船舶废气排放控制技术

船舶废气排放控制技术

1.2排放控制标准MARPOL73/78附则VI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的物质，附则规定了燃油中硫的含量不超过4.5%m/m的全球上限，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。附则还设立波罗的海区域、北海区域为硫氧化物排放特别控制区，从而对硫的排放进行更严格的控制，在上述区域，船舶使用的燃油中硫的含量不得超过1.5%m/m，或者，船舶必须要安装废气清洁设备或者使用其它技术手段控制硫氧化物的排放。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：1.对转速低于130r/min 的低速柴油机NOx≤17.0g/kw·h。

2.对转速在130r/min N2000R min时，NOx≤45.0×n(-0.2)g kW•；h。

3.对转速n 2000r/min，

NOx≤9.8g/kW•；h。国际海事组织(IMO)防止大气污染规则的生效，导致各国对船舶柴油机排放的进一步认识，出台一系列地方排放标准或国家船舶排放控制计划，如瑞典提出，国内船舶(如渡轮)NOx排放限制为24kW•；h。挪威的目标为国内航线每年减少10000tNOx(大约总量的20%)，估计波罗的海国家也会有类似的计划。如果不符合IMO规则，就可能以增加港口使用费的手段加以控制。2船舶废气SOx、NOx的生成特征SOx主要是燃料中的含硫的燃烧产物，以废气的形成排放于大气，尤其SO2容易氧化形成酸雨危害人类，因此主要是取决于柴油机所燃用燃料的含硫量。而NOx包括NO、NO2、N2O4等，其中对环境危害最大的是NO和NO2，通常所提及的氮氧化物的污染，即指NO及NO2污染。在柴油机的排气中，NO2的浓度仅占5%，而的N2O4浓度更低，因此，主要研究的氮氧化物便是NO，NO可由空气中的氮生成(称为热NO)，也可由燃料中含氮的成分生成(称为燃料NO)，对于柴油机来说，由于其所使用的燃料中一般含氮量不到0.02%，因此，排气中的NO主要是由空气中所含氮在高温下氧化而成(热NO)其氧化过程为(扩充的捷尔杜维

奇)N2+O→NO+N O2+N→NO+O N+OH→NO+H上述反应中的氧原子是氧气(O2)在高温分解时所产生的，氧原子的存在诱发了NO生成的连锁反应。整个反应过程中第一个式子起决定作用，所以，氧原子浓度以及反应温度对NO生成最为重要。NO生成量还与反应时间有关，如果燃气在高温富氧环境下停留时间长，NO生成量就会增加。因此，高温、富氧和氮与氧在高温环境中长时间停留，是柴油机燃烧过程中促进NO生成的三要素。对柴油机，即使是增压柴油机来说，其压缩行程的气体温度仍不能达到形成NO的程度。在燃烧过程中，由于

自燃着火，先喷人的部分燃料将作预混合燃烧，而其他燃料将作扩散燃烧，预混合燃烧速率很快，又发生在上死点附边，使这部分燃气有最长的焰火反应时间和较高的燃气温度，对NO的生成极为有利，如果参与预混合燃烧的燃料量增加时，气缸内最高温度也随之增加，这不仅使预混合燃烧期内NO生成量增加，而且也造成扩散燃烧前期NO生成量的增加。在扩散燃烧后期，由于热量释放速率大大降低，而活塞下行又使燃气温度下降较快，加之焰火反应时间短，故该时间生成的NO不多。3船舶柴油机SOx、NOx排放控制措施3.1控制SO2排放量的措施目前，减少SO2排放量的主要方法有：(1)使用低硫燃料；

(2)石油脱硫；(3)排烟脱硫。船舶采用的控制措施主要是使用低硫燃料和脱硫燃油，而对排烟脱硫处理将是今后船舶防止污SO2染的主要发展方向。3.1.1石油的脱硫技术其主要采用的是氢化法，利用触媒(通常是Co-Mo和Ni-W)在高温高压的条件下，使石油中的硫分与氢反应形成硫化氢来脱硫，而且，随着能源环境问题的日益严重化，该方法逐步被推广应用在重质馏分，渣油的脱硫发展领域。通常轻馏分的氢化脱硫温度为300~400℃。压力为10~4.kg/cm2。

