船用柴油機排放控制技術(shù)

/摘要：本文結(jié)合工作實際，主要介紹目前在市場上應(yīng)用的船用柴油機高污染排放控制技術(shù)。柴油發(fā)動機一直以高熱效率以及高扭矩的優(yōu)異性，被廣泛應(yīng)用在船舶推進領(lǐng)域。多年來，船用發(fā)動機的發(fā)展也一直側(cè)重于強化其經(jīng)濟性、可靠性、機動性等優(yōu)異性能的表現(xiàn)上，但由于轉(zhuǎn)速較低、燃燒爆壓高以及使用劣質(zhì)燃料等原因也存在著高污染排放（）、噪聲較大等問題。隨著全球污染加劇，人們對生活品質(zhì)和環(huán)境要求的不斷提高，其中船舶柴油機廢氣排放已日益引起人們的重視。許多國家和國際組織積極采取各種有效措施，把限制船舶排放物對大氣的污染提到了議事日程。由于使用的燃料以及其自身特性原因，船用發(fā)動機在燃燒時產(chǎn)生的氮氧化物（）和硫化物（），是主要高污染排放的根源。不論是發(fā)動機性能提升或污染排放成因的探討，最終還是都得回到對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒工況的探討。污染排放的形成受到許多復(fù)雜因素的影響，許多研究都集中在優(yōu)化噴油嘴設(shè)計、調(diào)整噴油正時、改變?nèi)紵倚螤畹确椒?，根?jù)這些基本思路目前市面上出現(xiàn)的新型升級版發(fā)動機基本上能滿足排放標準的要求。然而要達到排放標準的要求，目前出現(xiàn)的技術(shù)主要集中在對排氣的凈化處理或者是使用新型燃料。關(guān)鍵詞：環(huán)境污染船用發(fā)動機雙燃料1概述1.1船舶排放污染當今世界，尤其是中國，環(huán)境保護已經(jīng)刻不容緩。近年來，我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，對石油資源的需求不斷增長。據(jù)統(tǒng)計，2013年我國石油消費量約為4.9億噸，由此造成的大氣污染也越來越顯著。主要表現(xiàn)在這幾年在中國部分城市冬季出現(xiàn)的嚴重霧霾現(xiàn)象越來越突出，出現(xiàn)頻率也越來越高。近年來已經(jīng)開始注意的到船用柴油廢氣排出所造成的污染問題，這些污染物質(zhì)夾帶致癌成份進入人體，而導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)的疾病。而傳統(tǒng)柴油發(fā)動機在壓縮行程末了時將柴油噴入，燃燒室中之燃油及空氣混合不均勻，因局部缺乏足夠氧氣燃燒，易形成一氧化碳（）以及黑煙，且燃燒不完全的燃料也轉(zhuǎn)化為排放至大氣中。噴霧中央為油氣過濃（）區(qū)域，使燃燒室的某些區(qū)域產(chǎn)生非常高的燃燒溫形成氮氧化物（）。同時，船用柴油機大量使用劣質(zhì)重質(zhì)柴油，其含有大量硫磺成份，經(jīng)燃燒后生成硫化物（）排入大氣。由于劣質(zhì)燃料的使用，也產(chǎn)生大量黑煙粒子（）。它們都具有強烈的腐蝕性，同時對人類生理也有刺激影響，可造成較大危害。由于船用大型柴油技術(shù)升級，提高了過量空氣系數(shù)比，燃燒相對比較完善，因此在其污染排放廢氣中的一氧化碳和未燃徑的數(shù)量相對較少。其主要有害排放為成分氮氧化物（）、硫化物（）。因此，對船用柴油排放的限制，主要是對氮氧化物、硫化物以及煙塵顆粒的限制。1.2排放限制公約船舶污染排放控制為（國際海事組織）制定實施。1990年9月，在《防止船舶的空氣污染及燃油品質(zhì)》文件中提出了船舶污染排放控制指標。1995年9月，第37次海洋環(huán)境保護委員會會議提出新增“73/78公約”附則。附則分為兩章，共計19條和4個附錄。防止船舶大氣污染的目的是將船舶的排放量削減至現(xiàn)有水平的70%和50%，以及使用優(yōu)質(zhì)燃油。1997年，第39次海洋環(huán)境保護委員會會議通過“73/78公約”附則，即“防止船舶造成大氣污染規(guī)則”。