船舶柴油机废气排放与控制
船舶柴油机NOx排放控制探析
船舶柴油机NOx排放控制探析20世纪70年代以来，船舶柴油机的排放对环境的影响日益引起各国的重视，许多国家和地区通过立法的形式规定了船舶柴油机的排放限额。
国际海事组织（IMO）多次召开会议，就船用燃油质量、主机机型设计和排放要求展开探讨。
随着MARPOL公约附则Ⅵ第二阶段和第三阶段的到来，对船舶排放的要求更加严格。
文章从技术方面就降低NOx的排放进行探讨。
标签：船用柴油机；MARPOL；NOx排放随着国际贸易的发展，船舶航运在经济发展中发挥着越来越重要的作用。
在驱动经济发展的同时，自身也面临着能源与环境的问题。
地球上化石燃料储存有限，而能源需求量却在逐年增加，资源面临着枯竭的危险。
与此同时，环境污染日趋严重，极大地制约了经济的发展，影响人们的身体健康，甚至危及人类的生存。
船舶对环境所造成的污染主要来自柴油机排放造成的大气污染。
限制船舶污染物的排放已成为国际社会的共识。
1997年，国际海事组织（IMO）制定并通过了MARPOL73/78公约的新增附则Ⅵ《防止船舶造成大气污染规则》，对船舶主机的排放提出严格的要求。
MARPOL73/78公约附则Ⅵ适用于400总吨及以上航行于缔约国海域的船舶，以及航行于缔约国所属或所管辖水域的平台和钻井平台。
对安装在2000年1月1日及以后的船舶上的柴油机或经重大改装的、输出功率超过130KW的柴油机，附则Ⅵ规定了NOx的排放上限，表1是IMO对NOx 排放的要求。
据统计，船用柴油机每年向大气中排放的NOx达到650万吨，超过了SOx （600万吨）。
预计到2020年，NOx的排放量将增长47%。
船舶所造成的大气污染，特别是距海岸400km以内的近海地区尤为严重。
减少柴油机的有害排放已刻不容缓。
NOx是柴油机废气的主要成分之一，其中90%的是NO，少量是NO2。
NOx是形成酸雨、酸雾的主要原因之一，是光化学烟雾的罪魁祸首，对人体的呼吸系统有毒害作用。
限制氮氧化物的排放已成为各国环保部门的共识。
船舶柴油机废气排放与控制汇总
3.2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SO2污染的主 要发展方向。
3.3控制NOX 排放的措施
减少NO 排放的技术措施很多，但归纳起来主要有三方面： 机前净化措施、机内净化措施和机后净化措施。
NOX 排放的主要成分是NO, 它是无色并且具有轻度刺 激性的气体, 它在低浓度时对人体健康无明显影响, 高浓度 时会造成人与动物中枢神经系统障碍。同时 NO极易氧化 成NO2， NO2 吸入人体后会造成血液的输氧能力下降, 而 且在NO2 含量超过一定标准的环境中停留时间过长的话, 还会使人因肺气肿而死亡, 同时, 氮氧化物还是形成光化学 烟雾的起因物质之一。
2.3硫氧化物(SOx)排放的控制标准
附则Ⅵ对硫氧化物(SOx)的一般要求规定,船舶使用的任何 燃油的含硫量不得超过4.5%。在硫氧化物(SOx)排放控制区 的船舶所使用的任何燃料中,含硫量不得超过1.5%。船舶可 使用经主管机关按IMO制订的导则认可的废气净化系统将船 舶的硫氧化物总排放量减少至6.0g/(kW·h)或以下,也可使用其 它技术将硫氧化物总排放量限制在同等水平,但是应当经过主 管机关依据IMO导则认可。
船舶柴油机废气排放与控制
目录
1船舶柴油机排放废气的危害
本文目录 结构
2船舶柴油机废气排放标准 3船舶柴油机废气排放控制措施
4 总结
1.船舶柴油机排放废气的危害
船舶排放的废气主要有NOX、SOX、COX等, 其中NOX 与SOX 对环境和人类பைடு நூலகம்影响最大。
SO2 排放后, 在大气中的氧化过程, 并与云中的水雾结 合形成的酸雨, 对植物的生长将产生严重的危害，二氧化 硫为刺激性气体, 易溶于水, 几乎全部被上呼吸道吸收, 对 眼、上呼吸道粘膜有强烈刺激作用，可引起眼结膜炎、急 性支气管炎。
船用低速柴油机废气排放控制技术
港口科技•绿色港口2005年5月19日生效1日开始实施〜-Tier ;丨1(排放控制区域）预计2016年开始实施200 400 600 8()0 1 000 1 200 1 40f) 1 600 1 800 2 000 2 200柴油机转速/(r /m in )图1不同阶段下N a 排放限定值舶排放最终都会影响到海岸。
