船舶柴油機(jī)尾氣煙度測試技術(shù)方案研究

喬紅宇

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010）

隨著國際航運業(yè)及船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，在航運營船舶數(shù)量越來越多。船舶數(shù)量的增長一方面帶來了運力的增加，另一方面則伴隨著船舶柴油機(jī)功率的不斷增大，船舶主機(jī)及發(fā)電機(jī)的尾氣排放對大氣污染也越來越嚴(yán)重。船舶柴油機(jī)在燃燒過程中，所形成的氮氧化物能引起酸化，形成對流層臭氧，營養(yǎng)富集等不良環(huán)境影響，對全球人類健康造成危害。［1－2］

基于此，國際海事組織（IMO）于2008年通過了“船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案”（2008年氮氧化物技術(shù)規(guī)則，以下簡稱“規(guī)則”）。該規(guī)則規(guī)定了船用柴油機(jī)試驗、檢驗和發(fā)證的強(qiáng)制性程序，以確保所有適用的船用柴油機(jī)符合規(guī)定的關(guān)于氮氧化物排放限值，降低大氣污染。該規(guī)則適用于所有已安裝或設(shè)計并擬安裝的功率大于130kW的船用柴油機(jī)。海事部門組織技術(shù)力量對船舶柴油機(jī)進(jìn)行檢驗，如果符合規(guī)則所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，則對已檢的船舶柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)證，主要是EIAPP證書、IAPP證書（EIAPP證書指與氮氧化物排放有關(guān)的發(fā)動機(jī)國際防止空氣污染證書；IAPP證書指國際防止空氣污染證書）。［3－4］

為滿足上述規(guī)則的要求并對船舶柴油機(jī)尾氣煙度排放進(jìn)行有效精確的測量，南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱“我院”）依托南通市南通市船舶動力裝置綜合測試重點實驗室，設(shè)計了船舶柴油機(jī)尾氣排放測試系統(tǒng)，在明確了規(guī)則所規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確定了船舶柴油機(jī)尾氣排放測試的技術(shù)方案，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了有加熱預(yù)處理裝置和無加熱預(yù)處理系統(tǒng)的對比試驗研究，得出了船舶柴油機(jī)尾氣煙度測試加熱預(yù)處理系統(tǒng)的必要性，對規(guī)則的順利履約提供了較好的參考，具有較強(qiáng)的技術(shù)價值。

1 氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)證規(guī)則

根據(jù)國際海事組織（IMO）的氮氧化物技術(shù)規(guī)則，海事主管部門首先進(jìn)行前期發(fā)證檢驗，如經(jīng)檢驗合格，主管機(jī)關(guān)簽發(fā)發(fā)動機(jī)國際防止空氣污染（EIAPP）證書。然后在發(fā)動機(jī)安裝上船后但尚未投入使用之前進(jìn)行初次發(fā)證檢驗。該檢驗主要是保證安裝到船上的發(fā)動機(jī)包括前期發(fā)證后的任何改裝符合規(guī)則規(guī)定的氮氧化物排放限值。該檢驗作為船舶初次檢驗的一部分，可向船舶初次簽發(fā)《國際防止空氣污染（IAPP）》證書，也可對船舶有效IAPP證書予以修正已反映安裝了新發(fā)動機(jī)。另外，在每次發(fā)動機(jī)進(jìn)行了重大改裝后應(yīng)重新進(jìn)行檢驗，以確保發(fā)動機(jī)符合規(guī)則要求，并對簽發(fā)EIAPP證書和IAPP證書進(jìn)行修正。船舶柴油機(jī)的氮氧化物（NOX）排放標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 船舶柴油機(jī)尾氣排放測試系統(tǒng)整體架構(gòu)

依托南通市船舶動力裝置綜合測試重點實驗室，我院設(shè)計了船舶柴油機(jī)尾氣排放煙度測試系統(tǒng)，其主要包括尾氣預(yù)處理裝置、分析儀、微機(jī)處理軟件系統(tǒng)等組成。［5－6］

