（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船用柴油机nox排放计算与分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 由于具有较高的热效率和可靠性，今天柴油机仍然是最主要的船舶推进动力源，在 未来的2 0 年或更长的时间内，这种状况不会得到太大的改变。人们在利用柴油动力船 舶为自身创造着财富的同时，也正在一步步地污染着我们赖以生存的空间。船舶作为一 种可移动的污染源，其排放控制法规已经被提到议事日程上来。据有关机构估计，从事 国际贸易的船舶所产生的氮氧化物占世界氮氧化物排放总量的4 ，而硫化物占7 。为 了限制船舶柴油机的排放，国际海事组织制定了船用柴油机n o x 排放的控制标准，即 m a r p o l 7 3 7 8 防污公约附则v i “防止污染空气规则”，此附则己于2 0 0 0 年1 月1 日生 效。 m a r p o l 公约附则v i 规定的n o x 的排放标准为柴油机单位制动功率排气中n o x 的质 量流量( 单位：g k w h ) ，因此要想对被测试的柴油机的n o x 排放进行判定，必须得到排 气中n o x 的质量流量和柴油机的制动功率。由于大功率船用柴油机本身所固有的体积大、 排气流量大以及狈8 量困难等特点，使得排气中n o x 的质量流量不能直接测量，而只能通 过测量n o x 的体积浓度并确定排气质量流量或体积流量，才能推算出排气中n o x 的质量 流量。船舶柴油机的氮氧化物主要是由于大气中的氮在柴油机燃烧过程中被氧化而成。 研究表明高温、富氧以及燃烧产物在高温区的停留时间是决定氮氧化物排放量的三个决 定因素。 针对以上影响因素，本文讨论了用碳氧平衡法计算排气质量流量的过程，同时介绍 了自己设计的计算氮氧化物排放的程序。提出了四种降低船用柴油机氮氧化物排放的措 施：1 ) 降低最高燃烧温度，2 ) 燃烧乳化油，燃油和水混合喷射，3 ) 废气再循环，4 ) 氧化氮的机后处理。 本文的一个重要内容是分别分析了爆发压力、扫气温度、排气被压对主机的n o x 排 放的影响，以及m a r p o l 公约中的n o x 修正系数k h d i e s 进行了讨论。提出扫气空气温度 不应出现在n o x 环境状况修正公式中，而应将大气压力包括在其中，得出了新的修正系 数公式。 通过分析得出：爆发压力、扫气温度、排气被压是影响n o x 排放的主要性能参数， 大气压力应该包括在环境修正系数中。 关键词：船用柴油机；氮氧化物；排放 船用柴油机n o x 排放计算与分析 m a r i n ed i e s e le n g i n en o xe m i s s i o n sc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s a b s t r a c t d u et ot h er e l a t i v e l yh i g ht h e r m a le f f i c i e n c ya n do p e r a t i o nr e i a b i i t y , d i e s e le n g i n ew i l l s t i l lb em a i np r o p u l s i o ne n g i n ei nt h en e a rf u t u r e t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ed e t e r i o r a t i n g e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a u s e db yt h ee m i s s i o n sf r o ms h i pm a i ne n g i n e ，p e o p l ep a ym o r l e a t t e n t i o nt om ep o l l u t i o np r o b l e m so fm a r i n ed i e s e le n g i n e s u n d e rt h i ss i t u a t i o n , i m o i s s u e dt h ea n n e xv io f 哈r p o lc o n v e n t i o n , w h i c hh a sb e e nc a r r i e do u ts i n c ej a n u a r y1 ， 2 0 0 0 r e s e a r c hp o i n t so u tt h a tt h r e ek e yf a c t o r s w h i c hd e t e r m i n et h en o xe m i s s i o n s , 哪 l n a x i m u mp e a l 【t e m p e r a t u r e ，r i c ho x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt h ed u r a t i o ni