船舶柴油機廢氣排放控制技術

曼恩機械有限公司上海分公司 楊永東

一、MARPOL公約附則VI的形成與發展

IMO在制定1973年防污公約（MARPOL 1973）時，對控制船舶污染空氣（尤其是排氣中的有毒氣體）的議題進行了討論，但未將有關空氣污染的規則納入公約。1973年公約只包括5個技術附則。

1979年，在聯合國歐洲經濟委員會的環境部長會議上，通過了《長距離越境空氣污染公約》（Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution，LRTAP），以處理歐洲和北美的酸雨問題，公約主要規定了為防止各加盟國越境大氣污染的最佳對策，防止硫等物質排放的技術，促進酸雨影響的研究與開發，實施國際合作和檢測等。

在MORPOL73/78公約于1983年生效后，IMO海洋環境保護委員會（MEPC）開始討論防止船舶污染空氣的規則，并先后通過了防污公約《減少硫排放物議定書》（1985）、《控制氮氧化物排放議定書》（1988）、《控制揮發性有機化合物排放議定書》（1991）和《進一步減少硫排放物議定書》（1994）。

1988年，挪威遞交了關于空氣污染問題的文書，MEPC同意將該議題納入工作日程。在1989年3月召開的海環會會議上，多國提交了關于防止船舶污染空氣的文書，MEPC決定自1990年起將空氣污染議題列入其長期工作議程。1990年挪威向MEPC提交了系列關于船舶排放硫、氮氧化物以及氯氟烴（CFCs）和哈龍（Halons）的研究報告。在MEPC的努力下，1991年IMO大會通過了關于防止船舶污染空氣的A.719（17）號決議。決議要求MEPC起草一個關于防止船舶污染空氣的MARPOL73/78新附則。新的附則草案經過6年的準備，IMO于1997年9月通過MARPOL73/78公約1997年議定書，為防污公約新增了一個附則VI，標題為“防止船舶造成空氣污染規則”。1997年議定書于2005年5月生效。

新的附則VI設定了船上硫氧化物、氮氧化物的排放限制，并禁止蓄意排放破壞臭氧層的物質。該附則設定了一個4.5%m/m的全球燃油硫含量上限，并呼吁IMO監控世界范圍內的平均燃油硫含量。

1997年議定書生效后，MEPC考慮到當時的技術可行性和進一步降低排放的需要，先后于2005年7月召開的第53屆會議和2008年10月召開的第58屆會議上通過了附則VI和NOx技術規則的修正案。2008年修正案于2010年7月1日生效。

二、MARPOL公約附則VI關于氮氧化物排放和燃油硫含量的規定

2011年1月1日生效的關于控制氮氧化物排放的具體內容可以用圖1來表示，即在全球海域范圍之內，2011年1月1日之前裝船使用的二沖程低速柴油機NOx排放限值為17.7 g/kWh（Tier I）；2011年1月1日以后鋪龍骨的船上使用的二沖程低速柴油機需要減少到14.4 g/kWh（Tier II）；2016年1月1日及以后新造的船舶，在特定的排放控制區域，NOx的排放要在Tier I的基礎上減少80%（Tier III），在其他區域還是執行Tier II的排放規則。

圖1同時給出了MARPOL73/78公約附則VI關于燃油含硫量的要求，從圖中可以看出，到2020年全球海域內船舶使用的重油含硫量不得超過0.5%，在SECA區域，自2016年起硫含量不得超過0.1%，在加州海岸2012年1月已經實施了燃油含硫量不超過0.1%的規則。

三、控制船舶柴油機廢氣排放的方法

圖1 控制氮氧化物排放的具體內容

就船用低速機市場占主導地位的MAN B&W來說，目前有兩種比較成熟的方案來控制NOx排放，分別是廢氣再循環技術（Exhaust Gas Recirculation，EGR）和選擇性催化還原理技術（Selective Catalyst Reduction，SCR）。對于SOx的控制，有兩種不同的解決方案，一是在船舶上加裝Scrubber （洗滌塔），或者直接燃燒滿足要求的低硫油，以達到排放的要求。

圖2 EGR裝置在柴油機上的安裝位置和廢氣再循環路徑

1.廢氣再循環技術

EGR裝置在柴油機上的安裝位置和廢氣再循環路徑可以大致用圖2表示。

廢氣再循環技術的主要思路是將柴油機產生廢氣的一小部分再送回到汽缸，用排氣中的CO2代替掃氣空氣中一部分氧氣，由于CO2的比熱比氧氣大，可以降低燃燒室中的最高溫度。同時，再循環廢氣由于具有惰性，會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢從而導致燃燒室中的壓力形成過程放慢，最終達到減少NOx生成量的效果（NOx在高溫富氧的環境下產生），從而實現了發動機排放水平的提升。另外，提高廢氣再循環率會使總的廢氣流量減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量也會相對減少。