尾氣預(yù)處理裝置主要包括帶蠕動泵的帕爾帖氣體預(yù)處理單元（用于氣水分離）、用于長期測量的新鮮空氣閥、加熱手柄（電源115～230V，50/60 Hz）、加熱采樣管（電源 230V/50Hz）、熱電偶（NiCr－Ni型，1.2m 長，量程－200℃～＋1 200℃）、加熱取樣軟管、加熱軟管轉(zhuǎn)換接口、溫控儀等。如果不采用加熱預(yù)處理裝置，則采用模塊化采樣探針來替代該部分。

分析儀采用德圖testo 350加強(qiáng)型煙氣分析儀，主要包括包含傳感器（CO、NO、NO2、CO2、SO2、O2等氣體檢測傳感器），另外還配有溫度探桿插口 K 型（NiCr－Ni）和S型（Pt10Rh－Pt）熱電偶、數(shù)據(jù)總線接口、可充電電池、環(huán)溫傳感器、脈沖接口、數(shù)據(jù)內(nèi)存、USB接口等。分析儀內(nèi)部為氣體測試程序以及顯示裝置。另外配有手操器，可通過數(shù)據(jù)總線電纜或藍(lán)牙無線連接到分析箱，也可以與主機(jī)相連接。

微機(jī)處理軟件系統(tǒng)通過USB連接電纜連接分析儀/手操器，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、顯示及打印，并可以進(jìn)行交叉靈敏度的標(biāo)定，且對傳感器各自進(jìn)行補(bǔ)償。

船舶柴油機(jī)尾氣排放測試系統(tǒng)（附帶加熱預(yù)處理單元）整體架構(gòu)如圖1所示。如果采用無加熱預(yù)處理裝置的尾氣排放測試系統(tǒng)，則將采樣探針接至帶蠕動泵的帕爾帖氣體預(yù)處理單元上，其余部分與圖1相同。

圖1 尾氣排放測試系統(tǒng)（帶加熱預(yù)處理單元）整體架構(gòu)

3 船舶柴油機(jī)尾氣排放測試方案設(shè)計

3.1 相關(guān)參數(shù)的獲取及試驗條件

（1）吸入空氣的溫度及壓力。首先測量發(fā)動機(jī)吸入空氣的絕對溫度Ta，應(yīng)測量或根據(jù)式（1）計算干燥大氣壓力Ps，以kPa表示：

（2）冷卻介質(zhì)溫度和增壓空氣溫度。對于具有增壓空氣冷卻的船舶柴油發(fā)動機(jī)，應(yīng)記錄冷卻介質(zhì)溫度和增壓空氣溫度，并需要提供中冷空氣參考溫度的試驗或計算來證實。

（3）進(jìn)氣壓力限制。在尾氣測試時，進(jìn)氣系統(tǒng)壓力應(yīng)保證在額定功率和滿載荷的轉(zhuǎn)速時規(guī)定的最大值±300Pa內(nèi)。

（4）排氣壓力限制。發(fā)動機(jī)排氣壓力應(yīng)保證在額定功率和滿載荷的轉(zhuǎn)速時規(guī)定的最大值±650 Pa內(nèi)。

（5）燃油的限制。燃油的性能可影響發(fā)動機(jī)的廢氣排放。因此，應(yīng)選擇正確的用于試驗的燃油。建議使用DM級船用燃料。另外，燃油的溫度應(yīng)符合廠家的建議，并按照要求進(jìn)行記錄。燃油溫度應(yīng)在燃料噴射泵進(jìn)口處進(jìn)行測量，并且溫度和測量點應(yīng)予以記錄。

（6）其他參數(shù)的測量與記錄。主要包括：絕對濕度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、總大氣壓、增壓空氣冷卻器后的增壓空氣壓力、制動功率、燃油流量、燃料齒條位置、空氣入口溫度、增壓空氣冷卻器后的增壓空氣溫度、增壓空氣冷卻器冷卻劑進(jìn)口/出口溫度、采樣點的廢氣溫度、發(fā)動機(jī)前的燃油溫度、海水溫度等。

