船舶柴油机废气排放及控制技术.doc

船舶柴油机废气排放及控制技术 来自：中国港口设备信息网 来源：转载 2009-12-30 10:35:36 摘要：随着航运业的不断发展，船舶柴油机废气排放引起了许多国家和国际组织的重视。文章从IMO制定的防止船舶造成大气污染规则出发，总结了SOx、NOx的生成过程和产生的危害，介绍了当前降低SOx、NOx排放污染物的技术措施，并讨论和分析了各种措施的可行性及其优点和适用范围。关键词：船舶SOxNOx 排放控制技术1.前言随着经济全球化进程的加快，国际贸易和船舶运输得到了空前发展，海上货运量逐年大幅度增长，船舶吨位和尺度也在不断增加。在繁荣世界经济的同时，以石油产品为燃料的船舶废气排放造成的环境污染日趋严重。在全球范围内，船舶柴油机废气排放造成的大气污染和温室效应已受到IMO、MEPC、WHO等国际机构和各国政府部门的高度重视。据挪威向国际海事组织提供的资料显示，到2000年船舶年排放NOx达602万吨，占世界排放总量的7%；SOx达634万吨，约占世界排放总量的4%。欧盟的一项调查表明，2005年仅欧洲沿海、近海航行货船排放CO2接近欧洲大陆工业部门CO2排放总量的50%。联合国最近公布的一份调查报告显示，全球船舶运输业每年的CO2排放量约占全球总排放量的4.5%，数字十分惊人。目前，各相关组织和国家纷纷制定各种标准、公约和法律以及投入资金研发新技术，力求最大限度地减少废气排放对人类造成的危害。2.船舶废气的产生及排放2.1船舶废气的组成和危害柴油机排出的废气是由燃烧产物与剩余空气组成，可分为有害成分和无害成分两类。无害成分为燃料的完全燃烧产物，如二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、过量空气以及残余氮气等，它们对生物无直接危害。其中CO2虽然不会对环境产生直接危害，但由于CO2的大量聚积会形成地球气候的温室效应而有害。有害成分包括一氧化碳(CO)、氮氧化物NOx)、碳氢化物(HC)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、臭氧和微粒物质等。SOx主要是燃料所含硫的燃烧产物，以废气的形式排放于大气，尤其是SO2容易氧化形成酸雨给人类带来危害。NOx中绝大部分(90%以上)是NO，少量是NO2。NO是无色气体，在大气中会缓慢氧化成NO2。NOx是在地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。2.2排放控制标准为了减少船舶排放造成的大气污染，1997年9月，国际海事组织在伦敦通过了MARPOL73/78公约1997年议定书，新增了MARPOL73/78附则VI防止船舶造成大气污染规则。该附则对于船舶废气中的硫氧化物和氮氧化物的排放含量作了限制，禁止故意排放消耗臭氧层的物质，附则规定了燃油中硫的含量不超过4.5%m/m的上限，并呼吁国际海事组织在议定书生效后监控全球燃料的平均含硫量。附则VI规定2000年1月1日起输出功率超过130kW的柴油机，其NOx排放限制如下：当转速低于130r/min时，NOxF17.0g/kwh；当转速在130n2000r/min时，NOx45.0n-0.2g(kwh)；当转速n2000r/min时，NOxF9.8g/kwh。该规则已于2005年5月19日生效。2008年10月国际海事组织MEPC第58次会议召开，会议一致通过了MARPOL附则防止船舶造成大气污染规则的修正案。附则的主要变化是渐进地减少船舶废气的含硫量。从现今的4.50%减少到3.50%(2012年1月1日生效)，最后达到0.50%(2020年1月1日)。含硫废气控制区SECAS将于2010年7月1日起实行1.00%控制量(现在是1.50%)，并于2015年1月1日起进一步减少至0.10%。氮氧化合物(NOx)排放控制量的渐进减少最严格的措施所谓“散型”(Tier)主机也得以通过。这类主机将在2016年1月1日起安装在船上并要求在排放控制区使用。新修订的附则将通过成员国递交提案致IMO，对SOx，颗粒物、NOx以及这三种船舶排放物分别或三类一道设置排放控制区来防止、减少并控制三类排放物。该附则修正案按照默认接受程序于2010年7月1日起生效。3.船用柴油机有害气体排放控制技术3.1控制SOx排放量的措施目前，减少SOx排放量的主要方法有：使用低硫燃料和排烟脱硫。为了更大程度地减少SOx的排放量，排烟脱硫处理将是今后船舶防止SOx污染的主要发展方向。