nw h i c hc o m b u s t i o n p r o d u c t ss t a ya th i g ht e m p e r a t u r ez o n e t h e r e b yt h i sp a p e rp u t sf o r w a r df o u rw a y st or e d u c e n o xe m i s s i o n s ：r e d u c t i o no ft h eh i g h e s tc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，f u e le m u l s i f i c a t i o n , e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o na n ds e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h e 瞒r p o lc o n v e n t i o n , n o xn l a $ $ f l o wr a t e i st ok n o wn o x c o n c e n t r a t i o ni nt h ee x h a u s ta n dt h ee x h a u s tm a s sf l o wr a t e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e c o m p u t a t i o n a lm e t h o dt og e te x h a u s t n k 嘲f l o wr a t eb yc a r b o n o x y g e nb a l a n c em e t h o d t h i st h e s i sa n a l y s e st h r e ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fi n f l u e n c i n go nn o xe m i s s i o no f m a i ne n g i n e r e s p e c t i v e l ya n dd i s e n s sc o r r e c t i o nc o - e 伍c i e n tk h d i e s 缸m f 虹强o l c o n v e n t i o nb yp o i n t i n go u tt h a ta m b i e n tp r e s s u r es h o u l dt a k et h ep l a c eo fs c a v e n g i n ga i r t e m p e r a t u r ei nt h ef o r m u l ao fn o x c o r r e c t i o nf a c t o rk h d i e s ，an e wa n dm o r er e a s o n a b l e k h d i e sh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：m a r i n ed i e s e le n g i n e ；n i t r o g e no x i d e s ；e m i s s i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我- - n i 作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：进日期：二盗纽 船用柴油机n o x 排放计算与分析 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 誊卜 塑董砀 。彰年金月主) 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 柴油机废气排放污染物的种类 柴油机作为船舶主机，在未来的z 0 年或更长的时间内，这种状况不会有很明显的 变化，随着经济的飞速发展和人们的环保意识不断增强，它所带来的排放污染问题也越 来越引起人们的重视。柴油机废气排放物的种类极其复杂，依其对人类的危害性，可分 为有害排放物和无害排放物两大类。无害排放物包括氮( ) 、氧( 0 2 ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 和 水蒸气等，其中c 0 ：对人类无直接危害，故一般作为无害排放物看待，但它对地球气候 产生的温室效应会给人类带来较大危害。在隧道、坑道等地下作业场合，柴油机排出的 c o ：也会对人体健康产生潜在的影响，因而有时也把c 0 ：视作有害排放物。 有害排放物又称污染物，它包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 氮氧化物( n o x ) 、 二氧化硫( s 如) 及微粒等。凡从发动机中直接排出的污染物称一次污染物，上面所列出 的污染物都属于一次污染物。