g rr a t ea c h i e v e s4 0 i n c r e a s i n ge g rr a t ec a n r e d u c ef h et e n d e n c yo fk n o c k - c o m b u s t i o na n dr e d u c ef h en o xe m i s s i o n t h ec o e m i s s i o ni n c r e a s e sw i t he g rr a t ei n c r e a s i n g 4 f m on o xe m i s s i o nf e s lm e t h o di si n t r o d u c e d a sa nj i l u s t r a t i v ej n s t a n c ef o ra c h i n as h i pn o xe m i s s i o nt e s ti si n t r o d u c e da sw e l i k e yw o r d sn o xe m i s s i o n ，r e s e a r c h ，s h i p s d i e s e le n g i n e ，i m oi n t e r n a t i o n a c o n v e n t i o na n n e xv i a u t h o r i z e db yz h u a n f lz h o n q d i r e c t e db y p r o f e s s o ry a n qw a n f e n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 名：粤吼掣 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解 密后遵守此规定。 僦名：粤一名：槲魄础 第一章引言 1 本论文研究的意义、目的 随着全球环境的目益恶化和人们环保意识的逐渐加强，控制发动机有害气体排放 的要求曰益强烈，船舶柴油机有害排放对大气环境造成的污染已引起国际社会广泛的 关注。国际海事组织( i m 0 ) 的统计表明全球以柴油为动力的船舶每年向大气排放的 n 0 。约为1 0 0 0 万t ，s 0 , 约为8 5 0 万t ，被污染的海洋大气可通过气候作用飘散到1 0 0 0 k m 以外的地区，对全球环境造成影响。据统计，全球注册船舶中一半以上的船舶使 用二冲程的柴油发动机，每吨柴油产生n o 。0 0 8 7t 1 l 。 柴油机的废气排放物主要为：n o 。( 其中n o 为9 5 ，n 0 2 + n z o 为5 ) 、s o 。( 其 中s 0 2 为9 5 ，s 0 3 为5 ) 、h c 、c 出、c o 、c 0 2 等气体和颗粒排放物饵m ) 等，它 们对环境造成不同程度的损害。船舶产生n o 。是由于空气中的氮气在柴油机燃烧过 程中被氧化而产生，n o 。包括n o 、n 2 0 4 、n 0 2 等。n o 。是促成酸雨和雾形成的主要 因素，对人体健康也相当不利，如易引起肺水肿等。其中，n o 无色，具有轻度危害 性，高浓度能造成中枢神经系统障碍，且n o 在大气中与臭氧反应生成剧毒的n 0 2 ， n o ：是赤褐色刺激性气体，吸八人体后与血红蛋白反应，降低血液吸氧能力，对心肝 肺有毒害作用；n 0 2 还是造成光化学烟雾的起因物质之一。n 2 0 则对臭氧层有很强 的破坏作用。s 0 。是燃油燃烧产生的，燃油中的硫和硫化物如硫化氢( h 2 s ) 和硫醇 ( r s h ) 等，在燃烧后产生二氧化硫( s 0 2 ) 和三氧化硫( s 0 3 ) ，是造成酸雨的罪魁 祸首。c o 。包括c o 和c 0 2 ，c o 是有毒物质，为燃油的非完全燃烧产物：c 0 2 作为 燃油燃烧的最后产物之一，危害性主要在于产生温室效应【1 。