除C 02外，NO ,和S 0A .目前都能控制，即所谓的脱硝脱硫。
2008年10月召开的海洋环境保护委员会(M aritim e Environment Protection Committee ,MEPC )第58次会议上通过国际防止船舶污染公 约（MARTOL )附则V I 的修正案，IMOTierll 排放 规则于2011年1月1日开始执行，IM () Tier I I I 排放规则也在2016年开始实施。
同时还提出对柴 油机C 02和PM 排放的控制。
图1与图2分别为 国际上对NO .(排放以及燃油含硫量的控制要求。
不同阶段下NO ,#放限定值见图1，燃油中含硫 量的控制要求见图2,。
引 S现如今，世界上约90%的贸易都是以海运方式 来完成的。
海上运输虽是一种最为有效的运输方式，但是船用低速柴油机废气排放中的N O p S O .、H C 、P M等空气污染物及C 02温室气体对全球环境和气候产生的影响，已经成为当前国际社会关注的 热点。
例如，1条大型集装箱船用6万kW 的主机 推进以24 kn 的航速运行1山消耗240 t 重油， 其中会含7 t 硫，需要3 000 t 氧气助燃，同时有 13 000 t 氮气进人气缸，此外，还需要损耗1 t 的 润滑油。
经过燃烧做功后，无害排放12 985 t N 2、 2 000t 02、350t 水蒸气；同时产生大量的有害排 放，合计有860t 的（：02、1扣302、3〇1觸,，还有部 分碳氢化合物及颗粒物。
302遇见水蒸气就是H 2S 03，部分大气污染的酸雨就含有这种物质，是 大气的主要污染物；颗粒物是雾霾的主要成分; C 02是主要的温室气体，是全球变暖的祸首;NO , 包括多种化合物，如n 2o 、n o、n o 2、n 2o 3、n 2o 4和N A 等。
船舶柴油机的有害排放及控制
主要内容：
§5.1船舶柴油机的排放与危害 §5.2控制船舶柴油机排放的有关法规 §5.3柴油机有害排放的控制措施
§5.1
船舶柴油机的排放与危害
一、柴油机排气污染物的主要成分 无害成分： CO2、水蒸气(H2O)、过量空气、残余氮气(N2)等。(占总量的99.8％） 有害成分： CO、NOx、HC、硫氧化物（SOx） 、颗粒等。
4.颗粒:也称微粒（Particulate Matter:PM） 柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。
当排气温度较高时，它主要是碳质微球的聚集体，一般称之为 碳烟（Dry Soot:DS），它主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、 缺氧、裂解并脱氢而生成的以碳为主要成分的固体微小颗粒。 当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机 可溶成份（Soluable Organic Fraction:SOF）,它是重质有机化合物从气 缸内排出并被空气稀释时凝结并被碳粒所吸附的。 若排气成份中HC含量高，则冷凝作用就更强烈。
机前处理 代用燃料 醇类燃料 LNG 燃油乳化 推迟喷油 稀薄燃烧 喷油器改进 高压喷射 直接喷水 进气加湿 蒸汽喷射 废气再循环 催化转化SCR
机内处理
改进燃烧
加水处理
改进循环 机后处理
一、燃烧过程的改进 1)高压喷射 喷射高压和短喷油持续期,改善雾化质量,加大喷油速率,卷入油 束空气量增加,燃油与空气混合和燃烧速度加快,颗粒排放降低。 2）推迟喷射 增大喷油提前角，发火前喷入气缸的燃油量多，爆燃严重，最 高燃烧温度较高，NOX的生成量较多； 反之，NOX的生成量较少。 因此，推迟喷射可减小缸内NOX的生成量。 3)电控喷射及引导喷射 实现高压喷射和引导喷射,根据工况变化对喷油规律最优控制， 既保证柴油机性能又抑制NOx与颗粒。 4)排气再循环(EGR) EGR是使部分排气再次进入气缸进行循环，一般可使约10%～20% 的废气再次进入发动机气缸。 采用EGR后，由于进气中氧浓度降低和热容量的增加，可获得较 低的燃烧速度从而降低Nox生成（降低30％～40％） 。
船舶柴油机的污染物排放控制技术研究
