浅谈船舶柴油机废气排放污染及控制技术新.doc

浅谈船舶柴油机废气排放污染及控制技术刘晓丽（渤海船舶职业学院 动力工程系，辽宁 葫芦岛 125000）摘要：通过对船舶柴油机废气的组成及危害的研究，讨论了NOX 、SOX及微粒排放的控制技术。关键词:船舶柴油机；废气排放；控制技术中图分类号：U6741 文献标识码：A 文章编号：2009061618Emission pollution and control technology of marine dieselLIU Xiaoli (Power Engineering Department, Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao, Liaoning 125000)Abstract：By researching the composition and hazard of exhaust gases of marine diesel，the control technology of NOX, SOX and particles emission is discussed.Key words: marine diesel; exhaust gases emission; control technology0.引言柴油机作为船舶主机已有近百年历史, 其可靠性和经济性已得到极大的改善和提高。但是, 自70年代初全球性能源危机以来,出于燃油经济性考虑，越来越多的船舶柴油机燃用劣质燃料油, 因此, 在航运业不断发展的同时, 船舶柴油机废气排放对大气造成的污染也越来越严重。1997年世界海事组织IMO 大会通过了MARPOL公约附则VI ,即防止船舶所造成空气污染的规则,对船舶有害气体的排放提出了限制要求。这样,在保证发动机的高效率和低制造成本的前提下进一步降低柴油机的排放污染,已经成为柴油机制造业在21 世纪所面临的新任务。1.柴油机废气组成及危害柴油机废气排放污染物可分为两类:气态物质和颗粒物质。气态物质包括NOX、SOX、COX、VOCS等,颗粒物质包括碳粒、烟尘等。这些污染物被直接排放到大气环境中,其理化特性未发生变化,属于一次污染物,是造成大气污染的主要原因和直接来源。柴油机排放中气态物质的主要成分为NOX 、SOX 、HC、CO2等。NOX是在燃烧的燃油喷雾内形成的，燃烧过程中的最高温度和氧气浓度是主要的影响因素。据粗略估计，燃烧温度增加100，NOX的含量将增加3倍。在高温下,氧气和氮气直接反应生成NO ,随后在膨胀和排气过程中,部分NO 将转变成NO2 和N2O，在大气中NO 将继续转变成NO2而NO2是一种有毒的棕色气体，,在大气中被人体吸入肺部后能与水分生成可溶性硝酸而引起肺气肿,另外滞留在空气中的NO2 将被雨水冲洗掉,增加土壤的酸度,影响植物的生长。SOX是燃油中硫分氧化而生成的。随着高硫分、低品质燃油的大量使用,生成的SOX随之增加,废气中的SOX也不断增多。在排放的SOX 中,主要成分是SO2 和SO3 ,其比例通常是15 :1 。与NOX一样,废气中SOX被排入大气后,一方面污染了空气,另一方面大气中的SOX会随雨雪而降至地面,增加土壤的酸性,影响植物的生长,严重地破坏了自然界的生态平衡。CO是由于燃油和空气不能充分混合,燃烧过程不完全而生成的,也是一种有毒气体。目前柴油机都有着较高的过量空气系数和完善的燃烧过程,因此,一氧化碳的排放量是非常小的,而且一氧化碳是可燃化合物,随着柴油机燃烧过程的更加完善,一氧化碳的排放量会越来越小。燃油中的碳在气缸中燃烧做功后会产生一定量的CO2 。一般来说,降低油耗、使用含碳量相对较低的燃料是降低二氧化碳排放的有效手段。 微粒排放(PM) 主要由燃油不完全燃烧的碳烟及燃油、气缸油中的灰分形成的金属氧化物和硫酸盐微粒。二冲程柴油机颗粒排放约在0.81.0 g/kWh 之间。碳烟的危害不仅在其本身对人呼吸系统有害,而且其中含有较多的多环芳烃强致癌物,如苯并芘等。一次污染物在大气中受到阳光和其它物质的作用,发生复杂的化学变化而形成新的污染物,称为二次污染物。二次污染物对环境和人体的危害通常比一次污染物更为严重。燃料燃烧时会排放出大量的碳氢化合物和氮氧化物在阳光的作用下发生光化学反应,生成臭氧(O3) 和过氧乙酰硝酸酯( PAN) 等二次污染物,产生光化学烟雾从而造成一系列环境影响。由此可见,船舶排放的有害气体对全球大气环境的污染已经相当严重,并已成为当今国际社会密切关注的焦点。2.废气污染的控制技术如上所述,在柴油机的排放中,NOX 、SOX和微粒排放的危害性最大也最直接,因此减少NOX 、SOX和微粒排放成为降低废气污染的主要控制目标。以下介绍这三种污染物的控制技术。2.1 NOX排放的控制技术目前降低NOX 排放的基本途径是在柴油机燃烧期间抑制NOX 的形成数量和通过对柴油机排气的后处理,以降低废气中NOX 的含量。