随着国际贸易和船舶运 输的发展，以石油产品为燃料的船舶柴油机的废气排放对当前环境的污染越来越严 重。s o ；会造成酸雨，严重地破坏自然界的生态平衡；h c 、c h 4 和c 0 2 等气体会导 致温室效应：颗粒排放对人的呼吸系统有害，易被人体吸入并沉积在肺泡中。可见， 船舶柴油机的废气排放是影响全球空气质量和环境的重要因素之一。如果不及时地对 柴油机的废气排放进行有效的控制，将对地球的生态环境造成严重的破坏。因此，如 果说在过去的2 0 多年中柴油机经济性以及可靠性是其发展的主要趋势的话，减少船 舶柴油机对环境的污染将是今后一段时间的又一主题【2 】。 基于此，i m o 的m a r p o l 7 3 7 8 公约在1 9 9 7 年新增了附则v i 防止船舶造成空 气污染规则 2 1 i s ，以加强对大气污染的法律控制，并从2 0 0 5 年5 月1 9 日起，附则 已正式开始实施。这就对我国的船舶工业提出了更高的要求，本论文拟通过对船 用柴油机排放的国际公约、国内外船用柴油机排放的研究现状进行研究，针对n o x 排放在单缸机上进行了喷油正时和外部e g r 的试验研究，并结合某船舶柴油机的实 际n o x 排放测试结果进行实例分析，得出适合我国国情的降低排放措施。 2 本论文拟研究的主要内容 全文的研究思路和逻辑结构如图1 一l 所示。 第一章引言 i i 第二章船舶柴油机排放 i 的国内外研究水平综述 t i 第三章船舶柴油机喷油 正时的排放优化研究 1 第四章船舶柴油机外部 e g r 的排放优化研究 l 第五章基于i m o 附则v i 的船舶柴 油机n o x 排放实例分析 第六章总结与展望 图1 1全文逻辑结构 2 理论基础 试验研究 实例分析 结论 壅龌蔓盔堂三猩亟主堂焦途塞基王型q 隘则y ! 盟盥魈苤迪扭垒! q 5 塑 丝盟宜 第一章引言。指出本论文的研究背景和意义，并在此基础上，简述了本论文的 研究内容、研究思路和论文框架。 第二章船舶柴油机排放的国内外研究水平综述。综述了船舶柴油机排放的i m 0 国际公约及地方性法规，并对我国的船舶柴油机排放现状进行了分析； 综述了国内外降低船舶柴油机排放的解决措施，并指出了适合我国国情 的几种措施。 第三章柴油机喷油正时的n o x 排放优化研究。喷油提前角对柴油机的排放特性 有决定性影响，这种影响主要通过改变滞燃期、燃烧温度和燃烧产物的 温度变化历程不同而改变了有害排放物的生成量。通过延迟喷油，可显 著改善n o x 的排放量，但过多延迟会使柴油机的排温和油耗显著增加。 本章介绍了喷油正时对n o x 排放影响的同时，并进一步阐述延迟喷油对 降低n o x 排放的影响。 第四章柴油机外部e g r 的n o x 排放优化研究。采用e g r 可以显著降低n o x 排放，但是若匹配不当，会对柴油机性能以及其他排放产物产生负面影 响，如颗粒排放上升、功率下降、燃烧不稳定等。本章中将以单缸机为 研究对象，在单缸柴油机运行的工况范围内，确定各个工况点的最佳 e g r 量，定出e g r 脉谱图。本章所得出的优化的e g r 率可为国内超限 的又无e g r 系统的船舶主机提供了个很好的解决方案。 第五章基于i m o 附则v i 的船舶柴油机n o x 排放的实例分析。本章在介绍了 i m o 有关船用柴油机排放测试规定和实船检验测量方法的同时，结合国 内某船舶主机的n o x 排放测试结果，按照i m o 附则v i 中对于排放的测 试、计算要求，得出“恒速主推进”e 2 型、e 3 型试验循环下n o x 的比 排放。根据第三、四章的研究内容，提出此船舶主机的几种改进方案， 并为今后国内船舶柴油机提供了改进方向。 第六章结论与展望。总结全论文主要的研究内容并指出有待进一步深入研究的 问题。 