船舶柴油机的污染物排放控制技术研究【摘要】本文通过对船舶柴油机尾气污染物排放标准的研究，详细论述了船舶柴油机污染物排放控制技术的具体措施以及目前的国内柴油机尾气净化技术的研究现状，对船舶柴油机排放控制技术的发展趋势进行了预测，为我国船舶柴油机技术的发展提供了有效的借鉴。
【关键词】船舶柴油机；尾气排放；控制技术0.引言柴油机作为大型船舶的主要动力使用已经有了近百年历史，其可靠性和经济性已经得到了很好的验证，但随着国际社会对环境保护的越来越重视，船舶柴油机的废气排放物的污染物也引起了人们的广泛关注。
九十年代初，国际海事组织（IMO）制定了“防止船舶造成大气污染规则”，对船舶柴油机的污染物排放进行了限制，给海航运输业带来了巨大的影响。
在控制船舶柴油机的污染物排放技术领域主要有两个方向，一是提高柴油机的可靠性和劣质燃油的燃烧率，降低燃油消耗；二是在船舶柴油机的设计、制造和运行管理上进行改进，降低污染物的排放量。
本文通过实践经验，对船舶柴油机的排放标准、污染物排放控制技术及其发展趋势进行了详细的论述，为船舶柴油机的研究和发展提供了有效的借鉴，同时为船舶柴油机的维修和保养人员提供了有力的理论支撑。
1.船舶柴油机的污染物排放标准简介为了有效的抑制船舶柴油机对大气的污染，国际海事组织（IMO）制定了MARPOL73/78附则-《防止船舶造成大气污染规则》，于2005年5月在国际上生效，自2006年8月在我国生效，该规则对船舶废气中的硫氧化物和氮氧化物的含量进行了明确的限制：转速在130r/min以下的柴油机氮氧化物的排放量要低于14.4g/（kw·h），到2016年以后要低于3.4g/（kw·h）；转速大于130r/min，且小于2000r/min的柴油机氮氧化物排放量要低于44x10-0.23g/（kw·h），2016年以后要低于44x10-0.2g/（kw·h）；而转速大于2000r/min的柴油机氮氧化物的排放量要低于7.7g/（kw·h），2016年以后要低于2.0g/（kw·h）；柴油机燃油的硫成分含量在一般区域必须低于3.5%，2020年以后必须低于0.5%，在控制区域必须小于1.0%，2020年以后必须低于0.1%。
船舶柴油机的有害排放及控制
柴油机燃用HC化合物燃料完全燃烧时,只产生CO2、H2O,没有其 它有害产物。
由于可燃混合气在燃烧前和燃烧中的极短时间完成的,混合气不 均匀程度较严重。
在高温富氧环境下易生成NOx， 在高温缺氧环境下不完全燃烧生成CO和炭烟粒子, 在低温及混合气过稀条件下易生成HC 。 燃油中的硫燃烧生成SO2 及SO3 。
5）硫氧化物（SOx）：
SOX是燃油中的硫分在燃烧中的产物，主要包括SO2和SO3。 SO2具有刺激性，与水结合后生成亚硫酸，直接危害人的眼鼻和 喉粘膜，引起呼吸器官炎症。 另外，SO2进一步氧化的产物SO3与水分作用形成硫酸并形成酸
雨。
三、柴油机有害气体排放物的生成机理
1．NOx：指柴油机排气中各种氮氧化物的总称。 对柴油机来说要控制的氮氧化物主要是NO的排放量，而对人类
若排气成份中HC含量高，则冷凝作用就更强烈。
§5.2 控制船舶柴油机排放的有关法规
上世纪70年代以来，由于环境污染的日益严重和人们对环境状 况的日益关注，内燃机有害排放物对大气造成的危害受到了人们 的高度重视。
各国际组织及世界各国和地区相继以法规的形式对内燃机排放物 加以强制性限制。
主要内容： 一．国际海事组织（IMO）的有关规定 二．其它国家和地区的有关排放法规 三．排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响
柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。
当排气温度较高时，它主要是碳质微球的聚集体，一般称之为 碳烟（Dry Soot:DS），它主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、 缺氧、裂解并脱氢而生成的以碳为主要成分的固体微小颗粒。
当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机 可溶成份（Soluable Organic Fraction:SOF）,它是重质有机化合物从气 缸内排出并被空气稀释时凝结并被碳粒所吸附的。
船机废气排放标准与控制
NOX IMO Tier2