EGR系統的關鍵就是控制廢氣的引入量，使廢氣的再循環量在每一個工作點都達到最佳狀況。如果廢氣的引入量過多，造成氧氣量不足，會導致柴油機燃燒狀況不佳；如果廢氣引入量不足，就達不到減少氮氧化物的目的。因此，一個看似簡單的過程其實并不簡單，圖2中的EGR Valve必須有精確的控制技術才能達到相應的效果。EGR技術通過稀釋汽缸的氧氣，同時配合燃油電噴技術，改善燃油噴射效果，使燃燒過程更加平穩，減少柴油機粗暴燃燒。

但是，單獨采用EGR技術并不能達到降低廢氣排放的目的，還必須配合中冷技術（圖2中的水處理系統）一起使用。發動機的排氣溫度非常高，一般能到達300～400 ℃，如此高溫的氣體引入對發動機性能會造成極大損害，中冷技術正是為解決這個問題而生。實驗證明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降10 ℃，發動機功率就能提高3%～5%。油耗也因此會相應下降。

EGR技術代表了Tier III研發的里程碑，它的出現使現有船用發動機滿足自2016年起開始實施的排放控制區域排放標準，同時，EGR也不會顯著改變發動機的性能。

在圖2中，還有一個洗滌塔裝置，根據實驗結果，在柴油機運行在75%額定負荷情況下，該洗滌塔可以降低排放廢氣中70%～80%的顆粒物，洗滌塔中的過濾裝置還可以減少90%～98%的SO2，從而保證了進入掃氣空氣中的廢氣的惰性，防止SO2重新進入汽缸產生腐蝕。

第一條裝配MAN公司研發的EGR裝置的船舶主機6S80ME-C9將于2013年第一季度交付開始投入運營，MAN公司將在未來三年進行跟蹤研究和服務。這臺主機每年將有20%的時間進行Tier III模式運行。

現在設計的新型柴油機已經可以將EGR設計成柴油機的一部分，而不需要單獨配置另外一個系統。所以，對于新建造的船舶，如果選用集成EGR系統的柴油機，對于滿足新規范的要求是沒有任何問題的。

2.選擇性催化還原技術

選擇性催化還原裝置及其工作原理見圖3。

圖3 選擇性催化還原裝置及其工作原理

SCR已經被廣泛應用于陸地火力發電廠，而且技術相當成熟，以NH3基為還原劑的SCR技術，能去除柴油機尾氣中的絕大多數NOx和部分HC。由于尿素比液氨或氨水更便于運輸和存儲，安全性也好，因此船用柴油機的SCR技術一般以尿素為還原劑。

但是在船用發動機低負荷運行的時候還有一些技術性的挑戰需要解決。通常情況下，柴油機在20%～40%負荷下，廢氣排溫低于300 ℃，而SCR要求的工作溫度在300 ℃以上。

如何解決船用柴油機在低負荷時的排氣溫度是讓SCR能滿足船舶使用的關鍵問題，目前通常的做法是旁通部分掃氣，通過減少進入汽缸的掃氣量來增加排氣溫度。根據實驗結果，在柴油機運行于25%負荷時，可以通過旁通部分掃氣將廢氣溫度從258 ℃提高到330 ℃。此時相應的油耗會提高3 g/kWh左右，但還是遠遠低于IMO規定的5.1 g/kWh。

通過采用高壓SCR技術，可以完全滿足Tier III排放技術要求，同時，SCR裝置的體積也減小很多，不需要太多的催化劑和催化反應空間。MAN的電噴ME主機的ECS控制系統，可以完全集成整個SCR的控制，包括在柴油機低負荷情況下自動旁通部分掃氣，以達到SCR裝置最佳工作的要求。

3.Scrubber（洗滌塔）脫硫技術

對于SOx的處理，單純地對柴油機設計進行改造已經不可能滿足排放Tier III和SECA的要求了，因此必須采用后處理裝置Scrubber洗滌塔。見圖4。

Scrubber已經是一種非常成熟的技術，在傳統商船上的應用主要是空間的問題，如果在船舶建造初期沒有安裝，則在后期改裝需要有足夠的空間和較大的投資費用。一般可以將其安裝在后甲板上。

目前，主要幾大主流供應商有Alfa Laval Aalborg，Hamworthy Krystallon，DuPont Belco，Couple Systems（Dry scrubber）和Wartsila。

圖4 Scrubber洗滌塔示意圖