一次污染物排入大气后经光化学反应等化学变化后所生成 的新污染物称二次污染物，如光化学烟雾中的臭氧( 0 3 ) 、过氧酰基硝酸盐( p a n ) 等。有 些污染物，如二氧化氮( n 和醛，既可在柴油机排气中直接找到，也可由光化学反应 产生因此，它们既可归入次污染物，也可作为二次污染物看待。 柴油机的排放物按其物理形态划分，可分为气态排放物( 如c o 、h c 、n o ，及s 0 2 ) 和 微粒排放物两大类。其中微粒一词被定义为除纯水以外，泛指其单个颗粒直径大于 0 0 0 2 的任何固态或液态微颗粒或亚微颗粒。柴油机摊气中所含微粒物质主要由炭、 碳氢化合物、硫化物、铅化物和含金属元素的灰分等组成。含金属元素的微粒主要来自 燃油和润滑油的添加剂以及运动件摩擦所产生的磨屑等。那些以未燃燃油和润滑油为主 的液态夥粒，常在冷起动时在排气管内凝聚，当直径较大时表现为白烟，而当直径较小 时表现为蓝烟柴油机排出的固态微粒其主要成分为炭，故常称为炭烟或炭粒。 1 2 柴油机废气排放污染物的危害性 柴油机的排放污染物对人类，动物、植物、制成品等都有不同程度的危害，任何一 种污染物的危害程度取决于这些有害物质的毒性、它们在空气中的浓度、吸入污染空气 的时间以及每分钟吸入的体积。 1 一氧化碳 一氧化碳是无色、无臭的有毒气体。它虽然对人的呼吸道无直接作用，但被吸入人 体后，能以比氧强2 1 0 倍的亲和力同血液中的血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，阻碍 血液向心、脑等器官输送氧气，使人发生恶心、头晕，疲劳等症状，严重时会窒息死亡。 船用柴油机n o x 排放计算与分析 一氧化碳也会使人慢性中毒，主要表现为中枢神经受损、记忆力衰退等。 2 碳氢化合物 碳氢化台物包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化产物， 如多环芳烃、醛、酮，酸等在内的2 0 0 多种成分，有时简称为未燃烃。人体内吸入较多 的未燃烃、会破坏造血机能，造成贫血、神经衰弱，并会降低肺对传染病的抵抗力。碳 氢化合物由于成分复杂，故其对人类的危害不能简单地以总浓度来衡量，而必须确定其 中有毒成分的毒性及其安全浓度。例如，在碳氢化合物中，甲烷气是无毒的，而甲醛、 乙醛、丙烯醛等则是有毒的。醛类对眼、鼻、呼吸道、皮肤等有强烈刺激作用，一般当 质量分数为0 4 1 酽( o 4p p m ) 时，入眼即可感到刺激。醛类也是柴油机排气臭味的来 源之一。尤其值得注意的是多环芳烃中的苯并芘及硝基烃，它们已被确认为致癌物质。 碳氢化合物的另一大危害是它与氮氧化物在阳光紫外线的作用下，经过光化学反应产生 一种毒性很大的浅篮色刺激性烟雾光化学烟雾。化学烟雾中含有臭氧、过氧酰基硝 酸盐及各种醛、酮等物质。臭氧有极强的氧化力，能使植物变黑、橡胶发裂，其质量分 数达0 。1 1 0 1 ( o 。1p p ) 时就具有特殊的臭味。动物在臭氧的质量分数达i 1 0 。( 1 p p m ) 的环境中4h 时就会出现轻度肺气肿过氧酰基硝酸盐的毒性介于n 0 和n o ，之间。 3 氮氧化物 氮氧化物是燃烧过程中氮的各种氧化物总称，它包括n o 、n 如、n 2 仉、n , o 、n 。0 3 和n 2 魄， 等，柴油机排气中的氮氧化物绝大多数为n o ，而n o , 次之，其余的含量很少n o 是无色 并具有轻度刺激性气味的气体，它在低浓度时对人体健康无明显影响，高浓度时造成人 与动物中枢神经系统障碍。尽管n o 的直接危害性不大，但n o 在大气中可以被臭氧氧化 成具有剧毒的n 0 2 。n o , 是一种赤褐色并带刺激性的气体，吸入人体后与血液中的血红蛋 白作用，成为变性血红蛋白，使血液的输氧能力下降。它对心、肝、肾等也有影响。氮 氧化物也是形成光化学烟雾的起因物质之一，而光化学烟雾曾导致1 9 4 3 年和1 9 5 4 年两 次严重的美国洛杉矶烟雾，使许多人发病。 4 二氧化硫 燃料中的硫燃烧时主要生成s 0 ：，只有1 5 氧化成s o , 。s o ：是无色有强烈气味 的气体，在浓度低时，主要是刺激上呼吸道粘膜。浓度高时，对呼吸道深部也有刺激作 用。当人体吸入较高浓度的s 0 2 时，会发生急性支气管炎、哮喘、发绀和意识障碍等症 状，有时还会引起喉头痉挛而窒息。低浓度s 0 。长期暴露会发生慢性中毒，使嗅觉和味 觉减退，产生萎缩性鼻炎、慢性支气管炎、结膜炎和胃炎此外，如大气中含s 晚过多 时，s o ：则会溶于水蒸气而形成酸雨，会使大片农作物及森林叶子变黄，造成对动、植 物的危害，还会加速许多物质的腐蚀，从而影响自然界的生态平衡。 2 大连理工大学硕士学位论文 船舶柴油机排放废气中的气态s o x 对大气环境的影响近年来越来越引起人们的注 意。据挪威有关机构估计，从事国际贸易的船舶所产生的氧化硫占世界总量的7 ，氧 化氮占4 。在交通密集的海峡，如英吉利海峡。船舶的废气可能是影响空气质量和环 境的重要因素。在港口周围，这些有害气体又危害人类的健康。船舶所产生的氧化硫与 严重毁坏森林和环境的酸雨有关。船舶若使用劣质燃油，将会加重这种污染。 s o , 对柴油机使用的催化剂也有破坏作用，即使很少量的s o 。