3.2 船舶柴油機(jī)尾氣取樣及預(yù)處理

氣體排放物的取樣管可以安裝在發(fā)動機(jī)、渦輪增壓器或最后一個后處理裝置（取最下部者）的出口之后至少10倍于排氣管直徑處，但同時至少在廢氣系統(tǒng)出口的上部0.5m或3倍于排氣管直徑（取大者）處。對于帶有旁通排氣支管的多氣缸發(fā)動機(jī)，取樣管進(jìn)口應(yīng)充分處于下風(fēng)口以確保試樣能代表從所有氣缸排出的平均廢氣排放。對于帶有不同支管組的多氣缸發(fā)動機(jī)，需要分別從每組廢氣管處取樣并計算平均廢氣排量。另外，需要從一組中取樣以代表平均廢氣排量。對于廢氣排放計算，必須采用總廢氣質(zhì)量排量。

加熱取樣管路取樣管路由不銹鋼制成，其內(nèi)直徑為11.5mm，其主要作用是提供氣體試樣給煙度分析儀。取樣管的廢氣溫度應(yīng)不低于190℃，該溫度有溫控儀來進(jìn)行控制。加熱管中配有長為1.2m的NiCr－Ni型熱電偶，用來測量尾氣進(jìn)口溫度。取樣點至分析儀的廢氣溫度一直保持為190℃左右，使用加熱的過濾器和加熱取樣軟管。另外，加熱手柄一方面允許操作人員對取樣管進(jìn)行，另一方面還提供了通訊接口及控制元件使尾氣始終保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。

帕爾帖氣體預(yù)處理器主要連接煙度分析儀和采樣管，其作用一方面是用于氣水分離，另一方面是提供自動調(diào)節(jié)流量的主氣泵，其流量是恒定的，一般控制在1L/min，誤差為±0.1L/min。

3.3 分析儀的檢查與響應(yīng)

在進(jìn)行船舶尾氣煙度測量前，應(yīng)檢查分析儀的零位和滿量程值，必要時應(yīng)對分析儀進(jìn)行調(diào)整。

在穩(wěn)定測試時，實時記錄在試驗過程和所有零位和滿量程響應(yīng)檢查過程中分析儀的輸出，記錄時間不小于10min，對每個零位和滿量程響應(yīng)的檢查時間不小于3min。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取樣頻率至少每分鐘三次。測量的CO、HC和NOX濃度以ppm或等效方式記錄并至少精確到最接近整數(shù)位。排放試驗后，使用零位氣體和測量前使用的相同滿量程氣體對分析儀的零位和滿量程響進(jìn)行重新檢查。試驗合格的標(biāo)準(zhǔn)是，在試驗之前和之后零位氣體響應(yīng)相差低于初始滿量程氣體濃度的2%；在試驗之前和之后滿量程氣體響應(yīng)相差低于初始滿量程氣體濃度的2%。

3.4 氣體排放量的修正及計算

由于氮氧化物的排放取決于環(huán)境空氣狀況，所以應(yīng)使用濕度修正系數(shù)khd來修正環(huán)境空氣溫度和濕度的氮氧化物濃度，如式（2）所示。

對壓燃式發(fā)動機(jī)：

式中Ta為空氣濾清器進(jìn)口的空氣溫度，K；Ha為空氣濾清器進(jìn)口的吸入空氣濕度，克水（g）/每千克干空氣（kg）。

得出修正系數(shù)后，根據(jù)分析儀的測試數(shù)據(jù)就可以得出氮氧化物的排放量，如式（3）所示。

式中qmgas為個別氣體排放質(zhì)量流量，g/h；ugas為廢氣成分密度和廢氣密度比率，依據(jù)相關(guān)規(guī)范取值，如表2所示；cgas為原始廢氣中各成分的濃度，ppm；qmew為廢氣質(zhì)量流量，kg/h；khd為 NOX濕度修正系數(shù)。

表2 原始廢氣的系數(shù)ugas和燃料參數(shù)