3.1.2烟道气脱硫技术烟道气脱硫技术广泛用于控制废气污染源、SOx的排放，减少全球范围内的人类活动而产生的排放量，从而有助于改善空气质量，有利于人类身体健康和环境。船舶废气污染物中的SOx主要是指SO2，其性质是酸性的，可以通过适当的碱性物质反应从烟道气中脱除SO2。烟道气脱硫最常用的碱性物质是石灰石(碳酸钙)、生石灰(氧化钙、CaO)和熟石灰(氢氧化钙)。石灰石产量丰富，因而相对便宜，生石灰和熟石灰都是由石灰石通过加热来制取。有时也用碳酸钠(纯碱)、碳酸镁和氨等其它碱性物质。所用的碱性物质于烟道气中的SO2发生反应产生了一种亚硫酸盐和硫酸盐的混合物(根据所用的碱性物质不同，这些盐可能是钙盐、钠盐、镁盐或铵盐)，亚硫酸盐和硫酸盐间的比率取决于工艺条件，在某些工艺中，所有亚硫酸盐都转化成了硫酸盐，SO2与碱性物质间的反应或在碱溶液中发生(湿法烟道气脱硫技术)，或在固体碱性物质的湿润表面发生(干法或半干法烟道气脱硫技术)。在湿法烟道气脱硫系统中，碱性物质(通常是碱溶液，更多情况是碱的浆液)与烟道气在喷雾塔中相遇。烟道气中的SO2溶解在水中，形成一种稀酸溶液，然后与溶解在水中的碱性物质发生中和反应。反应生成的亚硫酸盐和硫酸盐从水溶液中析出，析出情况取决于溶液中存在的不同盐的相对溶解性。例如，硫酸钙的溶解性相对较差，因而易于析出。硫酸钠和硫酸氨的溶解性则好得多。在干法和半干法烟道气脱硫系统中，固体碱性吸收剂或使烟道气穿过碱性吸收剂床喷入烟道气流中，使其与烟道气相接触，无论哪种情况，SO2都是与固体碱性物质直接反应，生成相应的亚硫酸盐和硫酸盐。为了使这种反应能够进行，固体碱性

物质必须是十分疏松或相当细碎。在半干法烟道气脱硫系统中，水被加入烟道气中，以在碱性物质颗粒物表面形成一层液膜，SO2溶入液膜，加速了与固体碱性物质的反应。3.2控制NOx排放的措施船舶柴油机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：采用低氮燃油或甲烷(或LNG)等低氮燃料，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燃油乳化燃油掺水乳化能较大幅度地减少NOx。标准设计的发动机满负荷时可加入20%的水，从燃烧角度来说，这并没有达到极限，曾有过油水比例为1：1的试验，但此时需要对机器做一些改造。使用乳化后的燃油将对NOx的生成量和燃油的消耗率产生一定的影响，其影响程度随机器型号的不同而不同，但在一般情况下，增加一个信分点的水将减少一个百分点的NOx。燃油的乳化必须在其进入燃油系细9循环回路前完成。水的增加量根据排气中测得的NOx量来决定，因此，需要对NOx进行连续监测。对于采用燃油乳化技术的船舶，燃油系统应设置一个特殊设计的安全系统，当船舶失电时，将不会影响油水乳化的稳定性，保证机器再起动时仍可使用稳定的乳化燃油。但燃油乳化技术也有其局限性。水和重质燃油的乳化比较容易进行，也比较稳定；但水与柴油，轻质柴油的乳化就比较困难。当沿海航行需要强制采用低硫燃油时，如果要采用燃油掺水技术就需要设置专门的乳化装置。3.2.2废气再循环废气再循环EGR(Exhaust Gas Re-circulation)是指让发动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，研究认为是由于第一：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的生成反应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，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，引人再循环的废气均需冷却(温度降到160~180℃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发动机的磨损。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，有效的改进方法。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，减少上止点前喷人气缸燃油量；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。另外，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。采用柴油机电子控制技术或智能喷射系统，既可以优化柴油机的控制，又可提高柴油机的运行经济性，同时也可实现低NOx排放，无疑是解决发动机低污染排放和保证发动机性能之间矛盾的较好的办法之一。3.2.4燃油-水分层喷射燃油-水分层喷射SFWI(Stratified Fuel-Water Injection)系统，即缸内直接喷水法，是由日本三菱重工开发的降低柴油机NOx排放的新措施。它与燃油掺水乳化的方法不同，在柴油机的喷油阶段，该系统将水送到喷油器，燃油和水分层喷入气缸，以降低火焰温度。借助该系统，NOx排放的减少量几乎与水、油的相对比率成线性关系，据测定，对于低速柴油机，NOx生成量可降低50%，高速柴油机可降低70%，特别是对于低速柴油机，如果采用油-水-油-水-油组成的多层喷射，在降低NOx的生成量的同时，燃油消耗率增长量也不大。该系统给水量是由一个控制器根据发动机的负载和NOx所需削减水平来控制的，以消耗最小水量达到最大限度减少NOx排放，但燃料喷射系统复杂，必须有喷水装置和喷射期控制装置。用含硫燃料有硫酸腐蚀，船舶使用时必须配备造水装置来供水。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。有效的方法是选择性催化还原法(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%的尿素溶液喷人SCR系统，在350~450℃(排气温度)下，利用催化剂，氨能有选择地与NOx起化学反应，生成元害的N2和水蒸气。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O 6NO2+8NH3→7N2+12H2O SCR已作为一般技术用于近海平台固定柴油机装置。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件。芬兰的Wartsila柴油机公司1992年在瑞典、丹麦间的火车轮渡上，主机Vasa6R32E型机，采用SCR NOx净化装置，净化效果显著，NOx降低85%，CO和HC各降低70%，同时，NEW SULZER RTA，MAN-B&W S-MC和三菱重