也会逐渐在催化剂表面 上堆积起来，使催化剂活性降低( 俗称催化剂“中毒”) ，从而使净化效果减弱，甚至危 及其使用寿命。 5 微粒( 跚) 微粒( 亦称颗粒或颗粒物) 对人类健康的危害性与微粒大小及其组成有关。微粒越 小，停滞于人体肺部、支气管的比例越大，对人体的危害就越大，其中0 1 0 5 岫的 微粒对人体危害最大。例如，直径小于o 1 的微粒在空气中做随机运动，它可以通过 呼吸器官到达肺部并附在肺细胞组织中，某些还会被血液吸收直径介于0 1 i g m 的 微粒兼有傲随机运动和沉降运动的特点，它能经呼吸道深入肺砰并粘附在肺时表面的粘 液中，随后在几小时内被绒毛所清除。较大的微粒( 例如大于5 m ) 不能深入呼吸道，常 到鼻、喉处便被阻住。由于柴油机排气微粒粒径分布的峰值通常在0 1 帅左右，故处 于能在大气中长期悬浮的尺寸范围内，因而对人体健康造成很大威胁。柴油机的微粒排 放量比汽油机高的多，约高出3 0 5 0 倍。 炭烟( 也称黑烟) 是燃烧系统微粒排放中最大微粒物质，主要由直径为i 1 1 0 姗的 多孔性炭粒构成，并在其表面凝结或吸附含氢成分一未燃烃以及s o ：等。由于含氢成分 绝大多数可用有机溶剂萃取出来，故称为可溶性有机物。萃取后剩下的炭烟称为干炭烟。 炭烟悬浮在空气中，既影响能见度又污染空气。可溶性有机物，尤其是多环芳香烃等致 癌物质是微粒中威胁人体健康的主要因素。柴油机的炭烟排放比汽油机高的多，汽油 机的排放量一般不超过柴油机的1 3 0 。 与一般的微粒物质相同，炭烟微粒的动力学特性、光学特性及对人体健康的危害性 都与微粒的直径有关。直径小于0 1m 的炭烟对健康的危害最大；直径介于0 1 1 岫 的炭烟微粒对能见度的影响最大；直径大于1 岫的炭烟微粒由于在大气中主要做沉降运 动，故容易被雨雪等冲洗掉，对人类的危害相对较小。 6 二氧化碳 二氧化碳是一种无色、无臭的气体，本身没有毒性，但当大气中含量过高黠，则会 影响肺部吸氧呼碳，使进入血液中的c o , 逐出困难，而形成贫氧现象。在隧道、地下坑 道等封闭空间内，由于c o ；的高度积累也可能使人发生中毒现象，甚至导致死亡 船用柴油机n o x 排放计算与分析 此外，由于地球上森林资源日益减少，而燃料燃烧后排入大气层中的c 0 ：不断增加， 温室效应越来越显著。如大气中c 0 ：含量不断增多，c o 。气体就好像一层日益加厚的透明 薄膜一样，太阳的辐射热量透进来容易，却难以逸出，年积月累全球气候将变暖，这就 在世界范围内造成反常的气候变化，破坏了自然界的生态平衡。 1 3 环境保护与柴油机排放法规 包括柴油机在内的燃烧装置排放物所造成的大气污染十分严重，往往使某些地方的 局部浓度比周围地区的平均浓度高一个甚至几个数量级。为保护人类的生存环境，需首 先确定大气质量标准，然后制定为达到该标准而允许排放源排出有害物质的极限值。表 1 1 列出了我国大气环境质量标准中所规定的部分有害物质最高允许浓度，它们是制定 各种排放源控制法规的依据。在确定具体限制数值时应考虑排放源的密集程度、控制排 放所要付出的投资额以及是否有其他限制办法( 如交通管制措旌) 。 早在2 0 世纪2 0 年代，欧洲已对矿井或坑道用柴油机的c 0 排放进行了限制。但由 于这类柴油机在世界柴油机总产量中所占比例很小，故未引起普遍重视。4 0 年代起汽 车排放污染事件的不断出现引起了公众的普遍关注，1 9 6 1 年第一个正式的排放法规在 美国加利福尼亚州实行，对作为轿车主要动力的汽油机排放进行了限制。以后在6 0 年 代末7 0 年代初开始对柴油机废气排放进行限制。 袁1 1 我国大气中有害物质的最高允许浓度( 摘要) 居住区大气中最高允许浓度车间空气中最高 ( g 3 )允许浓度 序号物质名称 一次日平均( m g m 3 ) 1 一氧化碳 3 0 0 1 0 03 0 2 二氧化碳 0 5 0 0 1 51 5 3甲醇3 0 0 1 0 05 0 4甲醛 o 0 53 5 乙醛 0 0 1 铅及其无机化合物 6 0 0 0 0 7 ( 换算成p b ) 7硫酸0 3 0 0 1 02 8 氧化氮( 换算成n 0 2 ) 0 1 5 5 9飘尘 0 5 0o 1 5 4 大连理工大学硕士学位论文 随着环境污染的日益加剧，人们对环境污染的敏感程度与日俱增，船舶防污染的法 规、技术在近几年的变化非常大，世界各港口国对船舶防污染管理与设施的检查日趋严 格，这些都使得防止海洋船舶污染闯题受到从未有过的重视。保护海洋环境免遭污染损 害，避免船舶因污染问题引起不必要的扣押或经济损失，已经成为国内航运界的共识。 “国际海事组织”( i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ，缩写为i m o ) 从9 0 年代初 就开始着手研究船舶对空气的污染控制问题。经过6 年多的努力，1 9 9 7 年9 月召开的 i m o 7 3 7 8 防污公约”缔约国大会批准了“7 3 7 8 防污公约，( m a r p o l 7 3 7 8 ) 1 9 9 7 年 议定书，该议定书为“7 3 7 8 防污公约”新增了一个附则，即“防止船舶造成大气污染 规则”，其中第1 3 条对柴油机规定了n o x 排放的限制值还通过“船用柴油机氮氧化 物释放控制技术规则”( t e c h n i c a lc o d eo nc o n t r o lo fe m i s s i o no fn i t r o g e no x i d e s f r o mm a r i n ed i e s e le n g i n e s ) 。