《船舶柴油机废气成分及限制法规分析2900字》

船舶柴油机废气成分及限制法规分析综述1.1MARPOL公约对船舶柴油机的影响2008年10月份的时候，防污染公约在原有的条件下增加了一些新的排放要求，这将对船用柴油机的以后发展带来很大的影响。在新排的放法规实施以来，为了使船用柴油机的排放值满足排放法规的新要求，在保证柴油机的高热效率条件下，还要减少有害物质的排放，对船用柴油机减排技术的研究越来越多。减少船舶柴油发动机有害物质的排放，主要与减少氧化氮排放有关，以达到极限水平，对船舶柴油发动机产生影响的主要因素是，气缸最大燃烧温度、高温持续时间长以及缸内的富氧量。由于氮氧化物是酸性的气体，可以通过其形成和特性来控制。目前主要的方法是水的掺杂技术，还有发动机机外技术与机内技术，通常是这些技术相互结合在一起的，以减少柴油机的氮氧化物生成。对于机外控制而言，SCR技术它的转化效率相对比较高，而且技术这方面也相对的成熟，是现在节能减排里面最火热的技术之一。它并没有影响到船舶柴油机的热效率，在外部控制技术领域采取的主要措施是有效减少氮氧化物的生成。在第一阶段原有排放的基础上，防污染公约第二阶段的排放限值有效降低到约为22%，有些地区已经实施第三阶段的排放要求，所以说单单凭机内的净化技术已经远远不能满足氮氧化物减排的要求，还需要使用外部净化工艺。如图表2-1是MARPOL附则VI的氮氧化物排放限值。阶段日期NOx排放，g/kwh转速n<130rpm130rpm≤n<2000rpmn≥2000rpm第一阶段2000年17.045•n9.8第二阶段2011年14.444•n7.7第三阶段2016年3.49•n1.9图表2-1是MARPOL附则VI的NOx排放限值因为在船舶柴油机上所燃烧的燃料大多数都是重油，众所周知，重油可是含有很多杂质的。因为它的杂质含量比较多，从而导致在燃烧过程中燃烧的不充分，使得硫氧化物的生成变多。为了减少SOx的排放对环境的污染，防污染公约对于燃料油中硫含量值有明确的规定值。其实劣质燃油就是我们所说的重油，能在高压船用柴油机上使用劣质的燃油，是科学家研究船舶柴油机技术上的一个重要成就。在船舶上使用劣质的燃油不仅能降低了船舶的运营成本，而且充分利用了资源。因为硫氧化物是酸性气体，目前对SOX洗涤方法主要是海水洗涤法和氢氧化钠溶液洗涤法。最近这几年来，为了降低船用燃料的运行成本，保证燃料的硫含量符合排放法规的要求，燃气发动机一直受到人类的高度重视和检验。同时，燃气发动机可以有效降低氮氧化物的排放，已成为现阶段的重要研究特点。1.2柴油发动机排放污染物的种类与危害柴油机在燃烧的时候所排出的废气和剩余产物结合，主要有氧气（O2）、水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）、硫氧化物（SOX）和颗粒（PM）等[2]。其中氧气、氮气、水蒸气都是无毒无害的，它不会对人和环境造成任何危害。尽管CO2不会对人类和环境造成直接损害，但是由于大量的二氧化碳汇集在一起会导致温室效应的形成，所以也要加以控制二氧化碳的排放。水、氧、氮和二氧化碳占总排气量的99.8%。当氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、碳氢化物和颗粒物等，分布到大气中的时候，对人体的健康影响是非常大的，还有对地球环境的危害也是很大的。且已经被各个国家排放法规限制的柴油机排放物，虽然这些气体只占排气总量的0.2%，虽然它的量比较少，但咱们不得不重视。柴油机所排放的废气中的氮氧化物（NOX），它所指是各种氮氧化物的总称，在这里面主要包括NO2、N2O、N2O3、NO、N2O4、N2O5等。船舶柴油发动机所排出的氮氧化物，含量较多主要是NO和NO2，其中NO占90%以上。船舶柴油机排出的氮氧化物，根据其它的发生机制，它可以分为三种类型，燃料型（FuelNOx）、热力型（ThermalNOX）以及瞬时型（PromptNOx）。在这三种类型当中，船舶柴油机所排出的废气，最主要的是热力型和燃料型。