船用柴油机尾气排放标准及控制技术_康双琦

收稿日期:2011-07-01;修订日期:2011-08-05 作者简介:康双琦（1981-），女，郑州人,讲师，在读博士，研究方向：流体传动与控制工程。 0引言 尽管柴油机具有效率优势，但其废气排放量却比与之 相当的汽油发动机高出许多， 烟雾的成分也更加复杂，因 此对环境和人体健康的影响更大。根据危害程度，认为柴 油机尾气中的污染物主要是颗粒物（PM）、氮氧化物（NOX）、 硫氧化物（SOX）和一氧化碳（CO）1。其中颗粒物和氮氧化物 不仅危害极大，而且两者在燃烧过程中的成因机理截然相 反，降低一个含量的同时必然会增加另一个。因此，没有一 种有效的技术使它们的排放含量同时降低。随着船舶运输 业的飞速发展，船用柴油机排放污染物正日益影响环境质 量及居民生活健康2。因此，制定并且严格地执行国家级的 船用柴油机尾气排放标准已经迫在眉睫。 1国内外船用柴油机排放控制标准 1.1国际船用柴油机污染物排放标准 国际上对于远洋船舶尾气污染物的排放有相应的规 定， 其中影响较为深远的是1997年9月在国际海事组织 （IMO）总部通过的73/78防污染公约（MARPOL公约）附 则VI。新附则中规定了船舶柴油机废气中NOX、SOX等污染 物的排放限量，这些具体数值基本上反映了当时船用柴油 机生产制造的最高水平。2008年2月初， 国际海事组织进 一步修订了MARPOL附则的部分内容， 修订内容于 2010年7月1日正式生效。图1是IMO规定远洋船舶尾气 中NOX排放限值的实施计划。从图中可以看出，T3规定的 NOX限值比T1降低了80%。显然，随着对海洋生态环境的 进一步要求，今后国际上对船舶柴油机尾气排放中污染物 的限制将会更加严格。 1.2国内船用柴油机排放标准 为了与国际接轨，保证执行IMO有关的公约、规则和指 南等， 我国远洋船舶的柴油机排放标准一直保持着较高的 水准。最新的更新是国务院于2009年9月9日公布的防止 船舶污染海洋环境管理条例，该条例自2010年3月1日起 施行。其中第三章第十五条规定在中华人民共和国海域内， 船舶排放的垃圾、污水、废气等必须符合国际条约及相关标 准的要求7。而我国对专门内河船舶排放的法规控制相对较 晚，2008年，内河船舶法定检验技术规则修改通报颁布实 施，根据船舶的不同，对内河船舶造成空气污染有了强制性 或者推荐性标准。 法规中对NOx排放限值参照了IMO公 约，例如对1000r/min的船舶柴油机，限值是11.3g/kWh。相 比之下，我国的船用柴油机排放标准较为宽松。 2尾气净化技术 目前控制船用柴油机尾气排放的方法主要有机内处 理和机后处理2种。机内处理方法的关键是在柴油机内部 调整进排气、喷油正时，改善燃烧过程，以控制排气中的有 船用柴油机尾气排放标准及控制技术 康双琦， 谢荣， 马婷 （江苏海事职业技术学院， 南京211112） 摘要:研究了国内外船用柴油机尾气污染物的控制标准，阐述了船用柴油机尾气排放方面的主流技术措施，分析 了国内柴油机尾气净化技术的研究现状，最后指出了未来我国船用柴油机技术的发展方向。 关键词:船用柴油机； 氮氧化物排放； 排放控制； 尾气净化技术 中图分类号:X831；X830.5文献标识码:A文章编号:1008-8725（2011）12-0216-02 Analysis on the Criterion and Control of Marine Diesel Emission KANG Shuang-qi, XIE Rong, MA Ting （Jiangsu Maritime Vocational Technology Institute, Nanjing 211112, China） Abstract:The exhaust emission legislations for marine engine was studied, including national and international regulatory issues. Some dominant techniques that can control diesel emission were presented. Research status of domestic engine technologies for exhaust gas purification was discussed, and finally the trend of inland marine diesel technology was indicated. Key words:marine diesel; engine-out nitrogen oxide; emission control; exhaust gas purification technology 图1远洋船舶柴油机污染物排放限值时间表 第30卷第12期 2011年12期 煤炭技术 Coal Technology Vol.30,No.12 December,2011 图2净化尾气排放的技术措施 害物成分。