船舶柴油機NOx排放控制探析

王兆省　周廣豐

摘 要：20世紀70年代以來，船舶柴油機的排放對環境的影響日益引起各國的重視，許多國家和地區通過立法的形式規定了船舶柴油機的排放限額。國際海事組織（IMO）多次召開會議，就船用燃油質量、主機機型設計和排放要求展開探討。隨著MARPOL公約附則Ⅵ第二階段和第三階段的到來，對船舶排放的要求更加嚴格。文章從技術方面就降低NOx的排放進行探討。

關鍵詞：船用柴油機；MARPOL；NOx排放

隨著國際貿易的發展，船舶航運在經濟發展中發揮著越來越重要的作用。在驅動經濟發展的同時，自身也面臨著能源與環境的問題。地球上化石燃料儲存有限，而能源需求量卻在逐年增加，資源面臨著枯竭的危險。與此同時，環境污染日趨嚴重，極大地制約了經濟的發展，影響人們的身體健康，甚至危及人類的生存。船舶對環境所造成的污染主要來自柴油機排放造成的大氣污染。

限制船舶污染物的排放已成為國際社會的共識。1997年，國際海事組織（IMO）制定并通過了MARPOL73/78公約的新增附則Ⅵ《防止船舶造成大氣污染規則》，對船舶主機的排放提出嚴格的要求。MARPOL73/78公約附則Ⅵ適用于400總噸及以上航行于締約國海域的船舶，以及航行于締約國所屬或所管轄水域的平臺和鉆井平臺。

對安裝在2000年1月1日及以后的船舶上的柴油機或經重大改裝的、輸出功率超過130KW的柴油機，附則Ⅵ規定了NOx的排放上限，表1是IMO對NOx排放的要求。

據統計，船用柴油機每年向大氣中排放的NOx達到650萬噸，超過了SOx（600萬噸）。預計到2020年，NOx的排放量將增長47%。船舶所造成的大氣污染，特別是距海岸400km以內的近海地區尤為嚴重。減少柴油機的有害排放已刻不容緩。

NOx是柴油機廢氣的主要成分之一，其中90%的是NO，少量是NO2。

NOx是形成酸雨、酸霧的主要原因之一，是光化學煙霧的罪魁禍首，對人體的呼吸系統有毒害作用。限制氮氧化物的排放已成為各國環保部門的共識。為了減少NOx的排放，根柴油機的工作過程，可以從機前處理、機內處理和后處理三個方面進。

1 機前處理——乳化燃油技術

燃油乳化是將燃油摻水形成乳化油在柴油機中進行燃燒。乳化燃油有油中水滴型（W/O）和水中油滴型（O/W）兩種。考慮到對柴油機的可靠性和壽命的影響，通常采用W/O型乳化油。

當向柴油機噴入乳化油時，乳化油中的水分蒸發使得燃油溫度下降，從而降低NOx的排放。另一方面，乳化油噴入氣缸燃燒室后，在超聲波和熱場的作用下，油滴內部溫度和壓力急劇升高并發生爆炸，從而使乳化油破碎成更小的油滴。通常情況下增加1%的水將減少1%的NOx。

2 機內處理

2.1 直接噴水技術

該技術是把水和燃油以一定的比例先后噴入缸內，在燃燒的過程中通過水分蒸發帶走大量熱量以降低燃燒室峰值溫度從而降低NOx的排放。在發動機的各缸蓋上裝有相互獨立的燃油和水噴射閥，噴水系統可以隨時切斷。

此方法可以降低50%-60%的NOx排放，水油的最大比例為50%，超過此比例后，燃油消耗量將增大，NOx的降低則不明顯。

2.2 兩級燃燒方式

為減少NOx的排放，應在保證柴油機熱效率的前提下，降低燃燒的最高溫度，縮短滯燃期。為此可以采用兩級燃燒的方式，它將燃燒過程分為兩個階段。在壓縮接近上止點的時候，少部分燃油著火燃燒，到活塞接近上止點時，為第一個階段。此階段產生熱量較少，壓力上升平緩。活塞離開上止點后，燃燒室的溫度和壓力迅速提高，其余燃料快速燃燒，反應速度加快，緩燃期和后燃期大大縮短，提高了熱效率，同時由于最高爆發壓力降低，使得燃燒較為平緩，增強了柴油機的可靠性。