功率 P（kW） （单缸排量）
HC+NOX （g/kW.h）
美国 欧盟 Tier2 Tier1
PM （g/kW.h）
美国 欧盟 Tier2 Tier2 Tier1
8.18~9.75 （2.5臆SV约5） 7.2 7.2 0.20 0.20 5.0 5.0
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内燃机与配件
船机废气排放标准与控制
税绍强
（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122） （China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）
摘要院描述了我国船机废气排放现状，介绍了我国首部船舶排放标准《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二 阶段) 》，对比了中外船机排放标准，同时对我国船舶排放现状提出思考及建议。
作者简介院税绍强（1992-），男，本科，发动机试验工程师，主要从 事汽车与发动机排放研究。
2 国外现行船机排放法规 目前，国外主要存在美国、欧盟以及 IMO 三大船机标 准，三者之间有共同点也有其差异性。国外三大标准的实 施时间如下： 淤 美 国 ：根 据 美 国 EPA 法 规 40 CFR PART 89、40 CFR PART 94、40 CFR PART 1042，美国内河船机 Tier 2 阶段实施时间为 2004~2009 年，法规实施的时间因发动机 单缸排量的不同而不同； 于欧盟：根据 2004/26/EC 指令，欧盟商用内河船机 Tier 1 阶段实施时间为 2006~2008 年施行 Tier 1 阶段，法 规实施的时间因发动机单缸排量的不同而不同； 盂IMO：根据 MARPOL 73/78 公约附则 VI，2011 年远 洋船机实施 Tier 2 阶段。 在排放限值方面，IMO 排放体系只控制 NOX 和 SOX， 美国以及欧盟体系增加了对 HC、PM 和 CO 的控制，控制 的项目比 IMO 体系多。从 NOX 限值看，欧盟第一阶段和美 国的第二阶段标准基本一致单缸排量小于 20L 的船机，欧 盟和美国标准比 IMO Tier 2 严格；单缸排量大于 20L 小于 30L 的船机，欧盟和美国标准的控制要求和 IMO Tier 2 的 要求大致相当。三大标准的排放限值见表 1。
船舶柴油机的有害排放及控制
03
CATALOGUE
船舶柴油机有害排放的控制技术
燃油喷射控制技术
燃油喷射控制技术是控制船舶柴油机 有害排放的重要手段之一。通过精确 控制燃油喷射的时间、压力和喷射量 ，可以降低柴油机燃烧过程中产生的 有害物质，如氮氧化物、硫氧化物和 颗粒物等。
抽样检测
通过采集排放气体样本，送至实验室 进行分析，获取排放物的成分和浓度 数据。
直接测量
使用测量仪器直接在排放口测量排放 物的成分和流量。
离线检测的局限性
无法实时反映船舶柴油机的排放状况 ，可能存在数据滞后和误差。
有害排放物的检测标准与规范
国际海事组织（IMO）排放标准
01
根据国际海事组织的规定，船舶柴油机的有害排放物必须符合
）。
硫氧化物（SOx）
主要由柴油中硫元素燃烧生成 ，包括二氧化硫（SO2）和三 氧化硫（SO3）。
颗粒物（PM）
柴油机燃烧过程中未完全燃烧 的碳烟、润滑油和金属颗粒等 。
未燃烃（HC）
柴油中未完全燃烧的烃类物质 。
有害排放物的生成机理
01
02条件下，氮气和氧 气反应生成NOx。
VS
燃油喷射控制技术包括喷油定时控制 、喷油压力控制和喷油量控制等。喷 油定时控制主要是通过控制喷油时间 来优化燃烧过程，喷油压力控制则是 通过提高燃油喷射压力来增加燃油雾 化效果，喷油量控制则是根据柴油机 的工况需求精确控制燃油喷射量。
废气再循环技术
废气再循环技术是将柴油机排出的部分废气重新引入燃烧室 ，与新鲜空气混合后再次燃烧。通过降低燃烧温度和减少氧 气浓度，废气再循环技术可以有效降低氮氧化物的排放。
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4.总结
