船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施

船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施第30卷第3期2019年6月世界海運(yùn)WorldShippingVol.30No.3Jun.2019船舶防污船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施劉玉珂S(大連海事局，遼寧大連116001)【關(guān)鍵詞】船舶柴油機(jī);氮氧化物;廢氣排放;控制措施【摘要】隨著全球環(huán)境的日益惡化和人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),。,氧化物排放的技術(shù)措施是必然趨勢(shì)。中圖分類號(hào):U698.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B()0320194203上為了進(jìn)一步降低排放量,以期滿足IMO公約要求采取的措施，包括選擇性催化還原技術(shù)(SCR)、廢氣洗滌法等。1概述強(qiáng)，。近年來(lái),，船舶柴油機(jī)作為一個(gè)重要的污染源已引起高度重視。國(guó)際海事組織(IMO)制定了關(guān)于船舶廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的《MARPOL73/78公約》附則W,于1997年獲得締約國(guó)大會(huì)通過(guò)并于2000年1月1日生效。在附則丑第13條中對(duì)船舶柴油機(jī)氮氧化物(NOX)排放限制提出了具體規(guī)定。在附則丑中也詳細(xì)規(guī)定了氮氧化物的檢驗(yàn)與發(fā)證、排放標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量程序及船上檢驗(yàn)程序［1］。船用柴油機(jī)排放規(guī)則的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，完成船用柴油機(jī)排放測(cè)試和較好地控制其排放也逐漸成為人們關(guān)注的方向。對(duì)氮氧化物生成有重要影響的3個(gè)因素是:高溫、富氧、長(zhǎng)時(shí)間停留。如果這3個(gè)條件同時(shí)成立,氮氧化物的生成將明顯增多。文獻(xiàn)［2-4］表明，當(dāng)燃燒溫度超過(guò)2200K時(shí),每升高90K,熱力NOX的生成量就會(huì)翻番。2.1EGR技術(shù)利用EGR技術(shù)凈化NOX［6］，實(shí)際上是熱容量理論的具體應(yīng)用，即在燃料燃燒放熱不變的情況下，可以降低最高燃燒溫度，從而降低NOX排放。由于廢氣的主要成分是惰性氣體（CO2、H2O、N2等），它們具有較高的比熱容。當(dāng)新混合氣與廢氣混合后，熱容量隨之增大,加熱這種經(jīng)過(guò)廢氣稀釋后的混合氣，溫度每升高1°C所需的熱量隨之增加。但是應(yīng)用EGR同時(shí)也帶來(lái)一定的負(fù)面效應(yīng)，由于混合氣中氧的相對(duì)含量減少，柴油機(jī)在大負(fù)荷時(shí)油耗率明顯上升，使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降，增加了進(jìn)氣溫度，降低了燃燒效率，會(huì)帶來(lái)燃油經(jīng)濟(jì)性下降及黑煙排放的增加。為解決這一問(wèn)題，提出了冷卻EGR的概念。EGR冷卻器本身可使氧化減少7%。研究結(jié)果也證明，采用冷卻的EGR技術(shù)可以解決上述問(wèn)題。但是，采用冷卻的EGR系統(tǒng)無(wú)疑使船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜性提高，并給船舶運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)。因此,EGR技術(shù)目前還沒(méi)有推廣。所以控制NOX的排放從本質(zhì)上講是從這3個(gè)角度入手,避免這3個(gè)因素在燃燒室中同時(shí)形成。2.2優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)包括:①改善燃燒系統(tǒng)，采用分隔式燃燒室，采用直噴式并加大燃燒室直徑，增大深比（采用淺盆形燃燒室）；②對(duì)供給系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，減小噴油正時(shí),提高噴油速率，加大噴嘴油孔，電控柴油噴射;③改善進(jìn)氣系統(tǒng),加強(qiáng)進(jìn)氣漏流，改變氣門(mén)重疊角，增大充氣量。