其適用于所有除游艇和漁船外，總噸位大于500噸的貨輪。同時，會議還通過了“船用柴油機發(fā)動機氮氧化物釋放控制技術(shù)規(guī)則”。2000年開始，實施了嚴格的排放標準。2008年10月，最新修正的公約附則，對排放以及使用燃油的含硫量提出了三個階段等級的限制要求，及i至。規(guī)定，和降到等效排放的減排技術(shù)均可接受。為滿足對船用柴油機有害排放等級的要求，國內(nèi)外各大船用柴油機研發(fā)制造企業(yè)均相應(yīng)在原有機型上做出了改進，或開發(fā)出新的滿足排放標準的機型。2有效較少的解決方案（排放等級）現(xiàn)代直噴式柴油發(fā)動機在壓縮行程末段時，噴入燃油燃燒，造成局部濃油在預(yù)混燃燒階段溫度最高造成較高。研究的生成原理，得知生成的基本主要因素為瞬時燃燒溫度和氧氣濃度。溫度越高，氧氣濃度越大，則生成量越大。控制的生成，也就是最就是要控制燃燒反應(yīng)瞬時的溫度，以及控制氧氣過量系數(shù)。為達到此目的的方式都通稱為缸內(nèi)處理技術(shù)。它們包括采用電子控制噴射技術(shù)，改進優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，改進增壓技術(shù)以及采用可變噴氣/排氣定時等，來優(yōu)化燃燒過程。通過這些措施使得缸內(nèi)之油氣均勻分布，造成中間局部濃油較少，燃燒溫度也就降低，也相對降低。通過缸內(nèi)處理來改善柴油機性能和排放的方式還有很多。但無論采用何種方式，均可認為其基本原理都為通過調(diào)整燃燒系統(tǒng)參數(shù)，改善燃燒環(huán)境來改善燃燒效果，從而提高排放性能。各大柴油機廠家都在此方面進行了深入研究，此方法已證明適用于船用柴油機。從目前技術(shù)開發(fā)以及應(yīng)用來看，缸內(nèi)處理技術(shù)能有效的減低了燃燒過程中產(chǎn)生的排放，使柴油機排放滿足規(guī)定的排放等級標準。2.1共軌噴射技術(shù)共軌噴油技術(shù)的使用，解決了傳統(tǒng)噴油依靠凸輪軸進行噴油定時帶來的無法根據(jù)負荷和轉(zhuǎn)速實時調(diào)節(jié)噴油時間的缺陷。同時其先進的電子控制系統(tǒng)可以根據(jù)柴油機的實時工況對噴油壓力和噴油過程進行優(yōu)化，結(jié)合其他優(yōu)化方式，使得柴油機無論在油耗率上，還是在排上均達到了領(lǐng)先的水平。根據(jù)公開的試驗數(shù)據(jù)顯示，和傳統(tǒng)柴油機相比，在低負荷和部分負荷工況下，共軌電子噴射柴油機排放最低僅為傳統(tǒng)柴油機的75%（見圖2）。2.2燃燒室形狀優(yōu)化中小型中高速發(fā)動機上也同樣采用了優(yōu)化燃燒室空間，增加了油氣混合充分度，達到化燃燒優(yōu)化和降低有害污染物排放的效果。2.3改進增壓技術(shù)更低的燃油消耗率和有害廢氣排放是新一代大型兩沖程和四沖程發(fā)動機研發(fā)的兩大并列目標。新型發(fā)動機（圖4）運用了米勒循環(huán)原理，及四沖程發(fā)動機上對進氣門，兩沖程發(fā)動機上的排氣門，引入了一種特殊的定時系統(tǒng)。但是米勒循環(huán)過程在這兩種發(fā)動機的實現(xiàn)過程有所不同。從原理上來說，在壓縮行程期間，氣缸中的壓縮比變小，燃燒階段的起始溫度隨之下降，這將直接減少生成的。為了獲得相似的熱力循環(huán)環(huán)境，如缸內(nèi)壓縮終了壓力和缸內(nèi)空氣量（空氣過量系數(shù)），因此其中部分氣體壓縮過程必須轉(zhuǎn)移到增壓階段，使最終壓縮壓力獲得及之前相類似的條件。這樣更高的增壓比就成為必須。因此也就需要更高效的增壓器。在四沖程發(fā)動機中，如果進氣門及排氣門之間的掃氣梯度是足大的正梯度，則換氣過程對改善發(fā)動機的工作是有幫助的。這就是大的掃氣梯度可以通過更高的增壓器增壓系統(tǒng)來實現(xiàn)，增壓系統(tǒng)效率通過具有中間冷卻功能的雙級增壓系統(tǒng)來提高，相對于單級增壓系統(tǒng)來說，實現(xiàn)最大增壓的潛力不受影響。