2.1.1优化机构设计和工作参数通过机内优化设计和电控,改变燃烧过程,可以降低最高燃烧温度,从而降低NOX 排放量。如推迟喷油提前角使燃烧推迟、采用分隔式燃烧室和优化供油系统等均能减少NOX的排放。近年来发展的柴油高压共轨电喷技术,能实现柴油机在不同负荷情况下优化喷油提前角和喷油压力。在降低了燃油消耗率的基础上,同时也降低了NOX的排放。目前这一车用发动机上应用较广的技术,正逐渐被船舶柴油机所采用。2.1.2直接喷水(Direct Water Injection ,DWI)和燃油乳化( Fuel - Water Emulsions, FWE)技术燃烧室喷水技术也是在燃烧过程中降低了最高燃烧温度,从而降低NOX 排放量。喷水技术实现方式是通过组合的喷油器将水和燃油喷入燃烧室,由于缸内温度较高,喷入燃烧室的水被蒸发,进而吸收缸内的热量,使缸内温度下降。在减少NOX 排放量的同时,还可以有效降低柴油机的热负荷。燃油乳化技术也可以降低燃烧过程中的最高燃烧温度,从而降低NOX的排放。但此项技术仍存在不足,如大负荷时柴油机几乎不能正常运转,因此燃油乳化技术未被推广开来。2.1.3选择性催化还原技术( Selective Catalytic Reduction, SCR)SCR技术降低NOX排放的原理是通过还原剂(CH4、H2、CO、NH3 等)将NOX 还原成N2。当今最常用的还原剂是NH3 ,可按下式有选择地还原NOX :4NH3 + 4NO +O2 = 4N2 + 6H2O8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O使用SCR 技术能有效降低NOX 排放85% 90% ,并且不影响柴油机的燃油消耗率和排气中烟度的增加,还具有降低噪声的效果。2.1.4废气再循环技术( Exhaust Gas Recirculation, EGR)EGR的工作原理是通过在进气管中引入排气中的CO2等多原子气体,使燃烧前工质的比热容增大,可以降低燃烧过程中的燃烧温度,同时CO2的引入也使氧的浓度下降,从而使NOX 的排放降低。但对于船舶柴油机来说,使用EGR降低NOX排放的效果较小。因为船舶柴油机平均使用负荷较高,而大负荷工况时过量空气系数又较小,不可能使用较大的EGR率,所以使用EGR降低NOX 排放的效果不好。而且由于涡轮增压柴油机在大部分运行范围内的进气管压力均大于排气管压力, EGR不能像非增压机那样自动实现,过分复杂的设计又往往不受欢迎,因此在涡轮增压柴油机上搞EGR还有一定难度。EGR系统将燃烧过程的燃烧温度降低,因此也会导致PM排放的增加。因此,对船舶柴油机来说, EGR技术尚处于研究阶段。随着排放法规的越来越严格,单纯使用各种机内和机外方法来达到减排的目的,都存在各自的局限性,综合利用机内、机外的多种减排措施,是未来柴油机的发展趋势。当前,DW I和SCR技术可以有效降低船舶柴油机的NOX 排放,可以满足IMO所规定NOX 的排放法规。随着科学技术的发展,为了真正实现节能减排的目的,高压共轨电喷技术将逐步取代传统的燃油供给方式。2.2 SOX 排放的控制技术由于SOX 的生成量与燃油中硫的含量成正比,燃油中的硫分几乎能全部氧化成SOX ,所以只有除去燃油中的硫元素或者通过净化手段全部或部分地去除废气中的SOX ,才能使SOX 的排放量得到控制。作为船舶,只要使用低硫分的燃油即可减少SOX 的排放,但这会增加船舶的营运成本,降低其经济性。因为燃油的价格取决于硫的含量,如果硫的含量从3. 5 %降低到1 % ,则燃油的价格将提高10%20%;还可采用净化手段来去除废气中的SOX,目前使用较多的是海水冲洗技术,它是利用海水呈碱性与SOX 溶于水的基本原理,让排气通过清洗装置,再把溶于水的SOX 排入海中,实践证明此法除硫效果达90% ,即相当于使用含硫量为0.3%的燃油。2.3 微粒排放的控制技术降低微粒排放的有效方法是提高喷油压力,加强燃油与空气的混合,使燃烧过程更加完善,这样可以使微粒排放和耗油量减少。但是这会使NOX 有所增加,并且对喷油系统也提出了更高的要求。目前国外在采用一种新技术,就是在涡轮喷嘴环前安装一个过滤器以除去排气中的微粒,然后用电加热元件把粘附在过滤器表面的微粒加热至自燃温度,使微粒自燃掉。这种方法简单方便,并且不影响NOX 的排放。3.结束语综上所述,降低SOX 、NOX 等排放浓度是解决柴油机排放污染的一项重要途径,如何在不降低经济性的前提下最大限度地减少船舶柴油机的排放污染以符合IMO的要求,是21 世纪船舶柴油机设计研究人员所面临的课题。另外,船舶轮机管理人员也应充分认识到控制废气污染的重要性,加强对船舶柴油机运行管理,使各项性能参数和运行工况均处于最佳状态,从而减少柴油机的排放污染。参考文