该附则现已正式实施，将追溯至2 0 0 0 年1 月1 日，即 对2 0 0 0 年1 月1 日或以后建造的船舶，柴油机功率超过1 3 0 k w 的，其氮氧化物排放应 控制在限制范围内，其次有关s o , 限值，限制使用的燃油硫分不大于1 5 。一些经济 高度发达的国家对柴油机排放的限毒尤为苛刻，其处罚也尤为严厉。“7 3 7 8 防污公约” 附则v i 对硫氧化物的一般要求规定，船舶使用的任何燃油的含硫量质量分数不得超过 4 5 。在s 0 2 排放控制区的船舶所使用的任何燃料中，硫含量质量分数均不得超过1 5 。船舶可使用经主管机关按i m o 制订的导则认可的废气净化系统将船舶的硫氧化物总 排放量( 按s o x 排放的总重量计) 减少至6 0g ( k w h ) 或以下。也可使用其他技术将硫 氧化物总排放量限制在同等水平，但应经主管机关按i m o 导则认可。附则v i 指定波罗 的海为s o x 排放控制区。 i m o 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。表1 2 列出了g b 8 1 8 9 8 7 的关 于柴油机的排放水平的限制。我国也开始制定有关限制性指标，如已经实施的我国g b n 2 6 7 - - 8 7 对运输、船用柴油机的排放限制中规定：当平均有效压力p o 3m p a ，燃油消 耗率g 2 1 4 9 ( k w h ) 时，n o x 限值为2 9 9 ( k w h ) ：在燃油消耗率g = 2 1 4 - 2 6 8g l ( k w h ) 时，n o x 限值为2 5 1 4g ( k w h ) ；在燃油消耗率g 2 6 8g ( k w h ) 时，n o x 限值为 1 1g ( k w h ) 。瑞典最近提出，国内船舶( 如渡船) n o 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 cr 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。挪威的目标是使国内航运每年减少1 0 0 0 0tn o x ( 大约为总量的2 0 ) 的排放 置。估计波罗的海国家也会有类似的计划。如果不符合t m o 规则，就可能会以增加港口 使用费的手段加以控制。 船用柴油机n o x 排放计算与分析 表1 2 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 ( k w h ) ( g k g ) 燃料 m p a g ( k w h ) 0 0 n 0 x0 0 n o x 2 2 6 2 3 81 02 1 0 3 2 3 8 2 5 zi o1 7 2 5 2 2 6 81 01 4 2 6 81 01 1 美国环境保护局( e p a ) 曾提出过一个控制船用柴油机n o x 排放的建议案，让船舶人 员船东自行决定他们机器的n o 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 o 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 后来又 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 排放水平限制在质 量分数1 0 0 x1 0 - * ( 1 0 0p p m ) 或更低的法规已经实旖。 柴油机有害成分的排放浓度或排放率不仅与柴油机结构、调整参数有关，而且随不 同工况条件而变化，试验时的不同取样方法和使用的分析仪器也会影响数据的可比性。 为此，在柴油机排放法规中除规定有害成分的具体限制值外，还对排放试验规范，包括 由规定的一系列工况( 转速、负荷、运行时间) 所组成的试验循环，试验时的大气条件和 油温、水温。取样系统和检测仪表，试验结果的修正和计算方法等作具体规定。不同用 途的柴油机有不同的排放试验规范。 1 4m a r p o l 公约附则v i 的实施对船用柴油机发展的影响 i m o 排放规则的实施，对柴油机和船舶均是一个很大的挑战，为满足排放法规的要 求，在取得主管机关签发的国际防止空气污染证明时，必须按法规的程序和规定的分析 仪器对柴油机排放进行测量。m a r p o l 公约附则v i 规定的n o x 的排放标准为柴油机单位 制动功率排气中n o x 的质量流量( 单位：g ( k w h ) ) ，因此要想对被测试的柴油机的n o x 排放进行判定，必须得到排气中n o x 的质量流量和柴油机的制动功率，然后通过计算， 6 大连理工大学硕士学位论文 与公约中的标准进行比较。由于大功率船用柴油机本身所固有的体积大、排气流量大、 测量困难等特点，使得排气中n o x 的质量流星不能直接测量，只能通过测量n 0 x 的体积 浓度并确定排气质量流量或体积流量，才能计算出n o x 的质量流量。