4 船舶柴油機(jī)尾氣排放測試實驗

根據(jù)上述的測試技術(shù)方案，筆者選取了某34 000DWT散貨船為測試對象，全長179.8m，型寬27.0m，型 深25.0m。主 機(jī) 型 號 德 國 MAN 6S42MC7，額定轉(zhuǎn)速為136rpm，額定功率為6 480 kW，凈重143t。船舶柴油機(jī)尾氣煙度測試的設(shè)備分為兩套，分別是帶有加熱預(yù)處理裝置和不帶加熱預(yù)處理裝置（僅為采樣探針）的分析裝置。應(yīng)用這兩套煙氣分析裝置分別對四個采樣點進(jìn)行測量，每個采樣點測量三次，以三次采樣測量的平均值經(jīng)過修正后得到最終的采樣數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 有無加熱預(yù)處理裝置的煙度測量數(shù)據(jù)對比

從表3中可以得出，帶有加熱預(yù)處理裝置與不帶加熱處理裝置的煙氣分析儀在測量數(shù)據(jù)上有所差別，相比較而言，帶有加熱預(yù)處理裝置的測量結(jié)果更加接近于精確值。主要原因為：

（1）由于從取樣到測量的整個管路流程均有相應(yīng)的加熱裝置，使得NOX以及其他尾氣的氣體成分更加接近于排氣管內(nèi)的狀態(tài)，使得測量結(jié)果的可信度更高。

（2）目前，主流的船舶柴油機(jī)尾氣煙度（NOX）方法為配有NO2/NO轉(zhuǎn)換器的加熱式化學(xué)熒光探測（HCLD），一般要求NO2轉(zhuǎn)換成NO的轉(zhuǎn)換率必須在90%以上，為保證熱反應(yīng)轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行，所以必須對取樣管路進(jìn)行加熱預(yù)處理。

（3）在船舶柴油機(jī)尾氣煙度測量中，一般NO2濃度較高，為避免尾氣冷凝，必須將取樣管路加熱到冷凝點以上。

所以，在測量船舶柴油機(jī)尾氣煙度時，船舶柴油機(jī)煙度分析儀必須附加煙氣加熱預(yù)處理裝置，取樣管的廢氣溫度要求一般不低于190℃。

5 結(jié)語

航運業(yè)是我國進(jìn)出口貿(mào)易的核心支撐力量，也是我國經(jīng)濟(jì)社會快速穩(wěn)定發(fā)展的重要支撐。根據(jù)國際海事組織制定的氮氧化物技術(shù)規(guī)則，所有在航船舶均將需要EIAPP證書、IAPP證書方能適航。而面對已經(jīng)實施的國際規(guī)則，如何進(jìn)行船舶柴油機(jī)煙度測量，尤其是NOX的測量是海事管理部門及輪機(jī)工程技術(shù)人員當(dāng)前必須要解決的技術(shù)問題。本文根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)則提出了船舶柴油機(jī)尾氣煙度測試技術(shù)方案，并設(shè)計了船舶柴油機(jī)煙度測試系統(tǒng)，然后應(yīng)用兩套煙度分析儀（有加熱預(yù)處理裝置和無加熱與處理裝置）對同一個船舶柴油機(jī)進(jìn)行了煙度的測量，并從機(jī)理上分析了加熱預(yù)處理裝置的必要性，具有較強(qiáng)的實用意義與借鑒價值，并為今后船舶柴油機(jī)煙度測量的實施以及海事部門的發(fā)證提供了參考。

［1］ 范金宇，陳景鋒，黃加亮.控制船用柴油機(jī)NOx和煙度排放的試驗研究［J］.船海工程，2007（1）：75－78.

［2］ 劉建華，陳景鋒，陳丹.船用柴油機(jī)NOx排放的試驗研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000（4）：37－41.

［3］ 國際海事組織（IMO）.船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則修正案［S］.

［4］ 國際海事組織（IMO）.Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships［S］.

［5］ 包帥善.柴油機(jī)煙度排放測試技術(shù)的發(fā)展［J］.柴油機(jī)設(shè)計與制造，2006（2）：1－4，8.

［6］ 曹躍芳.柴油機(jī)煙度測量問題的探討［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2006（3）：32－35.