船舶柴油機(jī)NOx排放的技術(shù)特點(diǎn)

史繼才

摘 要：隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)、大氣污染控制等愈加重視，控制船舶柴油機(jī)NOx排放污染的技術(shù)研究將是未來柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要課題。本文介紹了幾種較好的控制NOx排放技術(shù)并進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：控制NOx排放技術(shù)研究

為了防止船舶造成空氣污染，IMO于1997年9月通過了《經(jīng)1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約》1997年議定書，MARPOL73/78公約新增了“附則VI—防止船舶造成大氣污染規(guī)則”。附則VI對(duì)船舶使用消耗臭氧層物質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）和硫氧化物的排放、揮發(fā)性有機(jī)物蒸汽的回收處理、船用焚燒爐的使用以及船舶燃油質(zhì)量的控制等方面作了具體規(guī)定。該議定書于2005年5月19日生效。我國于2006年5月23日加入該議定書，同年8月23日對(duì)我國生效。IMO在2008年10月10日以MEPC.176（58）決議通過MARPOL73/78附則VI修正案，修正案于2010年7月1日全球生效。為了促進(jìn)IMO制定更加嚴(yán)格的排放限制法規(guī)的實(shí)施，歐美一些國家正計(jì)劃構(gòu)筑排放稅框架，船舶NOx的排放直接與入港稅和航道稅掛鉤。許多船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)者和船用機(jī)械廠對(duì)控制NOx排放技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)船東選擇合理的方法很有價(jià)值。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)、大氣污染控制等愈加重視，控制船舶柴油機(jī)NOx排放的技術(shù)研究將是未來柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要課題。

控制船舶柴油機(jī)NOx 排放的方法分類

影響NOx形成的主要因素是燃燒過程中的局部溫度值以及氮和氧的濃度。所以降低NOx 的基本方法都集中在降低最高溫度、降低氧氣濃度(過量空氣系數(shù)) 和提高燃油質(zhì)量幾個(gè)方面。為了減少現(xiàn)有柴油機(jī)的NOx排量,機(jī)內(nèi)改造和機(jī)外改造措施均有使用。機(jī)內(nèi)改造方法(又稱基本方法) 著重利用在氣缸中控制燃燒來減少NOx產(chǎn)生量，是直接影響柴油機(jī)燃燒的方法，通常可使NOx排量的減少量在10%～60 %的范圍內(nèi)，機(jī)內(nèi)改造包括：增強(qiáng)掃氣空氣的冷卻、采用米勒增壓法、改變掃氣壓力、改變啟閥定時(shí)、改變幾何壓縮比、延遲噴油、采用預(yù)噴油、改變噴嘴設(shè)計(jì)、改變柱塞尺寸、廢氣再循環(huán)、燃燒室直接噴水法和燃燒室直接噴氨技術(shù)等。機(jī)外改造(又稱輔助方法) 是通過對(duì)已排出發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的處理來削減NOx 排出量的方法，是使用不屬于柴油機(jī)元件的設(shè)備的方法，這種方法并不會(huì)改變柴油機(jī)的工作性能，其中最常用的輔助方法是SCR(優(yōu)化選擇催化劑法)。此外對(duì)燃油進(jìn)行乳化處理來減少NOx 的方法也有使用。在這些方法中,加強(qiáng)掃氣冷卻法和采用米勒增壓法使用較少，因?yàn)榫哂行枰龃罄鋮s器和降低NOx效率低等問題。通過改變增壓壓力和啟閥定時(shí)來降低燃燒室中的過量空氣系統(tǒng)，可以降低NOx排量,但這同時(shí)會(huì)影響柴油機(jī)工作性能，所以這種方法的使用取決于柴油機(jī)的設(shè)計(jì)。通過改變噴油壓力和噴油時(shí)間來減少NOx排量的方法被試驗(yàn)證明對(duì)NOx影響有限，目前也很少采用。

目前比較有發(fā)展前景的控制NOx排放的技術(shù)

1、直接噴水法(DWI)

向燃燒室直接噴水是為了降低最高燃燒溫度。由于燒用乳化油會(huì)產(chǎn)生乳化不穩(wěn)定、影響噴油裝置的可靠性和在“無水工作”時(shí)柴油機(jī)性能惡化等問題，所以DWI成為柴油機(jī)設(shè)計(jì)者集中采用的減少NOx的方法。DWI法包括并列噴嘴式(油嘴和水嘴在同一噴射器上) 和雙噴射器式(兩個(gè)單獨(dú)的噴射器) ，根據(jù)SULZER 的研究結(jié)果，并列噴嘴式的減NOx 效率更高。DWI 系統(tǒng)只需要純凈水和幾個(gè)額外的設(shè)備裝在柴油機(jī)上，即可滿足NOx的限量要求。其技術(shù)的關(guān)鍵是具有噴水功能的噴油器，噴水嘴置于噴油器之內(nèi)，工作時(shí)按0.4～0.7的水油比一同噴入燃燒室中。噴水過程是先于噴油過程的，以便于有效地降低燃燒室中的溫度，噴水過程也是先于噴油過程而停止的，這樣自燃和燃燒過程將不會(huì)受到影響。此過程對(duì)柴油機(jī)各部件沒有任何損害作用，柴油機(jī)也可以在需要時(shí)停止噴水，而只噴油工作，在任何負(fù)荷下均可進(jìn)行無水噴油工作。DWI 具有以下優(yōu)點(diǎn)：可在不影響功率輸出和各零件工作的情況下將NOx 排量減少50 %～60% ，典型的NOx排量為4～6g/kWh (WDO)、5～7g/kWh(HFO)；它只需要很少的空間；安裝成本也較低；在緊急情況下，可以迅速切斷水進(jìn)入，而不影響柴油機(jī)的工作。