而机外净化即排气后处理，将柴油机排气引入 专门的后处理装置中， 消除其中的部分微粒后再排入大 气。目前，国际上在改善船用柴油机尾气排放方面的主要 技术措施如图2所示。 2.1机内处理技术 出于运营成本考虑， 船舶柴油主机大多使用高硫、高 粘度的劣质重油作为燃料。燃油品质较差，杂质含量高，因 此需要通过沉淀、使用化学添加剂等方式对船用重油燃料 进行处理， 提高柴油机性能的同时， 也可以降低NOx和 SOX的生成。 从燃烧方面考虑，如果燃烧温度越高，高温的持续时 间越长，则生成NOx量越多，因此减少预混合燃烧、降低燃 烧温度可以大大减少其含量。 向燃烧室中注入液态水，不 仅降低了最高燃烧温度、稀释了气态燃烧产物；同时由于 引入大量的氢氧基，促进了碳烟的完全燃烧，可以降低PM 产生。气缸直接喷水是在适当的时间（通常在喷油开始之 前），将水直接喷入燃烧室；燃油喷水乳化法则是将一定比 例的燃油和水混合后喷入燃烧室，两者减少NOx效果可达 50%。而进气加湿法则是通过特殊的空气加湿马达，以淡水 蒸汽冷却的方式， 将增压空气加湿，NOx排放量可以减少 到70%。 柴油机燃烧过程与燃油雾化质量紧密相关，如果燃油 雾化效果越好、油雾越迅速充满燃烧室，燃烧过程就会越 充分，由此产生的NOx和PM就越少。共轨燃油喷射技术 （CRI）采用电子控制系统，允许燃油喷射压力随实际工况 改变，因此与传统的柴油机相比，燃烧更充分、机械效率更 高、尾气更清洁。超高压技术（XPI）、变截面涡轮增压技术 （VGT）与之相结合，不仅可以使喷入气缸的燃油一边运动、 一边雾化、一边燃烧，还可以实现多段喷射，得到理想的靴 形喷油率。MAN B&W公司和Wartsila-New Sulzer公司均 把高压共轨燃油喷射技术作为研发的重点， 分别推出了 ME系列和RT-flex系列柴油机，取得了较好的燃烧效果和 较低的污染物排放。 2.2机外处理技术 只采取机内处理技术已经不能满足日益苛刻的船用 柴油机尾气限排标准。为了更好地控制尾气中PM及NOX 的含量，必须对其进行后处理。目前在各种机外处理技术 中，应用较为成熟的一项是选择性催化还原技术（SCR），可 以降低NOx含量高达90%。它是采用还原剂（一般为尿素 水溶液）对柴油机尾气进行催化还原处理，使之有选择地 和尾气中的NOx进行反应。 安装SCR处理系统的7缸 RTA5U柴油机，其NOX排放量低至2g/kWh。可以预见，采 用SCR技术与CRI技术相结合的柴油机，其燃油消耗量会 更少，NOX排放量会更低。 废热回收技术（WHR）的设计思路是将船舶主机产生 的尾气回收入废气节热器， 产生蒸汽推动涡轮发电机工 作。该技术被认为是航运业减少燃料消耗和碳排放、提高 能量效率的最有效方法。采用Wartsila-New Sulzer公司研 发的WHR装置， 一艘由2 900kW7缸RT-flex84T柴油机 驱动的巨型油船可以由此释放1 000kW以上电力。 2.3国内的研究现状 我国对柴油机尾气排放控制起步较晚，标准也相对宽 松，因此相应的净化技术水平与发达国家的相比存在一定 差距。目前，国内在降低柴油机尾气排放方面的研究重点 基本限于对车用燃油系统和尾气系统的改进。科研人员对 涂层材料及工艺技术、催化剂优化配方及制备技术、催化 剂生产中部分设备及整套工艺、技术规范、催化净化器总 成技术、柴油机消除烟尘和催化燃烧再生技术、尿素SCR 后处理技术等进行了长期应用研究和部分产品的开发研 究，部分关键技术已接近国际先进水平。 随着排放控制标准的逐渐严格，柴油机尾气排放控制 技术得到了长足的发展。但是，就船用柴油机而言，很多技 术正处于发展中。为了达到更好的效果，以满足更加苛刻 的排放法规，诸多问题有待进一步解决。 3结束语 为了应对日益恶化的生态环境，大力发展研究各种柴 油机尾气净化技术， 研发多种净化技术集成的柴油机系 统，是未来大型船用柴油机技术的必然趋势。但是，无论是 从对船用柴油机尾气排放标准的制定，还是对于控制船用 柴油机尾气排放的技术研究来说，我国与世界柴油机发达 国家间的距离是很大的。因而，积极制定较严格的船用柴 油机排放标准，建立可行的执行计划，研发与之相应的节 能减排技术，对于发展我国的船舶柴油机技术而言具有重 要的意义。 参考文献： 1中国海事局.（MARPOL）73/78防污染公约2006综合文本S. 2006. 2EPA. Health Assessment Document