2.3 推遲噴油定時

噴油定時包含著確定噴油始點和噴油終點的時刻，就其內容而言，我們研究的是噴油的早晚以及持續時間問題。噴油定時對柴油機排放的影響，主要是通過滯燃期的長短起作用。滯燃期長，預混合燃油所占比例就大，NOx排放量就高。研究表明，推遲噴油定時是降低柴油機NOx排放濃度的簡單而有效地措施。當噴油定時比對應于最短滯燃期的定時還晚時，NOx排放量將繼續降低，但過分推遲噴油定時會導致柴油機的后燃嚴重，排煙增加，降低了柴油機的熱效率，是不可取的。為降低NOx的生成量，應盡可能保證在柴油機具有較高熱效率的前提下，降低燃燒的最高溫度，縮短滯燃期。

2.4 采用高壓共軌噴射

傳統的機械式燃油噴射系統的柴油機，為提高經濟性，通常采用增大噴油提前角的方法，為了降低NOx的排放，又要求減小噴油提前角。由于機械結構的限制，往往很難同時滿足這兩個要求。使用高壓共軌噴射系統，可以根據工況對噴油定時和供油量精確控制，可以顯著提高柴油機的經濟性，同時又降低了NOx的排放。

2.5 廢氣再循環（EGR）

使部分廢氣再次進入氣缸參與循環。由于氧濃度的降低和熱容量的增加，可以獲得較低的燃燒溫度和較低的NOx排放。參與循環的廢氣量比例為10%-20%，可使得NOx的排放降低30%-40%。

由于廢氣中含有未燃燒的HC化合物，炭煙顆粒和灰塵，會對增壓器和氣缸造成損害。這種方法更適合中小型柴油機，而對于燃用重油的船用柴油機，廢氣中的顆粒和油煙會更多，在船用領域有待于進一步研究。

3 機后處理

3.1 催化還原SCR

使用機內凈化或者前處理方法仍然不能滿足排放要求，就需要采取排氣后處理的措施。其中廣泛使用的是選擇性催化還原法（SCR）。在SCR反應器中，使廢氣通過無水液氨或氨水溶液以及裝有催化劑的反應器（選擇性催化還原法使用的還原劑，主要以氧化鈦為載體，以五氧化釩、氧化鋁為活性成分），在350-450℃下NOx被還原成N2和H2O，發生如下反應：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

在SCR裝置中，應首先使廢氣通過顆粒捕集器，以防粉塵對裝置的影響，同時也降低了柴油機PM的排放。采用此方法，可降低95%的NOx排放。但由于SCR裝置尺寸大，運行成本高，在柴油機工況變化時，難以準確控制氨的供給量，使得柴油機的經濟性受到影響。

3.2 水箱洗滌法

水洗法常用的一種廢氣后處理方法，可以凈化NOx和微粒以及其他廢氣，同時可有效地降低排煙溫度，減輕噪音。

水洗箱中的洗滌液一般是加入洗滌劑的溶液，使用10%的硫酸鈉溶液，可以吸收25%的NOx，使用20%的硫酸亞鐵溶液可使NOx的排放降低40%。在水中加入適量尿素，可以顯著提高NOx的吸收率。

在柴油機動力設備通常使用隔板式水洗箱，它主要由擴散室、噴氣管、隔板和排氣室組成，如圖3所示。柴油機的廢氣經過擴散室后緩慢進入水中。由于隔板的阻擋作用廢氣和水溶液及水蒸氣有足夠長的時間相互作用，從而達到有害氣體充分過濾的目的。

4 結束語

綜上所述，影響柴油機NOx排放的因素很多，單純使用一種技術降低船用柴油機的排放已無法滿足嚴格的排放法規的要求，需要采取綜合措施，對船舶的燃油系統、燃燒系統和排放系統進行全面設計，在滿足排放標準的同時，又能改善柴油機的性能指標。

（1）使用乳化燃油，噴油持續時間延長，燃燒最高爆發壓力增加，NOx的排放減少，燃油的消耗減少，排煙溫度會減低，但是排煙中顆粒物數量會增加，淡水消耗量也將增加。（2）提高噴油壓力，推遲噴油定時，改善增壓器的效率和進氣壓縮比可以有效減少NOx的排放。（3）選擇性催化還原法（SCR）可除去大部分的NOx，但設備投資和運行的費用較高；體積龐大，廢氣處理后的產物需要專門的空間儲存空間，船舶到港后交岸上處理，使船舶運行的經濟性受到影響。

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作者簡介：王兆省（1986-），男，漢族，山東人，上海海事大學碩士，船舶與海洋工程專業。