所有這些措施雖都能在一定程度上降低NOX的排放，但是效果并不明顯，并且?guī)?lái)柴油機(jī)組件的重新設(shè)計(jì)制造,使柴油機(jī)可靠性下降。但是近年來(lái)發(fā)展的共軌電2船舶柴油機(jī)NOX排放控制技術(shù)船舶柴油機(jī)排放控制措施分為機(jī)內(nèi)控制（一次控制）和機(jī)外控制（二次控制）。從燃燒理論上講,NOX排放是［5］良好燃燒的副產(chǎn)品。因此要降低NOX排放就不可避免地要降低柴油機(jī)的熱效率，使柴油機(jī)運(yùn)營(yíng)成本增加。機(jī)內(nèi)控制實(shí)質(zhì)上是指在可燃混合氣燃燒之前采取的降低污染物排放的措施，包括機(jī)內(nèi)、機(jī)外廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）,優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，濕法降低NOX技術(shù)，添加燃油添加劑等。機(jī)外控制是在機(jī)內(nèi)控制基礎(chǔ)S［收稿日期］2019203223［作者簡(jiǎn)介］劉玉珂（1972-）,男，山東棲霞人,工程師劉玉珂:船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施控噴油技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)不同負(fù)荷的情況下以優(yōu)化的噴油提前角和噴油壓力將燃油噴入氣缸，在降低燃油消耗率的基礎(chǔ)上也降低了NOX的排放。目前這一技術(shù)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較廣，船舶柴油機(jī)也漸漸采用共軌電控噴油技術(shù)。在燃油中添加CH3OH后對(duì)火焰燃燒溫度和燃燒速率影響甚微。在高溫下CH3OH分解成CH3、CH2O、CHO。它們能夠很快地和O、OH發(fā)生反應(yīng)，減少了O和OH在高溫下的聚集。因此,在燃料中添加CH3OH可以降低NOX排放，并且NO生成量的多少與CH3OH添加比例有關(guān)。J.A.Smith等人［5］在一臺(tái)6V292底特律二沖程柴油機(jī)上2.3濕法降低NOX排放措施借用水來(lái)降低NOX排放的方法有3種［7］:①掃氣空氣中混入一定量水,當(dāng)然肯定是汽態(tài)水狀態(tài)(combustionairsaturationsystem,CASS技術(shù))；②直接向燃燒室噴水或進(jìn)行缸內(nèi)直接噴射天然氣的試驗(yàn)。結(jié)果顯示，由少量柴油點(diǎn)燃直接噴入氣缸的天然氣，能在所有負(fù)荷條件下保持原柴油機(jī)的效率不變,同時(shí)還能使氮氧化物的排放減少約40%。噴入蒸汽(directwaterinjection,DWI技術(shù))；③乳化油，使噴入汽缸的燃料以燃油小液滴包附在水外。CASS技術(shù)。CASS裝置的實(shí)現(xiàn)方式通常是在增2.4選擇性催化還原技術(shù)選擇性催化還原技術(shù)(selectivecatalyticreduction,SCR)。它能有效降低NOX85%?壓器末端噴入高壓水。有時(shí)為了防止混合氣中水蒸氣再次凝結(jié)，需要提高空冷器的溫度。CASS技術(shù)能降低NOX排放的50%?60%,并且不會(huì)影響燃油消耗率。跟其他降低NOX排放措施相比，該方法有較高的NOX降低能力，能降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低，，運(yùn)轉(zhuǎn)，。DWI技術(shù)能降低NOX排放的50%率，可。一套典型的SCR:若干催化劑層、藥劑的儲(chǔ)存和運(yùn)送系控制系統(tǒng)。由于反應(yīng)器工作溫度不能太低，反應(yīng)器通常設(shè)置在二沖程柴油機(jī)增壓器的前端、四沖程柴油機(jī)增壓器的后端，和消音器進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。SCR法降低NOX排放的機(jī)理是:用氨作還原劑對(duì)含NOX的氣體進(jìn)行催化還原處理，使氨能有選擇地和氣體一60%，但是會(huì)導(dǎo)致燃油消耗率略有提高。它的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)組合的噴油器將水和燃油噴入燃燒室，實(shí)現(xiàn)水與燃燒混合氣的混合。如果需要也可以在不影響柴油機(jī)工作的情況下屏蔽掉噴水系統(tǒng)。DWI技術(shù)降低NOX排放的同時(shí)也降低了柴油機(jī)的熱負(fù)荷,并提高柴油機(jī)的運(yùn)行清潔性，消耗淡水量較少；但是燃燒含硫量較高的燃油時(shí)需考慮燃燒室材料和采用特殊的噴嘴。