（1）热力类型NOX柴油机是压缩发火式内燃机，汽缸内的燃烧峰值温度可以达到1500摄氏度以上，峰值压力通常在6~9Mpa左右。在这种高温、高压的环境下，空气中的氮气与氧气发生反应形成氮氧化物，其反应路径遵循捷尔杜维奇机理。主要反应式如下：O2→2O(1.1)O2+N2→NO+N(1.2)N+O2→NO+O(1.3)N+OH→NO+HO(1.4)根据相关研究表明，热力型氮氧化物的发生量主要由燃烧峰值温度、燃烧时间和氧气来决定的。相当数量的船舶柴油机的排气气体中，热力型的氮氧化物可占NOx总量的76%以上。（2）燃料型NOx船用燃料油通常为重质燃料油，主要由烃类物质和含硫、氮的化合物等组成的。其中，含氮的化合物燃烧产生的氮氧化物称为燃料型NOx。据研究表明，燃料型氮氧化物的生成主要取决于空燃比和燃烧的时间。在船舶柴油机废气中，燃料型氮氧化物约占总氮氧化物含量的18.5%。（3）瞬时型NOx据研究表明，当空燃比较低的时候，燃油会出现不完全燃烧的现象发生。燃料中未燃烧成功的碳氢化合物在高温条件下分解成含碳自由基，与空气中的氮气和氧气反应，形成的氮氧化物，这被称为瞬时型氮氧化物。它可以在较宽的温度和压力范围内生成。在船舶柴油机所排的废气当中，瞬时型氮氧化物的含量通常低于5%。根据国际海事组织(IMO)公布的数据，全球商船年均氮氧化物的排放量高达500-690万吨，占全球人为因素氮氧化物排放量的15%左右。除此之外，船舶柴油机废气排放中的氮氧化物,造成的污染现象具有明显的区域特征。据不完全统计，全球85%的船舶航线分布于北半球，70%的船舶柴油机废气污染现象出现在距离陆地400km内。船舶已成为部分沿海地区的重要空气污染源。据相关统计，香港地区的船舶排放废气污染物的量分别占该地区相应污染物排放总量的44%左右。而珠三角地区的船舶排放废气污染物的量分别占该地区污染物排放总量的30%左右。可见船舶柴油机废气的排放对环境的污染是非常严重的。氮氧化物具有较强的腐蚀性，对人类的健康，动植物和生态系统都具严重的危害。如果吸入一定量的一氧化氮，可使人或动物的血红蛋白发生变性，血液的载氧量发生下降，造成组织行缺氧和中枢神经损伤。吸入一定量的二氧化氮会严重刺激呼吸道甚至引发肺水肿的可能。除此之外，氮氧化物还可以与空气中的水蒸气和氧气发生反应生成硝酸雾滴。相关反应如下：2NO+O2→2NO2(1.5)H2O+2NO→2HNO3+NO(1.6)NOx还可以与工农业所排放的NH3发生式（1.7）生成硝酸盐气溶胶，其所生成的物质可引起发生雾霾天气。HNO3+NH3→NH4NO3(1.7)在太阳光照射条件下的氮氧化物,可与大气中的一次污染物(臭氧、具有挥发性有机物等)反应生成光化学烟雾，并引发严重的二次污染。如果短时间吸入太多的光化学烟雾会严重刺激人类呼吸道的粘膜，还会引起头痛、导致呼吸紊乱和肺功能发生异常，这是在低浓度的时候表现。若浓度达到200ppm的时候,会立刻致人死亡。除此之外，氮氧化物还能够抑制植物叶片生长发育，破坏农作物和植被的生长。据不完全统计得出的数据，全球每年由所排放的氮氧化物污染造成的经济损失可达200亿美元以上。氮氧化物对于人类和生态系统的危害不可以忽视，控制船舶氮氧化物排放刻不容缓。因此，如何有效控制氮氧化物的形成成为本研究的重中之重。1.3NOX的排放控制减少CO和HC产生的最基本方法是使充入的混合气体完全燃烧。然而，很难达到减少NOX的目的。图2-3-1显示了NOX产生的现象，这是最接近理论比率的。燃烧效率越高，燃烧温度越高，特别是在发动机加速时。因此，CO和HC的抑制原理完全相同。与抑制NOX互为矛盾。图2-3-1混合比与NOX发生的关系目前为止对氮氧化物的减排技术可以整理为前处理、初级处理和后处理这三种。前处理主要是的改变燃料特性或使用新的替代燃料一种方式；而初级处理是改变柴油机内部燃烧特性，改善发动机排放；对发动机废气进行化学还原为后处理。如图2-3-2所示氮氧化物排放控制图。甲醇甲醇前处理液化天然气代替燃料 前处理液化天然气代替燃料乳化燃料乳化燃料燃油喷射延迟燃油喷射