船用中速柴油機(jī)IMO Tier III排放控制技術(shù)

王繼勇,王增英,秦 娟

（濰柴重機(jī)技術(shù)中心,山東 濰坊 261108）

船用中速柴油機(jī)IMO Tier III排放控制技術(shù)

王繼勇,王增英,秦 娟

（濰柴重機(jī)技術(shù)中心,山東 濰坊 261108）

本文介紹了IMO Tier II和Tier III排放法規(guī)，對船用中速機(jī)降低NOx排放的最重要的技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出了各種方法的優(yōu)缺點，提出了組合實施的改進(jìn)方案。

船用中速柴油機(jī)；Tier III；排放；IMO

0 前言

2008年10月，國際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC 58）制訂了針對NOx的排放法規(guī)。凡是在2011年1月1日后鋪設(shè)龍骨的船舶必須滿足IMO Tier II NOx排放法規(guī)，并且在全球海域強(qiáng)制執(zhí)行。

表1 NOx排放限值

接下來的Tier III階段對每個負(fù)荷點的NOx排放都有所要求（Not-to-Exceed要求），即排放循環(huán)內(nèi)每個負(fù)荷點的NOx排放不能超過循環(huán)平均值的50％。其次，TierII排放法規(guī)的NOx檢測點在發(fā)動機(jī)增壓器后，但Tier III的檢測點在輪船煙囪末端，這意味著發(fā)動機(jī)制造商需要對整個排氣管負(fù)責(zé)。另外Tier III沒有一個適用于各海域的NOx限值，其限值取決于船舶運(yùn)行的區(qū)域，這與IMO Tier II顯著不同。在排放控制區(qū)域（ECA區(qū)域），Tier III的NOx排放量比Tier I低80％；在非排放區(qū)域則執(zhí)行Tier II排放。不同區(qū)域如圖1所示。

為了滿足IMO Tier III限值，各國采取了大量降低NOx排放的技術(shù)，既有機(jī)內(nèi)的又有機(jī)外的。著眼于提供解決Tier III排放的技術(shù)路線，本文對船用中速機(jī)降低NOx排放的最重要的技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

圖1 現(xiàn)存的、計劃的和正在討論的排放控制區(qū)

1 船用中速柴油機(jī)降低NOx排量的技術(shù)概述

船用中速機(jī)降低NOx的方法可以簡單概括為四大類：機(jī)內(nèi)凈化（Internal）、噴水法、廢氣再循環(huán)（EGR）和選擇性催化氧化（SCR）。以Tier I NOx排放限值為基準(zhǔn)，各種降低NOx措施的潛能如圖2所示。SCR和EGR具有將NOx降低80％的潛能。機(jī)內(nèi)凈化和噴水法（例如乳化油法FEW和進(jìn)氣加濕法HAM）分別能將NOx降低30％～60％。

圖2 各種降低NOx措施的潛能

使用噴水法減少NOx排量，所需要的水量是按照每下降10％NOx，需加入1 ％的水的規(guī)律運(yùn)行。一般柴油機(jī)允許在全負(fù)荷下加入20 ％的水。這種混合從燃油角度來講并沒有什么限制。雖然噴水法法具有較大的潛力，但是考慮到要增加額外的設(shè)備，也不太實用。

對于機(jī)內(nèi)凈化，盡管也不能使NOx排放降低80％，但是有效地機(jī)內(nèi)凈化不但能夠使SCR或者EGR發(fā)揮更大功效，還有利于提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，降低運(yùn)行成本。一些發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化措施，例如電噴技術(shù)、可變進(jìn)氣和可變幾何渦輪增壓器，對Tier III的實現(xiàn)變得尤其重要。

2 船用中速柴油機(jī)NOx排放控制技術(shù)

2.1 機(jī)內(nèi)凈化

對于NOx的生成機(jī)理，目前研究的結(jié)果是：一般認(rèn)為NOx是在高溫富氧條件下產(chǎn)生的。當(dāng)燃燒溫度高于2300K時，如果缸內(nèi)某一區(qū)域氧氣濃度比較高，此時必然產(chǎn)生NOx。因此合理的燃燒過程是首先是降低初始燃燒溫度，實現(xiàn)NOx排放下降，然后保持快速燃燒和較高的燃燒溫度使整個燃燒過程縮短，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。主要的發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化包括米勒循環(huán)、提高進(jìn)氣壓力、可變配氣正時和提高燃油噴射壓力和噴油速率控制等技術(shù)。

米勒循環(huán)的核心是使氣門在下止點之前關(guān)閉，這使得進(jìn)氣在被壓縮前就得到膨脹和冷卻、整個燃燒過程的溫度降低，從而降低NOx排放。為了消除提前關(guān)閉進(jìn)氣門的影響、保證缸內(nèi)進(jìn)氣量保持恒定，采用米勒循環(huán)時必須同時采用高增壓措施。