曼柴油機及透平公司在新推出的系類中，專門針對四沖程柴油發(fā)動機雙階增壓開發(fā)了一款渦輪增壓器，總增壓比大于10。3有效較少的解決方案（排放等級）前面討論了，通過優(yōu)化柴油機內(nèi)部、改善燃燒環(huán)境只能使目前市面的柴油機排放等級達到規(guī)定的排放等級的要求，離排放等級的要求還相距甚遠。因此要使柴油機有害排放控制上有大幅突破到達排放的標準，還需要采用其他的技術(shù)。目前市面上主要有直接對尾氣進行凈化處理的解決方案，也有廢氣再循環(huán)的解決方案。同時采用新型燃料也可以有效降低柴油機排放。這里重點介紹采對尾氣進行處理的系統(tǒng)。3.1雙燃料發(fā)動機雙燃料發(fā)動機通常指既可以使用柴油，又可以使用液化天然氣或者其他可代替燃料作為主要燃料的發(fā)動機。在當今石化燃料過量使用，導(dǎo)致溫室氣體效應(yīng)不斷增大情況下，使用液化天然氣作為燃料可以大幅降低二氧化碳的排放，同時在和等有害排放上均可以達到了排放等級的要求。同時基于通常市場上液化天氣和液體石化燃料在市場價格上的區(qū)別，使得使用做為燃料的運營船舶能有更好的經(jīng)濟性。因此雙燃料發(fā)動機的研發(fā)推出，對船東節(jié)能增效和對社會環(huán)境保護都做出了貢獻。公司研發(fā)的35/44機型此機型為四沖程中速柴油機，可使用液體石化燃料，同時也可以使用液化。它的燃燒模式有兩種：燃油模式，燃氣模式。在燃氣模式下，排放等級能滿足排放等級的要求。（見圖5）同時，在燃氣模式下二氧化碳排放降低了約20%，如圖6。此外，雙燃料發(fā)動機在燃氣模式下的排放幾乎為零。在不需要安裝任何其他設(shè)施或者處理的情況下即可滿足排放等級中關(guān)于排放的要求。和傳統(tǒng)燃料的發(fā)動機相比，由于燃料的獲取，貯存和使用的存在差異，因此采用雙燃料發(fā)動機動力的船舶的系統(tǒng)相對要復(fù)雜得多。同時對于船舶設(shè)計，建造和營運也提出了更高的要求。相信隨著液化天然氣存儲運輸技術(shù)的不斷提高，以及液化天然氣加氣站的逐步建立，雙燃料發(fā)動機船舶的應(yīng)用將越來越多。3.2選擇性催化還原法（）3.2.1工作原理是選擇性催化還原的縮寫，是一種尾氣處理方法。它可以將船用柴油機產(chǎn)生的的減少到符合排放要求的水平。在燃燒過程之后的廢氣管路中安裝反應(yīng)器，通過催化反應(yīng)被消耗掉。在反應(yīng)器中，在催化作用下被還原劑氨氣還原為氨氣和水。反應(yīng)器中的催化劑由含有大量通道的催化段組成，具有很大的表面積。如圖7所示：按照以下總反應(yīng)流程進行還原：4432=4n2+6h2o222+43=4n2+6h2o22+432=3n2+6h2o出于安全考慮，氨氣通常以尿素水溶液的形式添加。氨氣噴入蒸發(fā)器時會分解成氨氣和二氧化碳：（2）2（）=（2）（s）+xh2o（g）（2）（s）=3（g）（g）（g）+h2o（g）3（g）+2（g）3.2.2系統(tǒng)和布置反應(yīng)器布置在廢氣管路上，反應(yīng)器中內(nèi)置催化還原載體。其主要過程為還原劑通過還原劑供給系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)定量注入反應(yīng)器前端的混合室中，還原劑及廢氣充分混合后一起進入反應(yīng)器中。在催化劑載體的表面，廢氣中及還原劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達到降低的目的。（1）還原劑供給系統(tǒng)過程使用的還原劑是無水氨氣（3）、氨水（253）或者尿素溶液（溶液32.5%或者40%）。無水氨氣屬于有毒的危險物質(zhì)，而尿素沒有顯著危害，所以船舶使用尿素更方便。此外尿素供給系統(tǒng)沒有無水氨氣供給系統(tǒng)復(fù)雜，但是尿素的用量和存儲量更大。尿素還需要使用更為復(fù)雜的蒸發(fā)和混合過程，這會影響系統(tǒng)的布置。