但是目前实地现场 对其n 0 x 排放的逐项参数测量需要很多人力和物力，而且还存在着测量精度不太高等问 题。 1 4 1 对船舶柴油机使用燃料的影响 船用柴油机废气中氧化硫( s 0 x ) 排放物的多少主要是由燃油中的硫分含量所决定 的，燃油中的硫分在柴油机燃烧过程中氧化为氧化硫( s 0 x ) 。为了控制氧化硫( s 0 x ) 的排 放，在姒r p o l 公约附则v i 中，对燃料的含硫量做了明确的规定，即不得大于4 5 & m ) ， 并且设立了氧化硫( s o x ) 控制区，在氧化硫( s o x ) 控制区内，所用燃料的含硫量不锝大于 1 5 ( m m ) ，废气中的氧化硫( s 0 x ) 含量不得大于0 6 9 ( k w h ) ( 折合成二氧化硫( s 0 x ) 计) 。姒l l p o l 公约附则v i 对燃料含硫量的规定对目前主要以低质燃料油为主要燃料的 船舶柴油机来说将存在重大的影响。低质燃料油的使用是船舶柴油机发展中的一项重要 技术成就，它可l ；i 大幅度降低船舶营运成本，同时可以合理使用石油资源，由于中东地 区石油的储量占世界石油储量的6 6 4 ，以其为原料生产的低质燃料油的含硫量较高， 甚至可能高达5 ，为了满足m a r p o l 公约附则v i 的要求，特别是在氧化硫( s 控制区 内，降低燃料含硫量是减少废气中氧化硫产物的唯一有效方法。当然，进行脱硫处理后， 燃料的价格也会上升，燃料费用增加。另外一种除去废气中氧化硫的方法是水洗，但是， 在每一条船上装设庞大的氧化硫处理设各，不论从经济角度，还是从环保角度，都是不 可取的。采用其他清洁燃料当然可以满足姒r p o l 公约附则v i 的要求，但以目前的技术 水平和生产，运输，贮存能力，还不可能全面取代石油产品。 1 4 2 对船舶柴油机的影响 影响氦氧化物( n 0 x ) 生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程，它和柴油机的结 构、工作过程参数、运行工况、各辅助设备和系统的工作质量都有关系。控制氮氧化物 ( n o x ) 排放的方法主要是机内处理和机后处理。机内处理方法的关键是控制燃烧过程， 目前的主要途径是开发污染物排量低的直喷式燃烧室，以寻求同时满足排放标准和提高 柴油机的热效率，另外，推迟喷油、废气再循环( e g r ) 、采用可变控制机构以及燃油水 乳化等方法也能达到目前规定的排放标准，但会使柴油机的热效率下降，运行经济性变 差，并且，排放标准更加严格时，这些方法难以满足要求采用机后处理方法虽然不会 影响柴油机的热效率，但设备的增加必然引起船舶初造价的提高和船员维护管理工作的 增加。尽管如此。在可以预见的未来或更长时问，柴油机仍将是最主要的船舶推进发动 7 船用柴油机n o x 排放计算与分析 机。 1 5 我们所面临的挑战 现在，在试验台上所有的新的柴油机均符合i 鼢排放规刚( e i a p p 证书) ，但是， 他们缺少在船上的最初测试( i a p p 证书) 。附则v i 已经批准了，所有船舶都必须测试 以获得最终的i a p p 证书。新柴油机将在试航期间被测试，而自2 0 0 0 年1 月1 日起引入 的柴油机将不迟于第一次进船坞大修，但是决不能迟于使用后三年内强制执行。对于新 的排放限制的讨论将在i m 0 内再次开始，首先是关于附加的n o x 降低量，以及关于其它 排放零件。现存“旧“柴油机的议题将再次浮现。由于实船测试时海况的时时变化，发 动机有效功率难于稳定，致使有害排放物的浓度值也较难稳定。有效功率动态变化，选 取测量时间的不同，测量值将比本段时间内的平均值偏高或偏低，这样将会使n 0 x 的计 算结果偏高或偏低。因此有必要掌握和熟知i m 0 关于n 0 x 排放的相应的规则及排放量的 计算方法，有利于将来n 0 x 排放物的实船测试，便于我们更好的执行该规则。 大连理工大学硕士学位论文 2m a r p o l 公约附则v i 中对n o x 排放试验的测试要求 2 1 柴油机族、组认证 根据m a r p o l 公约通则规定，为避免对每台发动机进行认证测试以证明符合n o x 的 排放限制，可采纳两种认可的概念之一，即发动机族或发动机组的概念。 ( 1 ) 发动机族概念用于任何系列化生产的发动机，该发动机作为产品使用，其设计 证明具有相似的n o x 排放性能，并能在装船过程中无需进行对n o x 的排放造成不利的任 何调整和改造。 ( 2 ) 发动机组概念用于具有相似用途的小系列生产的发动机，该发动机在船上安装 或使用过程中需要作轻微的调整和改造。这些发动机通常是用于主推进的大功率发动 机。 ( 3 ) 发动机制造厂最初可根据自己的决定确定发动机是否属于发动机族或发动机组 的概念，通常适用类型基于试验台试验后，柴油机是否将进行改造以及改造到什么程度。 公约中规定了发动机族和发动机组的运用原则，依照这一原则，生产厂家在试验前 应确定发动机族和发动机组所包括的机型，并确定具有代表性的母型机，若选定的母型 机n o ；排放合乎规则限制，则其包括的其它机型也确定满足排放规定要求。 