2.2 選擇性催化氧化（SCR）

SCR使用NH3將排氣中的NOx轉(zhuǎn)化為無毒的氮氣和水。然而，NH3本身是有毒的不便于直接使用，因此目前普遍采用32.5％或者40％濃度的尿素替代NH3。尿素分別在排氣管和催化器中進(jìn)行兩次化學(xué)反應(yīng)。第一次是在炙熱的排氣中分解為NH3和CO2。降低NOx的反應(yīng)發(fā)生在催化器中，NH3和NOx反應(yīng)生成水和氮氣。整個 SCR反應(yīng)能夠?qū)懽鳎?/p>

如果尿素的量超過了理論當(dāng)量比就會產(chǎn)生NH3泄露。為了避免破壞環(huán)境，就需要完善尿素噴射的控制策略。可以通過使用NOx傳感器形成一個閉環(huán)控制，但是這樣需要在船上增加設(shè)備。也可以通過臺架標(biāo)定形成基于特性MAP圖的控制策略，從而達(dá)到防止NH3泄露而不增加設(shè)備。

燃用重油的船用中速柴油機(jī)還需要解決更多的技術(shù)難題。首先，重油屬于殘渣油，其中含有大量灰分和硫。灰分會附著在觸媒層上，如果不及時去除會堵塞催化器。其次，燃用重油后產(chǎn)生的硫化物會影響SCR的效率。在不同的硫化物含量下，低于某一溫度，NH3會和氧化硫反應(yīng)生成硫銨。溫度曲線見圖3。硫銨是粘性的固體物質(zhì)，能夠堵塞催化器，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低、排氣被壓增加。

由于船用中速柴油機(jī)效率比較高，渦后排溫有時會接近甚至低于圖3所示臨界溫度。一種解決方案是停止尿素噴射，在無NH3的情況下催化器本身能夠承受高的硫含量。這種方案可以在非ECA區(qū)域?qū)嵤Ｔ贓CA區(qū)域，必須使用提高排氣溫度的技術(shù)，可行的技術(shù)有進(jìn)氣旁通、排氣旁通或者可變渦輪（VTA）技術(shù)。考慮到燃油消耗、購機(jī)費用和維修費用，對單級增壓發(fā)動機(jī)首選排氣旁通；對于用于定距槳或者兩級增壓發(fā)動機(jī)則首選VTA技術(shù)。

2.3 廢氣再循環(huán)

廢氣再循環(huán)（EGR）控制方式，根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度等參數(shù)控制EGR閥，排氣中的部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)。廢氣再循環(huán) （EGR）是將一部分柴油機(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。基于EGR的IMO Tier III策略必須在發(fā)動機(jī)上安裝一套EGR系統(tǒng)，其優(yōu)點是初期投入少，占用空間小。但是另一方面，EGR技術(shù)也需要克服一些挑戰(zhàn)。一套滿足Tier III的可行的EGR解決方案應(yīng)該包括以下幾個方面：

圖3 SCR所需排氣溫度以及典型的發(fā)動機(jī)渦后排溫

（1）可控的兩級增壓系統(tǒng)。

（2）能夠達(dá)到2200bar噴射壓力的共軌燃油系統(tǒng)，并且具有多次噴射的能力以控制顆粒物排放。

（3）更高的缸內(nèi)平均有效壓力。

（4）耐沉積、耐腐蝕的EGR系統(tǒng)。

如圖4所示，包括EGR洗滌、水處理器、EGR冷卻器、EGR泵和EGR閥。洗滌器能夠去除排氣中的灰分和氧化硫，防止其堵塞、腐蝕EGR系統(tǒng)。通過冷卻廢氣，降低進(jìn)去氣缸的沖量溫度，有利于降低NOx排放。EGR泵能夠解決部分負(fù)荷排氣壓力低于進(jìn)氣壓力的問題，使EGR率在各個工況都可以靈活控制。EGR閥的開關(guān)易于控制，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)在ECA區(qū)域內(nèi)外的靈活切換。

圖4 船用中速柴油機(jī)EGR系統(tǒng)

2.4 可行的技術(shù)組合

表2

3 結(jié)論

排放法規(guī)的不斷強(qiáng)化推動著船用中速柴油機(jī)排放控制技術(shù)的不斷革新。機(jī)內(nèi)凈化仍然是優(yōu)化發(fā)動機(jī)的重要措施和基礎(chǔ)。SCR或者EGR技術(shù)都具有使發(fā)動機(jī)達(dá)到Tier III的潛能，但是單一技術(shù)都無法使柴油機(jī)達(dá)到Tier III排放，達(dá)到排放限值是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。

[1]國際海事組織公約[S].

[2]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]WEICHAI-MAN工程指南-GenSet_Tier II[S].