第二章船舶柴油机排放的国内外 研究水平综述 1 关于船舶柴油机排放的国际公约及地方性法规 对船用柴油机排放物的限制来自两个方面：一是国际海事组织( i m o ，i n t e r n a t i o n a l m a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ) 制定的船用柴油机排放规定：二是船用柴油机又必须满足停 泊港口或航行于沿海地区时地方性法规中有关规定，这类地方法规一般会严于i m o 的规定。 1 1 m a r p o l 7 3 7 8 公约附则v l 臭氧层消耗、空气污染和全球升温现象早就为世人所关注，也是世界各国及有关 国际组织所亟待解决的问题。i m o 是国际上为协调船舶航线、交通规则、港口设施 而设立的联合国的专门机构，目的是为了消除妨碍国际海运安全、提高航运效率的障 碍。i m o 从1 9 8 8 年开始审议防止船舶排放物污染大气的有关事项，有关废气排放规 定的讨论主要是在海洋环境保护委员会( m e p c ) 和船舶、化学分委会( b c h ) c p 进行的。 1 9 9 7 年l o 月在伦敦缔约国大会上审议并通过了修订 m a r p o l7 3 7 8 防污公约的 1 9 9 7 年议定书。该议定书新增了附则v j 防止船舶造成空气污染规则【2 5 1 ，以加 强对大气污染的法律控制。该附则的目的在于采取措施限制船舶对大气的污染，该附 则一旦生效，将对船舶排放废气中的硫氧化物( s o x ) 和氮氧化物( n o x ) 的含量进行限 制，并禁止损害臭氧层物质的故意排放。 2 0 0 4 年5 月1 8 日，萨摩亚群岛( s a m o a ) 成为m a r p o l 7 3 7 8 公约的第1 5 个缔约 国，且各缔约国的商船总吨位占全世界的5 4 5 7 从而超过5 0 。按照m a r p o l 7 3 7 8 公约第五条的规定，自2 0 0 4 年5 月】8 目起1 2 个月后，即从2 0 0 5 年5 月1 9 日起i m o 的m a r p o l 7 3 7 8 公约的附则v i 防止船舶造成空气污染规则正式开始实施。 1 1 1s o ，的排放控制 针对s o 。的排放， m a r p o l 7 3 7 8 公约附则v i 规定船舶燃油硫含量的上限为 4 4 5 ，并且在议定书生效以后，将监控世界范围内燃油的平均硫含量。对于在s o 。 排放控制区域( e c a s ，s o 。e m i s s i o nc o n t r o la r e a s ) ( 如波罗的海b a l t i cs e a ) 运营的船舶 要求更加严格，规定硫含量不得大于1 5 ，废气中的s o ，含量不得大于6 o g ( 1 ( w 七1 。 s o 。排放控制区域有增加的趋势，所以船舶必须选择安装废气净化系统或者采用其他 的技术方法来限制硫氧化物的排放【“。 1 1 2n o 。的排放控制 ( ( 7 3 7 8 国际防止船舶造成污染公约附则v i 一旦生效后，将追溯到2 0 0 0 年1 月1 日【4j 。即目前对所有在2 0 0 0 年1 月1 日或以后安装建造、重大改装后的船上的 输出功率超过1 3 0 k w 的柴油发动机( 应急发动机，应急用设备及装置除外) ，其n o x 排放的最高限制标准见表2 - 1 和图2 - 一 6 】d 对于此排放限值，i m o 还明确：( 1 ) 、在 海上航行时，用简易方法测量n o x 排放量时，允许误差为1 0 ；( 2 ) 、当采用劣质燃 油( i s 0 8 2 1 7 r 级) 时，其允许误差为1 0 ：( 3 ) 、既在海上航行又使用劣质燃油时，其 最大允许误差到1 5 为止。 图2 - 1 附则v i 关于n o x 排放的限值曲线 5 表2 - l 附则v i 关于n o x 排放的最高限制标准 转速( r m i n )n o 。排放率g k w h 1 3 0 r m i n 1 7 1 3 0 n 2 0 0 0 r m i n 4 5 。n 。