柴油機顆粒物及氮氧化物排放后的處理技術

王 芳，張文濤，潘娜娜，陳 娜

（1.青島恒星科技學院，山東 青島266000；2.青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

柴油機尾氣具有復雜的化學組成，尾氣組分與發動機的工況有很大的關系，污染物成分主要包括碳煙顆粒物（PM）、烴類（HC）、CO 和NOx等。柴油機中PM 的組成取決于運轉工況，尤其是排氣溫度。當排氣溫度較低時，碳煙會吸附和凝聚多種有機物，即有機可溶成分（SOF）；柴油機顆粒的主要成分是碳煙，碳煙的形成條件是高溫和缺氧，由于柴油機的油氣混合不均勻，局部的缺氧還會導致碳煙的形成。碳煙是一種吸光性物質，可吸收太陽短波輻射，同時釋放紅外輻射，加熱周邊大氣。黑碳的增溫效率高于二氧化碳等溫室氣體，黑碳排放對北極冰川融化也有嚴重影響[1]。柴油機排放的NOx主要是NO2和NO，NO 占NOx總量的85%～95%，NO 排放到大氣中，緩慢地與O2發生化學反應，最終生產NO2。NO 的產生途徑主要有三個：燃料NO 的生產、激發NO 的生產和高溫NO 的生產，前兩者的生成量極少，可以忽略不計。NO 會形成酸雨，對臭氧層有破壞作用，以及對人體的呼吸系統產生剌激[2]。總之，PM 和NOx這兩種主要污染物都會造成不同程度的大氣污染，影響人們的身體健康，因此降低NOx和PM 排放是凈化柴油機尾氣的主要課題。

1 氮氧化物減排排放標準及技術

1.1 排放標準

1997 年9 月27 日，國際海事組織（IMO）、海洋環境保護委員會（MEPC）在總部倫敦召開了MARPOL73/78 締約國大會，將《防止船舶造成大氣污染規則》增加至《國際防止船舶造成污染公約》中，作為附則Ⅵ。該公約的生效條件：15 個國家批準、批準國家的商船總噸位占世界商船總噸位的50%以上，達到以上2 個條件后12 個月自動生效。2004 年5 月18 日達到了該生效條件，2005 年5 月19 日正式生效。NOx排放標準已于2016 年開始強制實施。

《國際防止船舶造成污染公約》附則VI 對船用柴油機排放氣中的NOx制定了最高限值，2016 年1 月1 日或以后建造的船上安裝的柴油機，當在排放限制區域內航行時，其NOx排放量的限制值按第三標準要求，具體內容如下：1）3.4g/kWh，當n＜130r/min；2）9·n-0.2g/kWh，當130r/min ≤n＜200r/min；3）2g/kWh，當n＞2 000r/min。

1.2 氮氧化物減排技術

船用柴油機滿足第三階段排放的解決方案，分為采用新型燃料、改善發動機燃燒條件和排氣后處理三類，其中新型燃料為采用甲烷或液化天然氣、氨等清潔燃料；改善發動機燃燒條件為采用新型燃燒室以降低燃燒溫度、用電控共軌噴射系統、廢氣再循環、推遲噴油定時并適當提高噴油壓力；后處理技術為廢氣再燃燒處理和催化還原法。從TIER Ⅰ到TIER Ⅱ可以通過改善發動機燃燒條件實現，從TIER Ⅱ到TIER Ⅲ只通過改善燃燒條件是無法實現的，目前應對措施主要包括選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環（EGR），這兩項技術可以滿足第三階段排放的要求[3-4]。

廢氣再循環系統是將部分柴油機燃燒后的廢氣取代部分新鮮空氣，通過增加空氣中二氧化碳的量，降低氧氣的含量，使氧氣和氮氣在高溫下反應的條件被破壞，從而大幅度降低了氮氧化合物的生成量，文章在此不做詳細論述。選擇性催化還原法可以大幅度降低廢氣中的NOx濃度，滿足TIER Ⅲ的排放要求，是目前最成熟的降低氮氧化物排放的主要方法之一。

2 船用柴油機廢氣排放標準及除塵技術

2.1 排放標準

中國環保部于2016 年8 月發布了《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法》（GB 15097—2016），該標準對柴油機顆粒物排放進行了限制。第一階段，船機排放顆粒物排放限值于2018 年7 月1 日開始實施；第二階段，船機排放顆粒物排放限值將于2021 年7 月1 日開始實施。