2 2 测试项目 目前，排气中n o x 质量流量还不能直接测量，只能通过测量n o x 的体积浓度( 即p p m 值) 并确定排气质量流量或体积流量，才能推导出n o x 质量流量。这种间接铡试方法是 相当繁琐和复杂的，但我们认为它是目前唯一实用的方法。其主要测试项目如下： ( 1 ) 当对柴油机族的母型杌进行测量时，首先要进行环境条件检验，只有当环境参数 f a 在给定范围内时，才允许进行试验； ( 2 ) 对测试时所用的燃油进行分析和化验，确定其组分和各组分的质量份额( 主要包括 燃油的含碳量、含氢量、含硫量、含水量、含氧量等) ，以便计算单位质量燃油完 全燃烧肘所需的干空气质量； ( 3 ) 利用氮氧化物( n o x ) 测试仪器对柴油机废气的氮氧化物( n o x ) 容积份额进行测量，确 定其p p m 值； ( 4 ) 对废气的气体状态进行测量，确定废气的压力、温度等参数； ( 5 ) 测量柴油机的有效功率，且该功率必须按公约规定进行校核； ( 6 ) 对燃油消耗率进行测量及其它柴油机性能参数的测试； ( 7 ) 对柴油机排气的二氧化碳( c 0 2 ) 、一氧化碳( c o ) 未完全燃烧的碳氢化合物( h c ) 以及 9 船用柴油机n o x 排放计算与分析 含氧量进行测量。 2 3 测试要求 ( 1 ) 对柴油机族认可的试验条件参数f a 及试验有效性确定如下： 对于自然抽吸和机械增压式柴油机 f a = k ( n 9 9 ) t , 2 9 8 ) ( 2 1 ) k n 对于有或无吸入空气冷却的涡轮增压柴油机 r a - k p s ) 怯 ” c z z ， 式中：p s 一总压力，k p a t 按下式计算： p s = p b - p a r a ( 2 3 ) p a 噘入空气的饱和蒸汽压力，k p a ； r a 一吸入空气的相对湿度，； t a 一吸入空气的绝对温度，k 。 对于被承认的试验，其f a 值应在下述范围之内 0 9 8 f a 1 0 2 ( 2 ) 冷却系统应按参考的转速和负荷条件进行调整，吸入空气的温度和冷却器前 后的压差应在锫4 造厂规定的+ 4 k 和+ 2 k p a 范围之内。所有安装上船的柴油机应能在2 5 环境海水温度下，在附则v 1 1 3 ( 3 ) 项规定的n 0 x 排放限值内运转。 ( 3 ) 排放量的计算是基于未修订的制动功率。所谓制动功率是指在发动机仅配有 试验台运转所必需的标准附属设备时，曲轴输出端测量所得的功率对于柴油机安装的 非必需附属设备，应当从试验台上拆除。对于不能拆除的非必需附属设备，应确定它们 在试验转速下所吸收的功率，以计算未修正的制动功率： p = p m + p a u x( 2 4 ) 式中：p m 在试验条件下，以试验转速运转的最大测得功率； p a u x 收用于试验台的附属设备( 船上不需要的设备如水泵，油泵等) 所吸 收的总功率。 ( 4 ) 试验用柴油机应设置进气系统，该系统应能提供制造厂规定的空气进气节流， 以反映由制造厂规定的柴油机运行条件下的干净空气滤清器，并产生柴油机实际工作 情况下的最大空气流量。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 试验用柴油机应设置排气系统，该系统应能提供制造厂规定的在柴油机运行 条件下的背压，并产生柴油机应用的最大额定功率。 ( 6 ) 应设置柴油机冷却系统，该系统具有足够能力以维持柴油机在卷0 造厂规定的 正常运行温度之下 ( 7 ) 试验用的润滑油规格应予以记录。 ( 8 ) 试验用燃料的性能应予以分析确定，并作记录。如果使用参考燃料，应提供 该燃料的参考规格以及燃料分析。试验用燃料应根据实验目的的选择，其性能及组成成 分应满足1 9 9 6 年的i s o8 2 1 7 中规定的具有适合柴油机类型的d m 级船用燃料。燃料温 度应符合制造厂的建议，应在燃料喷射泵进口处或根据制造厂的要求测量燃料温度，并 记录温度和测量部位。 2 4 排气成分气体分析仪 在下一章中将要介绍的n o x 的排放计算中会涉及到相应气体组分的浓度，如c 0 2 w 、 c o w 、h c 乳c w 等。这些气体组分浓度的测量极大地影响着计算的准确性和拷度，也直 接影响着是否可对该船用柴油机进行发证工作。因此。如何准确的测量排气气体组分的 浓度就成为一件极为重要的事情。准确的测量离不开相应精密的排气成分分析仪，本章 节就将介绍测量各种废气排放物的各主要测试分析仪器，这些仪器设备都符合m a r p o l 公约的相关要求。 ( 1 ) 非扩散红外吸收型分析仪( n d i r ) 非扩散红外吸收型分析仪n d i r ( n o n d i s p e r s i v ei n f i - a r e da n a l y z e r ) 是测定c 0 、 c 0 l 浓度的标准仪器，已经得到了广泛的应用。它对排气中的h c 和n 魄浓度也能测定， 但测量的灵敏度和精确度较差，现在已经被f i d 和c l d 分折仪所代。n d i r 的工作原理 是基于每一种被测气体只能吸收特定波长的红外线能量，且吸收强度与该气体的浓度有 关。对于同浓度的不同种类的气体的吸收系数各不相同，但对同一种气体的吸收系数为 一常数。