0 2 n 2 0 0 0 r m i n 9 8 1 1 3 损耗臭氧物质的排放控制 附则v i 禁止损耗臭氧物质的故意排放，包括卤烃和氟藏烃( c f q ) 的排放，禁止 所有船舶安装含有损耗臭氧物质的新设备。但是，在2 0 2 0 年以前，允许安装含有氢 化氯氟烃( h c f c ) 的新设备。 1 1 4 适用范围和检验规定 防止船舶造成空气污染规则的适用范围为4 0 0 总吨及以上的船舶和钻井平台 及其它平台，且具有可追溯性。在附则v i 生效之日前建造的船舶，应在附则v i 生效 后第一次坞检( 最迟不超过3 年) 满足有关要求。 防止船舶造成空气污染规则的检验种类分为： 1 、初次检验。为首次签发国际防止空气污染证书( l a p p ) 所进行的检验。应送审的 图纸资料包括卤素、氟氯碳或氢化氯氟烃的系统图、氮氧化物排放控制的细节资料、 焚烧炉安装布置图和液货船蒸气收集布置图等。应提交的适用证书包括柴油机e i a p p 证书及产品证书、废气滤清系统的产品证书、焚烧炉的i m o 型式认可证书、蒸气收 集系统的认可证书等。并对有关设备和系统进行全面细致的检查。 2 、换证检验。为国际防止空气污染证书( l a p p ) n 期时进行的检验员，其间隔期通 常为5 年。换证检验应保证设备、系统、控制、布置和材料完全符合本规则的要求。 检验完成后，签发新的l a p p 证书。 3 、中间检验。为l a p p 证书有效期内第二或第三周年日前后3 个月内进行的检验。 中间检验应进行较为充分的检查。检查完成后，在l a p p 证书签证栏内进行相应的签 署。 4 、年度检验。为i a p p 证书有效期内每周年日前后3 个月里进行的检验员。年度 检验是对设备和布置作一般性检查，并复核船上的有关维修保养记录。检验完成后， 在l a p p 证书年度检验签证栏进行签署。 6 5 、展期检验。为i a p p 证书期满而船舶又不在其管辖的港口所进行的检验。检验 范围相当于扩大的年度检验。检验完成后在证书展期栏相应的条款下进行签署。 1 2 地区法规对源于船舶大气污染的法律控制 目前许多国家和地区对在自己海域航行的船舶己制定了自己的法规，这些法规较 i r i o 法规更加严格。表2 2 和表2 3 中示出了美国e p a 在美国海域航行船舶的排放 法规和欧洲非陆用的排放法航行船舶的排放法规和欧洲非陆用的排放法规。而瑞典则 规定从1 9 9 8 年开始n o x 和s 0 2 排放量应达到i m o 规定的7 5 i ”。 表2 - 2 美国海域航行船舶的排放法规 现船2 0 0 0 年非陆用2 0 0 6 年 排放物 ( g k w h )( g k w h ) n o 。 9 26 4 h c1 3 6 4 c o 1 1 4 3 5 微粒 0 5 4 0 2 0 表2 - 3 欧洲非陆用排放法规 1 9 9 7 正2 0 0 2 焦 排放物 ( g k w h )( g | 溉m ) n o 。 9 27 o h c1 31 0 c o5 03 5 微粒 0 5 4o 2 0 i m 0 防止空气污染规则的引入将会导致各国对船舶柴油机排放的进一步认识，出 台一些日趋严格的地方排放标准或国家船舶排放控制计划。瑞典规定的目标条例为： n o x 和s o x 排放减少7 5 ，从1 9 9 8 年起实施。条例适用于所有船舶，收费标准与船 型及实际排放量有关。当船舶进入瑞典水域时，对于排放量在2 1 2 9 k w h 时收费额正 比于排放量，对于排放超过1 2 9 k w h 时，需支付额外费用。瑞典最近提出，国内船舶 ( 如渡轮) n 0 x 排放限制为2 9 k w h ，这必须采用后处理法( s e l e c t i v ec a t a l y l i c r e d u c t i o n ，s c r ，选择性催化还原法) 净化技术才能达到。挪威的目标为国内航运每 年减少1 0 0 0 0 吨n 0 x ( 大约为总量的2 0 ) 。估计波罗的海国家也会有类似的计划。如 果不符合i m 0 规则，就可能会以增加港口使用费的手段加以控制。 