2、廢氣再循環(huán)法(EGR)

廢氣再循環(huán)( EGR)是一種減少NOx 排量的有效方法。EGR同樣也是燃燒過程中減少NOx 生成的方法。它利用將一部分柴油機(jī)自身產(chǎn)生的廢氣冷卻后再混入進(jìn)氣中，來降低過量空氣系數(shù)和降低最高燃燒溫度的原理來進(jìn)行的。廢氣的熱容量較高，吸熱量大，在氣缸中將進(jìn)一步降低局部燃燒溫度和NOx 的排出量。這種方法最多可達(dá)到50 %的NOx減少量。與其他方法一樣，因?yàn)槿紵实慕档?EGR會(huì)造成耗油率略有增加。這種方法目前未廣泛用于船上的原因是必須安裝一個(gè)額外的廢氣壓縮機(jī)。盡管最新的研究顯示提供這樣的一個(gè)壓縮機(jī)在技術(shù)上是可行的，但對(duì)于船用柴油機(jī)來講，廢氣中含有的大量硫化物和粉塵等會(huì)造成嚴(yán)重危害。所以人們確信如果柴油機(jī)在燃用重油時(shí)，這種方案是很不實(shí)用的，除非采用氣缸內(nèi)部再循環(huán)法。普通的EGR法只能用于使用清潔燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。

3、優(yōu)選催化劑法(SCR)

優(yōu)選催化劑減氮法(SCR)屬于廢氣的后處理技術(shù),其所用的介質(zhì)通常是尿素的水溶液,一般濃度為40 %。此尿素溶液在廢氣總管的某一位置，直接噴入300～450℃的廢氣中。尿素在廢氣中迅速分解成氨和二氧化碳,然后氨經(jīng)過催化反應(yīng)器,與NOx 反應(yīng)生成無害的N2 和H2O。整個(gè)SCR反應(yīng)可寫作：

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O

SCR是目前為止最有效的削減NOx 的方法，NOx減少效率可以達(dá)到95%以上。一個(gè)典型的SCR 裝置包括一個(gè)催化反應(yīng)器，一個(gè)加藥和儲(chǔ)存系統(tǒng)及一個(gè)控制系統(tǒng)。SCR 反應(yīng)器是一個(gè)能容納幾層催化劑板的方型容器。反應(yīng)器內(nèi)使用的催化劑通常是：五氧化釩、二氧化鈦,通常還加入三氧化鎢和三氧化鉬來優(yōu)化催化劑特性。柴油機(jī)的負(fù)荷是尿素噴注量的控制參數(shù)，噴入廢氣管道中的氨的量是由微處理器進(jìn)行控制的，加入量與柴油機(jī)的NOx 的產(chǎn)生量成正比，而NOx的產(chǎn)生量則是柴油機(jī)負(fù)荷的函數(shù)。這種關(guān)系可設(shè)計(jì)成程序，輸入微處理器，用于NH3劑量的控制。SCR 的安裝位置應(yīng)在廢氣鍋爐之前的某一位置。該位置的選擇取決于其最佳工作溫度，大約在380℃左右。對(duì)于二沖程低速機(jī)，催化劑應(yīng)優(yōu)先安裝于透平增壓器前，對(duì)于四沖程機(jī)而言，SCR總是適用于安裝在透平的后部。然而，在二沖程機(jī)透平的后部安裝SCR裝置同樣也是可行的。但這種布置需要一個(gè)后加熱器來將廢氣加熱至催化劑所需要的溫度。燃油質(zhì)量愈低，含硫量愈高，意味著催化劑的負(fù)荷較大。催化劑的壽命通常是3～5 年，催化劑材料本身只占總成本的10% ，SCR的主要運(yùn)行成本來自尿素的消耗量。40%的尿素溶液消耗量大約是20～25g/ kwh。SCR可輕易通過廢氣系統(tǒng)中的旁通閥進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換,當(dāng)船在大洋航行時(shí)，旁通閥打開，加氨系統(tǒng)停止工作；在受控水域航行時(shí)，旁通閥關(guān)小，反應(yīng)器接通，待溫度升至正常溫度后，加氨系統(tǒng)開始工作。目前控制NOx排放最有效的機(jī)內(nèi)組合方法也只能達(dá)到80%的NOx降低量，只相當(dāng)于一個(gè)簡單的SCR的水平，所以SCR 方法應(yīng)是目前船公司既能滿足各種NOx排放量要求的同時(shí)又能夠減少成本的優(yōu)先選擇。

結(jié)束語

面對(duì)21世紀(jì)，為了保護(hù)海洋環(huán)境和大氣環(huán)境，將使用越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，為此有關(guān)船舶防止大氣污染問題應(yīng)引起航運(yùn)界和廣大船用發(fā)動(dòng)機(jī)工作者的重視，并一起來研究和尋找出解決排放問題的技術(shù)策略和管理策略已是迫在眉睫之事。

（作者單位：青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院）