环境问题日益严重，大气污染已经影响人类生活， 认真执行相关行业规范，减少废气污染排放，关系到 人类未来的发展。 排放标准日趋严格，提高船舶废气排放技术，减 少废气排放，促进船舶运输行业健康发展，实现节能 减排的技术目标，将是船舶运输行业未来发展的关键。
3.船舶柴油机废气排放控制措施
3.1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,主要取决于柴 油机所燃用燃 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。
船舶柴油机废气排放与控制
目录
1船舶柴油机排放废气的危害
本文目录 结构
2船舶柴油机废气排放标准
3船舶柴油机废气排放控制措施
4 总结
1.船舶柴油机排放废气的危害
船舶排放的废气主要有NOX、SOX、COX等, 其中NOX 与SOX 对环境和人类的影响最大。 SO2 排放后, 在大气中的氧化过程, 并与云中的水雾结 合形成的酸雨, 对植物的生长将产生严重的危害，二氧化 硫为刺激性气体, 易溶于水, 几乎全部被上呼吸道吸收, 对 眼、上呼吸道粘膜有强烈刺激作用，可引起眼结膜炎、急 性支气管炎。 NOX 排放的主要成分是NO, 它是无色并且具有轻度刺 激性的气体, 它在低浓度时对人体健康无明显影响, 高浓度 时会造成人与动物中枢神经系统障碍。同时 NO极易氧化 成NO2， NO2 吸入人体后会造成血液的输氧能力下降, 而 且在NO2 含量超过一定标准的环境中停留时间过长的话, 还会使人因肺气肿而死亡, 同时, 氮氧化物还是形成光化学 烟雾的起因物质之一。
2.3硫氧化物(SOx)排放的控制标准
附则Ⅵ对硫氧化物(SOx)的一般要求规定,船舶使用的任何 燃油的含硫量不得超过4.5%。在硫氧化物(SOx)排放控制区 的船舶所使用的任何燃料中,含硫量不得超过1.5%。船舶可 使用经主管机关按IMO制订的导则认可的废气净化系统将船 舶的硫氧化物总排放量减少至6.0g/(kW· h)或以下,也可使用其 它技术将硫氧化物总排放量限制在同等水平,但是应当经过主 管机关依据IMO导则认可。
2.船舶柴油机废气排放标准
2011 年3 月14 日,全国人大审议 通过了“十二五”规划纲要，提出化 学需氧量、二氧化硫分别减少8%，同 时将氨氮和氮氧化物首次列入约束性 指标体系，要求分别减少10%，氮氧 化物已经成为我国下一阶段污染减排 的重点。 在港口和一些航线密集、船舶流 量大的海区，船舶大气污染已经不容 忽视。限制船舶柴油机废气污染物的 排放，执行节能减排标准，促进行业 健康发展，已经刻不容缓。
3.2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SO2污染的主 要发展方向。
3.3控制NOX 排放的措施
减少NO 排放的技术措施很多，但归纳起来主要有三方面： 机前净化措施、机内净化措施和机后净化措施。 （1）机前净化措施。对于进入柴油机前的燃油或空气进行 预先处理，以期减少缸内燃烧过程中所产生的NO 排放物， 其主要措施为改变燃油品质和燃油掺水。 （2）机内净化措施(即燃烧过程中的处理)。在燃烧过程中 控NO 含量的主要措施有：推迟喷油定时、增压空气中冷、 提高喷射质量。 （3）机后净化措施。机后净化措施是对排出的废气在进入 大气环境前进行处理，使废气中有害成分的含量进一步降低。 机后净化主要包括废气再循环(EGR)、无催化反应法(SNCR) 和选择性催化还原法(SCR)。
2.1船舶柴油机NOx 和SOx 排放的行业标准
MARPOL73/78公约附则Ⅵ—“防止船舶造成大气 污染规则”对船舶柴油机的排放限制主要涉及到的就 是氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的排放。
2.2氮氧化物(NOx)排放的控制标准
除应急发电柴油机、救生艇发动机以及应急设备或装置 使用的柴油机外,每一台在2000年1月1日或以后建造的船舶上 输出功率超过130kW的柴油机,以及每一台在2000年1月1日 或以后经过重大改装的输出功率超过130kW的柴油机,其氮氧 化物(NOx)的排放量必须满足如下指标: 低速机(n＜130r/min)为17g/(kW· h); 中速机(n＝130～2000r/min)为45×n-0.2g/(kW· h); 高速机(n＞2000r/min)为9.84g/(kW· h)。