7 ： 箍三重 丛舶苤迪丑韭丝曲国内2 受宜盔王绽鲨 美国联邦环境保护局e p a ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ) 规定从2 0 0 1 年起收 缴排放税为1 0 0 0 0 美元吨n o x ，对采用低排放的柴油机、停泊时用陆上电源等较少 排放措施的船舶，依照措施执行效果减收排放税金。在1 9 9 4 年7 月公众听证会上， i m o 对n o x 限制也作了明确规定，入港频率低的船舶支付的税金少，入港频繁的船 舶视其减少排放措施的情况来推算其经济负担。美国环境保护局曾提出过一个控制船 用柴油机n 0 x 排放的建议案，让船舶人员船东自行决定他们机器的n 0 x 削减水平， 同时还要决定航行在e p a 控制水域时所需缴纳的“使用费”尺度。如果希望仅缴付最 低的“使用费”，则必须将发动机的n 0 x 排放水平降低8 0 或更低。要取得如此低的 削减量，必须采用s c r 净化技术。e p a 最近又提出一个新的建议，国际航运由i m o 规 则管理，地方航运的n 0 x 排放不得超过9 2 8 k w h 。在一些沿海水域，如加利福尼亚 沿岸，1 5 氧气时n o x 排放水平限制在l o o p p m 或更低的法规已经实施。 2 我国船用柴油机排放的现状分析 21 我国船用柴油机的排放控制法规 我国的机车、船舶主机、发电、工业、农副产品加工等用途的柴油机，应 按g b 8 1 8 9 8 7 评定其排放水平，柴油机每个试验工况下的比排放量和排放指数 不得超过表2 4 中规定的允许限值。 表2 4机车、船舶主机、发电等用途柴油机排放限值 在试验工况下柴油标定功率时的比排放量排放指数 机的平均有效压力燃油消耗率g e( k w h )g k g 燃料 k p a ( k w - h ) c o n o c o n o 3 0 0 ) 2 2 6 2 3 81 02 l 2 3 8 2 5 2 1 0 1 7 2 5 2 2 6 81 01 4 2 6 8 1 0 1 l 由此可见，i m o 国际公约对船舶柴油机的排放限制要比我国严格得多。我国的 船舶柴油机排放控制将会在今后很长一段时间内以i m o 公约为目标，并不断制定出 8 适合我国国情的排放控制法规。 2 2 我国船用柴油机现状 中国船舶协会副秘书长2 0 0 5 年l o 月份在宝钢宣布，中国造船业已稳居世界第 三位，2 0 0 5 年中国造船产量将突破1 0 0 0 万载重吨，占世界造船总吨位的1 5 ，其中 出口占7 0 ( 摘自中国船舶网：w w w c h i n a s h i p c n ) 。我国的船舶主机由国产自研机及 引进许可证生产的两部分组成，在“八五”、“九五”期间建造的船舶中，7 0 的远洋 船和9 0 的沿海船或内河船均为国内建造，使用的主机以自行研制的7 0 年代前的老 机型为主，引进机除了低速大功率柴油机外，也多为八十年代国外较老的机型。我国 船舶每年向大气排放的污染物，若按每万吨船每年用3 0 0 0 t 燃油计算，则n o 。为4 7 5 万t ，s o 。为1 3 2 万t ( 含硫量1 ) ，c 0 2 为2 1 1 2 万t ，c o 为5 6 万t ，h c 为1 7 万t 。 国内船用柴油机绝大多数是无法满足即将出台的i m o 排放限制的。因此，尽快研究 国内船用柴油机的有害排放问题，采取降低排放的技术措施，显得非常迫切【7 i 。 2 ，3i m o 国际公约对我国的影响 任何国际公约，从由个别国家或几个国家拿出一个提案、由国际组织认可并组织 讨论、形成草案、到各个成员国同意并声明加入公约，都是一个很长的过程，它涉及 到许多国家的利益。m a r p o l 公约附则v i 的制定和实施，在保护海洋环境的背后， 也反映出这一点，m a r p o l 公约附则v i 的实施对象中国这样的第三世界国家带来了 许多不利影响： 1 船舶柴油机的生产和制造。