氨水（253）的處理方式及尿素類似，盡管具有腐蝕性并且對健康和環(huán)境有害，但可以采取一些預(yù)防措施。噴射過程及所選還原劑無關(guān)，采用壓縮空氣進行噴射。還原劑的噴射和混合必須有效進行。任何未使用的氨氣（剩余氨）很可能在溫度降低時及廢氣反應(yīng)生成硫酸銨（44），并有沉積在廢氣系統(tǒng)的風(fēng)險，比如廢氣鍋爐。（2）尿素尿素被供給單元中的尿素泵從存儲艙中輸送到蒸發(fā)器/混合器中。供應(yīng)單元還配有一個清洗水艙和一個沖洗泵，用于沖洗尿素噴嘴。控制單元控制著尿素和壓縮空氣噴入蒸發(fā)器中。當過程關(guān)閉時，尿素噴嘴將被清洗水沖洗，以防噴嘴堵塞。（3）無水氨氣無水氨氣3被歸類為有毒物質(zhì)，對健康和環(huán)境有害。在正常的環(huán)境下，3是一種氣體，因此加壓液化后保存在氨氣艙中，氨氣的儲存艙和供應(yīng)系統(tǒng)部分（包括蒸發(fā)器）必須布置在遠離機艙和居住艙室的單獨艙室內(nèi)。噴射供應(yīng)管線必須是雙壁管，并且通風(fēng)至室外。由于3直接用在還原過程中，所以不需要蒸發(fā)時間，蒸發(fā)/混合器可以替換為小型混合器。（4）氨水3水溶液（25%）屬于腐蝕性物質(zhì)，對環(huán)境有害。氨氣存儲艙和供應(yīng)系統(tǒng)部分（包括蒸發(fā)器）必須布置在遠離機艙和居住艙室的單獨艙室內(nèi)。其用量和存儲量基本上及尿素相同。（5）吹灰系統(tǒng)為防止反應(yīng)器不被污染，需要安裝一個吹灰風(fēng)機系統(tǒng)，以便通過壓縮空氣使反應(yīng)器保持清潔。吹灰風(fēng)機在過程中定期運行，反應(yīng)器內(nèi)部部件上的煙塵被風(fēng)機吹松動之后隨廢氣排出。（6）加熱系統(tǒng)反應(yīng)器和蒸發(fā)器因其部件的尺寸和重量很大，具有很大的熱容。該系統(tǒng)應(yīng)該在進入排放控制區(qū)之前及時接通，已使反應(yīng)器和蒸發(fā)器獲得合適的工作溫度。但是，當船舶進港時，及發(fā)動機處在停機狀態(tài)，此時溫度會緩慢降低。這意味著必須使用溫度保持所需水平或者加熱該系統(tǒng)。為滿足這一要求，該系統(tǒng)需要配備伴熱裝置或使用其他合適的加熱方法。圖8為常規(guī)四沖程中速柴油機的系統(tǒng)示意圖，采用尿素作為還原劑。主要有以下幾大件組成：反應(yīng)器、催化劑載體、吹灰系統(tǒng)、計量供給單元、混合裝置、尿素注入裝置、尿素存儲罐以及尿素輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。3.2.3的溫度控制過程的一個重要參數(shù)就是進氣溫度。和氨氣必須在合適的溫度下才能在催化劑的作用下進行反應(yīng)。這個溫度的下限取決燃油含硫量和廢氣中隨后生成的硫酸。硫酸在低溫下容易被氨氣中和。這會形成粘性產(chǎn)物（硫酸氫氨44），可能積聚在部件中。但是使廢氣保持高溫可以抑制這一反應(yīng)。當燃油含硫量不高于0.1%時，310℃左右的高溫足以抑制該反應(yīng)。在較低的排氣壓力時，所需的最低溫度也會降低。另外一方面，溫度也不宜過高。因為這會催化劑中形成更多的3，隨后其會及水反應(yīng)成硫酸，從而產(chǎn)生額外的白色煙雨。同時在接近500℃左右的高溫時，3會隨著溫度的接近而發(fā)生氧化，這是一個多余的反應(yīng)，將會消耗更多的3。此外，催化劑材料會在溫度高于500℃～550℃時發(fā)生燒結(jié)。因此，為了確保操作可靠進行，關(guān)鍵是使廢氣溫度保持在某一溫度范圍之內(nèi)。中速四沖程柴油機排氣溫度相對較高，在該系統(tǒng)中布置在渦輪增壓器后側(cè)，這樣便于靈活安裝布置。在工作過程中，即使是四沖程柴油機，在發(fā)動機低負荷或是低溫度環(huán)境中，廢氣溫度仍然有可能會過低。為了將廢氣溫度提高到所需水平，可以使渦輪高壓側(cè)產(chǎn)生的部分廢氣在一個廢氣旁通閥（）的控制下通過旁路進入到低壓側(cè)，使得進入的廢氣達到