如c o 能吸收波长为4 5 5 姗的红外线，相应的吸收系数为8 5 ；e o ：则可以吸 收波长为4 4 5 岫的红外线，相应的吸收系数为1 1 0 。对其它波长的红外线能量均被 该气体所传送。红外线通过介质引起的能量变化服从比尔吸收定律。即红外线透过气体 后吸收的能量e a 与该红外线的入射能量e o 间的关系可用下式表示： e a = e o ( 1 一e m ) ( 2 5 ) 式中，e a 一吸收的能量； e 广入射的能量； k ，吸收常数； 船用柴油机n o x 排放计算与分析 c 一待测物质的浓度； l - 气室长度。 如果k c l 值远小于i 时，可将上式展开，并略去二次项及高次项，即可得到以下简 化的近似式： e a = e o k c l ( 2 6 ) 由上式可知，待测气体对红外线的吸收能量e a 与浓度c 成正比，两者呈线性关系， 因此，测得对应于被待测气体吸收的红外线能量的测量值，即可得到待测气体浓度c 。 ( 2 ) 氢火焰离子化检测器( f i d ) f i d 是英文f i b m ei o n i z a t i o nd e t e c t o r 的缩写。f i d 法是目前测定内燃机排气中 碳氢化合物的最有效的方法。其检测极限最小可达1 0 1 数量级，有很高的灵敏性，对环 境温度及大气压力也不敏感。f i d 的工作原理是基于大多数有机碳氢化合物在氢火焰中 产生大量电离的现象来测定h c 的浓度。因电离度与引入火焰中的碳氢化合物分子中的 碳原子数成正比，故此法对于不同类型的烃没有选择性，所测h c 浓度经常用p p m 表示。 f i d 检测器通常是由燃烧器组件、离子收集器及测量电路所组成。为了使f i d 检测器能 正常工作，所用氢气及空气应纯净，以免产生干扰信号：整个集电极系统应有一个较大 的立体角，合适的电场强度与分布，能迅速完全地将离子收集起来；仪表的灵敏度受到 样气与氢气流速的影响，应按使用要求予以正确控制。为了避免高沸点h c 在取样过程 中产生凝结和防止水蒸气冷凝后堵塞毛细管，故有时对包括检测器在内的整个附加设备 进行保温处理。 ( 3 ) 化学发光分析仪( c l d ) c l d 是英文c h e m i l u n e s c e n td e t e c t o r 的词头缩写，是目前测定n o x 的最好设备。 它具有灵敏度高( 约o 1 1 0 ，反应速度快( ( 2 4 s ) ，在o 1 0 0 0 0 1 0 1 范围内输出呈 线性关系，适用于低浓度连续分析等优点。化学发光法长期被用来研究化学反应机理和 化学反应动力学，只是近几十年才用于大气环境监测，目前可用来监铡0 3 、s 0 2 、和n o x ， 其中最有成效的是能够满意地测定n o x 。化学发光法只能直接测定n o 。通常用o 。伪检测 n o 化学发光。n o 和过量的0 。在反应器中混合，互相作用，便产生了电子激发态分子n 0 2 ， 当n o ：分子衰减到基态就放射出了波长为o 6 3p m 的光子。其化学发光的反应机理为： n o + 如= n 仉枣+ o n 0 2 - n 0 2 + h y 式中h 为普朗克常数，y 为光子的频率。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 大连理工大学硕士学位论文 化学发光的强度直接与n o 、0 i 两反应物的浓度乘积成正比，由于在正常工作情况下 也的数量大，其浓度几乎无变化，故化学发光强度正比于n o 的浓度。化学发光反应所 产生的光子，由光电倍增管转换后，经放大器送往记录器检测。 c l d 的基本电子系统是由光电倍增管、高压电源、输出电流放大器和记录仪表组成。 c l d 虽然只能直接测定n 0 ，但如果先在转化器中把n 0 2 转化为n 0 ，再用也检测，则可以 测定n o x ；再利用测定的n o x 和n o 的差值，可以测出n 0 2 的浓度。把n o , 转换成n 0 ，是 利用转换器的表面热效应( 加热到6 0 0 ) 使n 0 。分解成n 0 的。由于转换器的效率对分析 精度有直接影响，故应经常检查，当效率低于9 0 $ 时，则需更换新的转换器 在使用c l d 时，应尽量增大岛的浓度，降低其他成分浓度，以提高测试仪的灵敏度。 使用能透过近红外光的玻璃滤光片，虽能滤去c o 和烯烃的干扰，但不能消除c 0 转移 n 0 ：+ ，的能量致使发光消失的影响，因此在直接取样时，要注意这一影响给测定带来的 精度问题。为扩大测量范围，建议使用四周有冷却介质流冷型光电倍增管。 2 5 其它主要测量设备及其要求 除了上述介绍的各种排气成分分析仪( n d m , f i d ，c l d ) 之外，为测试船用柴油机氮 氧化物的排放，还需要其它一些测量设备。 ( 1 ) 测功器：柴油机台架试验中需要采用水力测功器来测量输出扭矩和功率。测功 器作为负载，并通过测功器实现对工况的调节。测功器工作是应能满足下列要求； 应有足够的工作范围以满足柴油机不同试验工况的要求； 能在柴油机全部转速和负荷范围内稳定运转； 能平稳而又足够精确地调节负荷； 能足够准确地测定负荷 ( 2 ) 油耗仪：柴油机燃油消耗率的测量需要采用油耗仪使用定容积法或定