m a r p o l 公约附则v i ，特别是其中规定的限制标 准，基本反映了目前船用柴油机生产的最高水平。我们应当看到在中国，虽然我国目 前造船吨位为世界第三，年造船量占世界6 左右，但是我们国家船舶柴油机的技术 还不够高，无论从经济性，还是从环保方面，都不能和当今先进的船用柴油机相比。 因此，工业发达国家才极力促使m a r p o l 公约附则v i 的制定和实施，有些国家甚 至在自己控制的海域内首先使用地方性法规，以期抑制发展中国家的生产能力，控制 船用柴油机市场。 2 柴油机族母型机的测试环境。当对柴油机族的母型机进行测量时，首先要进 行环境条件检验。公约规定，对柴油机族母型机进行测量时的环境温度、相对湿度和 干空气压力依据一定的关系，必须在给定的范围之内( 即f a 参数) 。这一点对包括中 9 筮三堇越龃苤擅扭韭丝的垦凼处婴冠丛垩堡整 国在内的亚洲国家是比较苛刻的，使得我们有可能在每年的很长一段时间不能进行母 型机的测量和检验。 3 测试使用的仪器。公约中对测量仪器的工作原理、精度、标定和校核都提出 了要求，而目前只有少数工业发达国家的某些厂家可以生产达到公约要求的仪器，形 成了技术和市场的垄断。 i m o 国际公约给我国带来不利影响的同时也带来了挑战，这就要求我国的船舶 主机厂和造船厂积极采用新技术来降低排放。 3 降低船用柴油机排放的解决措施 对于船用柴油机而言，其废气排放污染物的控制主要针对和s o 。和n o 。进行 降低船用柴油机排放的措施归纳起来主要包括以下几方面。 3 1 船舶s o 。排放控制技术脚6 3 “4 1 船舶s o 。是燃油燃烧产生的，燃油中的硫和硫化物如硫化氢( h 2 s ) 和硫醇( r s h ) 等，在燃烧后产生二氧化硫( s 0 2 ) 和三氧化硫( s 0 3 ) ，是造成酸雨的罪魁祸首。目 前，船舶s o ；的控制技术有： 1 1 选用低硫燃料。硫含量下降，可改善燃烧性能，使s o 。排放减少，但低硫燃 油在炼制过程中需要耗费大量能量并造成新的污染，且价格相对较高。 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s 0 2 可溶于海水的基本原理，让排气通过清洗装置，洗涤水溶解s o 。而产生硫酸，利用海 水的碱性正好将其中和。此办法可以除去9 0 的s o 。，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 的工况应作必要的调整。目前世界各国都在努力探索更为有效的办法【2 。 3 2 船舶n o 。排放控制技术旷4 5 3 船用柴油机废气中n o 。主要是由于高温燃烧而产生的。因此，减少n o 。排放， 必须控制柴油机工作循环的峰值温度。从n o 。的性质和生成机理两方面入手，目前 主要采用的方法为机内燃烧控制和机外废气处理两大类1 5 j ，前者的目的是减少在燃烧 中形成的n o 。，后者的目的是从废气中去掉n o 。综合起来，降低柴油机n o 。的主 l o 要措施有： ( i ) 延迟喷油正时等方法，使燃烧的温度峰值降低，从而使n o x 的生成量降低； ( 2 ) 用水等物质来参与柴油机的燃烧，使燃烧温度降低，从而使n o x 的生成量 降低，如乳化燃油、水一燃油分层喷射等； ( 3 ) 废气再循环，使n o x 生成所需的氧量迅速减少( 困n o x 的生成与含氧量的 平方根成正比) ，以降低n o x 的生成； ( 4 ) 用化学试剂来与柴油机排气中的n o x 反应，使n o x 转变为无害的物质，如 s c r 法。 32 1 延迟喷油正时 喷油正时对柴油机排放有较大影响，而这种影响主要通过滞燃期起作用。除影响 滞燃期外，喷油正时还使燃烧温度和产物的温度变化历程不同，从而改变了有害排放 物的生成量。推迟喷油正时的作用主要是使燃料燃烧所形成的温度峰值降低，但这一 办法会略增加耗油量。 图2 - 2 表示喷油正时对n 0 x 排放的影响。