3.2控制NOx排放的措施NOx排放的控制措施大体可分为燃料预处理、工作过程处理和排气后处理三类。其中预处理可分为：采用低氮燃油或燃油乳化等；过程处理包括：废气再循环、喷油定时延迟、改变喷油器参数及燃油-水分层喷射；后处理包括：废气再燃烧处理和催化还原法处理。3.2.1燃油乳化燃油乳化，是指燃油在喷入气缸前，在燃油中混合一定的水份，并在超声波和机械搅拌的作用下，将重油乳化成为油包水的油滴。喷入气缸后由于水蒸汽的“微爆”作用使油滴破碎成更细小的油滴，因而促进了混合气的形成和燃烧。燃烧过程中，由于水的吸热作用，可降低最高燃烧温度，水与油混合喷入还可以降低燃油密度，使最高燃烧温度进一步降低，从而减少柴油机的NOx排放量。3.2.2废气再循环废气再循环EGR(Exhaust Gas Recirculation)是指让柴油机的一部分排气引回进气管，与新鲜空气混合后作为工质参与气缸内的热循环。EGR作为控制NOx排放的一项有效措施，越来越受到重视，对柴油机用EGR的研究已取得了一定的成果。废气再循环之所以能使排气中NOx浓度下降，研究认为： 第一，柴油机排出的废气中由于含氧量少，废气循环到气缸内，使燃烧时反应混合物中的氧含量与不循环时相比，有显著降低。燃烧和爆炸过程中NO的生成速度与氧浓度的平方根成正比，因此NO的生成反应速度降低，于是废气中的NOx浓度也相应下降。 第二，废气中含有较多的水蒸汽和CO2，在高温下，水蒸汽和CO2的比热比空气大得多。若燃料油的燃烧热值一定，燃烧混合气比热大者，会使燃烧过程所达到的火焰温度较比热小者为低。由于在燃烧和爆炸过程中，NO的生成速度与燃烧绝对温度成指数关系，因此燃烧温度的降低导致废气中NOx的浓度降低。通过对机型为4T50MX柴油机进行EGR的实验，如果15%的废气再循环，将导致发动机进口空气的氧气浓度由21%降至18%，那么NOx的浓度将大大降低。从原理上讲废气既可在增压器前循环，也可在增压器后循环，但不论是哪种情况，引入再循环的废气均需冷却(温度降到160180左右)和清洁。废气循环法净化NOx的优点是：废气净化效率高，能有效降低NOx的排放，简单经济，便于应用，操作方便，易于控制。但是，如果使用不当的话，也会招致冒烟和其它有害排放物的增加。其次，在船上使用时，含有未加处理的硫和未燃烧完的HC、烟灰等污染物会造成润滑油的污染和柴油机的磨损。3.2.3延迟喷油定时延迟喷油定时是在燃烧过程中降低NOx发生量的简便有效方法。延迟喷油定时的作用主要是使燃料燃烧所形成的温度颠峰值降低，但会使油耗略有增加。对于经常在热带航区运行的船舶动力装置，由于冷却水温较高，利用此方法能将NOx的排放量减少10%15%。通过调整喷油规律，减少上止点前喷入气缸燃油量；或者调整气阀正时，降低最高燃烧温度和压力，均可减少NOx的发生量。此外，改进喷油器结构，如减少喷油器压力室容积，改动喷油嘴喷孔数目、孔径和长度等，也是控制NOx排放的有效措施之一。另外，采用柴油机电子控制技术或智能喷射系统，既可优化柴油机的控制，又可提高柴油机的运行经济性，同时也可实现低NOx排放，当是解决柴油机低污染排放和保证柴油机性能之间矛盾的良好方法。3.2.4燃油-水分层喷射实现方式是通过组合的喷油器将水和燃油喷入燃烧室，实现水与燃烧混合气的混合。如果需要也可以在不影响柴油机工作的情况下屏蔽掉喷水系统。此项技术可降低柴油机的热负荷，并提高柴油机运行的清洁性，能降低NOx排放50%60%；但是该技术会导致燃油消耗率略有提高。燃烧含硫量较高的燃油时需考虑燃烧室材料和采用特殊的喷嘴。3.2.5废气后处理法废气后处理又称为二级处理，是对废气中已生成的NOx进行处理，减少它对大气的排放量。有效的方法是催化还原法(Selective catalytic reduction)，简称SCR系统。用尿素作还原剂，尿素含氨、无毒，便于船上保存。将浓度为40%的尿素溶液喷入SCR系统，在350450排气温度下，利用催化剂，氨能有选择地与NOx起化学反应，生成无害的N2和水蒸气。4NO+4NH3+O24N2+6H2O6NO2+8NH37N2+12H2O国外一些柴油机制造厂早已开始SCR在实船应用的开发研究工作。从目前取得的成果看，已完全满足了IMO规定的2005年排放标准。3.2.6其他控制措施调整压缩比，高压缩比对减少NOx排放和燃用重油不利，但对减少烟度颗粒排放有利，它可弥补喷油延迟所造成的热效率降低。如果为了降低NOx排放，调低压缩比，那么柴油机的运行功率就会下降。但是，降功率运行会使燃烧不良，热效率降低，烟度增加。只有通过调整喷油定时、气阀定时和喷油压力来实现或克服