工UEL船用低速柴油机均成功地采用SCR NOx净化装置，并在实船应用中取得满意的效果，已完全满足了IMO规定的2005年排放标准。3.2.6其他控制措施其他降低NOx排放措施有：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。但若为降低NOx排放，只有调低压缩比，降功率运行。降功率运行可减少HC、CO和NOx排放量，但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采用天然气，液化石油气或甲烷等代作燃料，也可以有效地减少柴油机NOx排放。天然气的主要成分是甲烷，它占天然气的95%左右。德国戴姆本茨公司将OM407型柴油机改用天然气作为燃料并辅以火花点火时，柴油机输出功率虽由162kW降为120kW，但是NOx和HC排放都由10.75/kW·h降至3.7g/kW·h，CO排放由8.18/kW·h降到2.884KW·h。4结束语IMO(国际海事组织)关于"防止船舶造成大气污染规则"的公布与实施，将对各国航运业产生很大的影响。面对急速发展的世界性限制船舶废气排放的形势，笔者感触至深，谨此谈以下几点体会。(l)世界各国的地理、气候、文化、风土人情各自有别，经济发展的程度各异，但保护人类生存环境是共同关心的，一致性主题，必须限制船舶废气污染物的排放，是世界各国已逐步达成的共识。许多国家在IEIO法规实施之前就已经制订了更为严格的限制标准和相关的计划实施，充分反映出了强烈的环保意识。我国的有关立法工作相对滞后，反映出了我们对环保和形势认识还很粗浅。(2)降低30%NOx，50%SOx是IMO的第1个目标，以后每5年修订一次，限制将愈加严格的趋势是明朗的。这就要求我们在法规、标准的制订和技术研究开发方面应提高起点，努力与国际保持同步。(3)限制船舶废气污染物的排放必须与造机、造船、航运的发展保持同步。如果我们偏废或忽视污染物的排放这一重要方面，那么难免或迟早会由于排放超标而受重罚之苦，因而拿不到IAPP(国际防止大气污染证书)证书而遭被拒于港外之苦。(4)在船舶废气污染物的排放中，SOx和NOx是主要的限制对象。在减少SOx的技术措施中，降低燃油含硫量，使用低硫燃油辅以脱硫装置或海水冲洗法不失为相对省钱，且简单而有效的技术方案。在降低NOx方面，SCR为首选的技术方案，我国应致力于这种新技术的研究及发展，并且应将小型化，减少投资作为发展的主攻方向。(5)要使船舶废气污染物的排放达到国际限制要求，我们所面临的任务十分艰巨，困难很大。面对严峻的形势，我们必须加强领导与组织管理，加大资金和技术力量的投入，使我们控制船舶废气污染物的排放的研究发展工作能在短期内有一个大的突破，为提高我国造船业，航运业参与国际竞争的能力创造必备的条件。