由图可见，推迟喷油对n 0 x 降低有显著 作用。当喷油正时比相应于最短滞燃期的正时还推迟时，尽管由于滞燃期加长使预混 燃油比例增加，但焰后区所经历的高温时间缩短，所以n 0 x 排放量仍继续降低。图2 3 所示的是某台直喷式柴油机的测定结果。从图中可以看到，在低转速时，由于有较长 的氧化时间，所以未燃烃排放对喷油正时不太敏感，但在高转速时，就变得敏感了， 其中低负荷或空负荷缸内温度水平较低时尤为突出。然而，过分推迟喷油不仅使分隔 式柴油机排烟增加( 见图2 4 ) ，而且可能导致严重后燃，无论对直喷式还是分隔式柴 油机，都会增加未燃烃的排放。这种不良后果随转速增加愈益严重。 当燃气温度和增压空气冷却水的温度较低，n o x 的降低量可达到2 0 ，甚至更 低些。对于船舶动力装置，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n o x 排放量减少1 0 1 5 。 调整喷油规律，如减少上死点前喷入气缸的喷油量，以降低最高燃烧温度和压力， 减少n o x 发生量，调整气阀正时，也能有同样效果。但要解决降低污染物排放与保 证发动机性能之间的矛盾，较好的办法是采用柴油机电子控制技术或智能喷油系统。 智能喷油系统可以综合考虑影响燃油雾化和混合气形成质量的各种因素，如喷油压 力，喷油提前角等，进而实施优化控制，优化燃油经济性，降低排放【l ”。 u 基 是 。 芝 8 6 动惫唛油定时a ( ：止点前) 图2 - 2 喷油正时对n o ，排放的影响 空季；试舱 |j 2 6 0 0 r 固 i s 0 0 r m in i 叫 、。 , 8 0 j r m i n k _ 一一夕二+ i i 4 0 动态喷油定时。c a ( 上止点前) 图2 - 3 喷油正时对未燃烃排放的影响 1 2 孳事一v如“oz球鞲 置2 0 号 至1 5 i 莓1 0 疆 撼5 0 _ _ 薯 童 薹 陀r l 暄 国一鬟 墓 萋 誊 图2 4 不同类型的燃烧室的排放比较 一非增压直喷式柴油机： b 一非直喷式柴油机 3 2 2 乳化燃油” 乳化燃油是把内燃机燃料与水在乳化剂的作用下，利用外部能量进行混合，得到 的乳状液。由于水的比热比较大，因此水蒸发产生水蒸汽时要吸收大量潜热，从而使 燃烧最高温度下降，使n o x 减少。在乳化柴油或乳化重油中，因为油多于水，在 超声波和机械搅拌的作用下，成为油包水的乳化油滴。当乳化油滴喷八高温的燃 烧室内时，油滴被加热，油滴内部的温度和压力急剧升高。当内部压力超过油滴 的表面张力与环境压力之和时，油滴发生爆炸( 油滴内的水蒸汽把油滴胀破) ，使 原来就很小的乳化油滴破碎成更细小的油滴，这种现象称为“微爆”( 即二次雾 化) 。这不仅使燃油雾化良好，而且由此而产生很多爆炸波，促使燃烧室内的空 气形成强烈素流，空气与燃油的分布更加均匀，温度也变得均匀，生成的碳烟减 少。此外，水蒸汽分子在反应前产生大量的o h ，在碳烟生成之前，热分解的中 间产物很快与o h 化合，生成新的化合物参与燃烧，碳烟的生成亦得到抑制。水 蒸汽的水煤气反应，也能减少碳粒的排放。 在一般情况下，增加一个百分点的水将减少一个百分点的n o x 。通常，乳化燃 油中含有1 0 的水，可以使n o x 下降6 1 2 ，且乳化燃油对发动机热效率没什 么影响，当水含量为2 0 时，燃油消耗率无变化，当水含量继续增加时，燃油消耗 增加。标准设计的发动机可以满负荷时加入2 0 的水i l 。 实践证明，使用乳化燃油不仅可以使n o x 减少，还可以改善柴油机的排烟，尤 其在低负荷时更加明显。缺点是用乳化燃油会引起发动机零部件锈蚀此外还存在贮存 箍三重 魈鹊筮迪扭挂邈盟国囱2 丛盈盔王堡蕉 时发生水油分离的情况，增加了机舱管理的麻烦。 乳化燃油比较成功的实例是波多黎各的一台2 0 m w 固定动力装置，m a nb & w 设计 的7 l 9 0 g s c a 柴油机，采用燃油掺水技术，1 9 8 4 年投入使用。