燃油乳化技術(shù)。燃油乳化⑻是指燃油在噴入氣中的NOX進(jìn)行反應(yīng),而不和氧反應(yīng),稱為選擇性催化還原法。國(guó)外一些柴油機(jī)制造廠早已開(kāi)始SCR在實(shí)船應(yīng)用的開(kāi)發(fā)研究工作。所有試驗(yàn)研究都證實(shí)了SCR不僅有效地降低了NOX的排放量，并且同時(shí)也降低了CO、HC等污染物的排放。液氨、氨水、尿素都可用做還原劑。雖然SCR系統(tǒng)占用空間較大，并且初期投資和運(yùn)營(yíng)成本都會(huì)提高，但SCR技術(shù)是目前船舶柴油機(jī)切實(shí)可行地進(jìn)行排放凈化的唯一措施。缸前在燃油中混合一定的水分。在超聲波和機(jī)械攪拌的作用下，乳化重油成為油包水的乳化油滴。噴入氣缸后由于水蒸氣的“微爆"作用使油滴破碎成更細(xì)小的油滴，從而促進(jìn)了混合氣的形成和燃燒。在燃燒過(guò)程中,水的吸熱作用可降低最高燃燒溫度。另外，水與油混合噴入還可以降低燃油密度，使最高燃燒溫度進(jìn)一步降低。因此柴油機(jī)的NOX排放量減少。但使用乳化燃料時(shí)，原噴油泵的噴射量以及噴射特性不能滿足柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需求的燃料量。尤其是在大負(fù)荷情況下，柴油機(jī)幾乎不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。加之乳化燃料的黏度較大，霧化效果不好,造成燃燒惡化,反而使一些有害氣體的排放增加。為了把握適應(yīng)于乳化燃料的燃料噴射系統(tǒng)的特性和有關(guān)參數(shù)，需對(duì)柴油機(jī)的噴油泵、噴油泵凸輪軸以及噴油器進(jìn)行改造。為了解決乳化燃油所需昂貴的乳化劑、乳化設(shè)備以及制備過(guò)程中消耗的能量和乳化油容易發(fā)生油水分離等問(wèn)題，人們研究了氣缸噴水(汽)技術(shù)。這樣燃油和水(汽)各由一個(gè)噴嘴噴入氣缸，參與燃燒,同樣使NOX排3結(jié)論由于柴油機(jī)廢氣排放種類很多，并且降低排放的措施對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性都產(chǎn)生影響，單純某一種降低NOX排放的措施不能滿足IMO排放法規(guī)越來(lái)越苛刻的要求。未來(lái)NOX排放的控制措施如圖1所示［9］。放降低。使用燃油添加劑法。Q.Jiang等人［4］研究表明：圖1未來(lái)NOX排放的控制措施(1)現(xiàn)在柴油機(jī)NOX排放的標(biāo)準(zhǔn)值在9.5―第30卷世界海運(yùn)第30卷15g/(kW?h)?？刹扇〉目刂拼胧?①采用共軌技術(shù)(commonrail,CR)和電子噴射(electroniccontrol,EC)后,NOX排放值降為7.5?12g/(kW?h);②采用直接噴水技大學(xué)出版社,2001:531.吳忠標(biāo).大氣污染控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:246-248.JIANGQ,ZHANGC,JIANGJ.ReductionofNOxinaregenerativeindustrialfurnacewiththeadditionofmethanolinthefuel[J].EnergyResourTechnol,2019:126,159.SMITHJA,JBARTLEYG.StoichiometricoperationofagasengineutilizingsynthesisgasandEGRforNOXcontrol[J].JournalofEngineeringforGasTur2binesandPower,2000,122:617-623.姜君，熊翔輝,張庭芳.廢氣再循環(huán)(EGR)在內(nèi)燃術(shù)(DWI)后,NOX排放值降為4?6g/(kW?h);③采用選擇性催化還原技術(shù)(compactSCR,CSCR),NOX排放值降為0.5?2g/(kW?h);④采用前述前兩種方法相結(jié)合(①),NOX排放值降為2?4.5g/(kW?+②h);⑤采用前述)，NOX排放值降為0.2?前3種方法相結(jié)合(①+②+③1g/(kW?h)。(2)將來(lái)柴油機(jī)NOX排放值，采用共軌技術(shù)(CR)、電子噴射(EC)以及蒸汽噴射技術(shù)(steaminjection,SI)后，NOX排放值可降為1.5?4g/(kW?h);采用共軌技術(shù)(CR)、電子噴射(EC)、蒸汽噴射技術(shù)(SI)，并與選擇性催機(jī)中的應(yīng)用[J].江西能源4):22-24.HELLG.Amar