未控制时n o x 为l1 5 0 i 2 0 0 p p m 。按e p a 规则，排放的限额为7 7 0 p p m ，因此选择了重油掺水乳化，加上降低 最高压力的措施作为削减n o x 排放的办法。由于发动机是专门设计以水和重油乳 化来工作的，所以采用一台大的燃油喷射泵和经修改的喷油嘴。为防止燃油系统中低 压部分的气化或气蚀，采用封闭的加压系统，并设置定量给水系统和燃油均质器。其 它和普通发动机完全一样。使用中采用2 2 的水与重油乳化，最高压力降低了5b a r ， 满足了e p a 关于n o x 排放的规定。对发动机工作状况的调查结果发现，气缸磨损率( 包 括磨合期) 在0 0 1 o 0 6k f f n k h ，平均0 0 3m m k h ，相当于缸套寿命为1 2 0 0 0 0h ( 1 5 年) 。排气阀、燃油喷射泵和喷油器等部件的工作状况良好。 燃油乳化技术也有其局限性，水和重质燃油的乳化比较容易取得，并且较稳定。 但水与柴油、轻质柴油的乳化就困难了。当沿海航行强制需要采用低硫燃油时，若采 用上述燃油掺水技术时，需设置专门的乳化装置。 8 0 年代以来，我国对柴油掺水乳化法进行了大量的试验研究，先后研制出 广西桂花s - o 、上海m 8 0 1 、青岛m d t 一2 、山东高唐j y l 型柴油掺水乳化剂。中 科院声学研究所东海研究站研制出c r z 一1 型电超声乳化器，可与功率为1 4 7 k w 以下的柴油机配套使用，亦可用于加油站集中制备乳化油供柴油机使用。该站对 柴油掺水超声乳化后的台架试验表明：在柴油机标定工况下，排气中的n o x 浓度 下降1 9 6 3 2 8 ，烟尘浓度下降5 0 ，s 0 ：浓度下降近5 0 ，节油率达6 8 ，节油和降污的效果是明显的，但对c o 和未燃烃排放影响不大。 柴油掺水乳化法同样存在着气缸腐蚀等问题，同时需要增加乳化剂开支及 有关设备。 为了解决乳化柴油所需昂贵的乳化剂、乳化设备以及制备过程中消耗的能量 和乳化油容易发生油水分离等问题，浙江大学开展了随机引汽乳化方法的试验研 究。引汽乳化法的原理是将适量的蒸汽引入柴油凝结形成细微水滴。同时，水所 释放的潜热加热燃油，使燃油温度升高，消除因油质和掺水所引起的粘度增大所 导致的雾化问题。在s 1 9 5 型柴油机上的试验结果表明，使用引汽乳化技术有较 好的节油和净化效果。 1 4 3 2 3 燃油一水分层喷射1 6 3 4 4 1 燃油一水分层喷射( s t r a t i f i e df u e l - - w a t e ri n j e c t i o n ，s f w i ) 系统是日本三菱重工 开发的降低柴油机n o x 排放的新措施，如图2 - 5 所示，其主要原理如下：在喷油阶 段，该系统将水送到喷油器，使油和水分层喷入气缸，以降低火焰温度。 瓣 制 起 替 柬 阁 曲柄转角 图2 5燃油一水分层喷射技术 经过证实，对低速柴油机n o x 可降低5 0 ，高速柴油机降低7 0 。更令人感 兴趣的是，对于低速柴油机，与单层喷射( 油水一油) 相比，采用油一水一油一水油组成的多 层喷射，既降低了n o x 的排放，燃油消耗的增长量也不大。三菱重工在日本运输省的 一艘实习船上对s f w i 系统进行了2 4 0 0 h 的试验。试验结果表明，可以达到削减7 0 n o x 的净化目标，连续运行时能保持稳定的净化作用。解体检查证实了对主机部 件、废气锅炉、发动机及系统的可靠性无不良影响【l 。 3 2 4 湿空气( h u m i da i rm o t o r h a m ) 系统 h a m ( h u m i d a i rm o t o r ) 技术是法国热机协会利用蒸发湿空气系统( h a m 系统) 来降低n o x 排放的装置。h a m 系统是用水蒸汽加湿进气管中的进气，这种湿空气进 入气缸燃烧，使燃烧最高温度降低，从而降低n o x 的产生。图2 - 6 是h a