目前，對于柴油機的顆粒物排放，國際海事組織還未出臺相應的排放法規，由于燃油硫含量決定排氣中顆粒的含量，主要針對用油硫含量做出限定，使用的燃油硫含量上限從2020 年1 月1 日起，燃油硫含量限制為0.5%。由于排放的黑碳對北極冰川產生嚴重的危害，國際海事組織防止和應對污染分委會第7 次會議（PPR7）對國際航運黒碳排放問題進行了研究和討論，涉及黑碳排放立法、檢驗標準和檢測方法，預計不久將會出臺正式的法規。

2.2 柴油機顆粒物處理技術

2.2.1 柴油機催化氧化器（DOC）

柴油機氧化催化器將鉑鈀等貴金屬作為催化劑，主要降低顆粒排放中SOF 的含量，從而降低PM 的排放量，其氧化原理與汽油機三效催化劑氧化HC 和CO 的原理基本一樣。DOC 可以去除90% 的SOF，從而使PM 排放減少40%～50%。氧化催化器存在的主要問題是高溫老化和催化器中毒，高溫老化主要是貴金屬在高溫下發生燒結而導致催化劑活性降低、性能下降；催化器的高溫老化是不可逆的，而催化劑中毒后可以恢復部分活性。

2.2.2 柴油機顆粒捕集器（DPF）

柴油顆粒過濾器是通過過濾降低排氣中顆粒物（PM）的裝置。DPF 通過表面和內部混合的過濾裝置捕捉顆粒，如擴散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截，能夠有效凈化排氣中70%～90%的顆粒，是凈化柴油機顆粒物最有效、最直接的方法之一[5]。

顆粒捕集器的關鍵技術不是PM 的捕集，而是過濾材料和過濾體的再生。微粒的捕集主要有靜電吸附法、過濾捕集法和離心分離法，這些技術各有利弊，其中過濾凈化技術捕集微粒是目前各國研究機構普遍采用的后處理方式，微粒過濾效率高、排氣流動阻力低和較高的機械強度是選用過濾材料的主要因素。

過濾器材料有陶瓷材料和金屬材料兩類。市場上使用最多的陶瓷材料過濾器是蜂窩陶瓷過濾器，優點是過濾效率高、強度高、抗熱沖擊和機械振動能力強，陶瓷載體材料主要有堇青石陶瓷、碳化硅陶瓷和鈦酸鋁陶瓷等，其中堇青石是一種美鋁酸鹽，主要成分為MgO2·AL2O3·5SiO2，由高嶺土和云母燒結而成，由于堇青石具有成本低、熱膨脹系數低等優點，是目前應用最廣泛的顆粒物過濾和催化載體材料。碳化硅載體與堇青石相比，碳化硅具有更優異的耐熱、耐腐蝕性能和導熱性能，機械強度也大幅提高，而缺點是熱膨脹系數較大，容易在高溫熱沖擊下開裂。鈦酸鋁熱膨脹系數低，具有良好的抗熱沖擊和容熱性能，但機械強度稍低，此過濾器產生的背壓值較小，過濾效率比碳化硅載體要高。金屬載體較陶瓷載體具有壁薄、幾何面積和孔隙率大、導熱性能良好且熱容量小和耐破壞強度高等優點，但存在載體與催化劑活性表面的附著性不高等缺點。金屬載體凈化器經過最近幾年的發展已有實際應用。

3 柴油機綜合后處理技術

現階段，柴油機大都采用小于0.5%的低硫油，與重油相比，柴油機排氣中的PM 濃度也降低70%以上，約為0.5g/kWh。根據前面的分析可知，中速發電柴油機同時去除PM 和NOx的后處理技術路線是設置柴油氧化催化器（DOC）、柴油顆粒過濾器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR），四沖程柴油機后處理流程圖如圖1 所示。若柴油發動機尾氣中含有油，需增加油氣分離器，借助尾氣自身的排氣背壓進行離心分離，將發動機排氣中未燃燒的油霧和其他氣態污染物分離開來，防止油霧混合黑煙顆粒物，使其覆蓋在過濾器的濾芯上，導致濾芯再生困難。

尾氣催化氧化器可以去除85%以上的CO、HC 及30%左右的碳顆粒物，顆粒物處理系統采用金屬DPF 作為過濾系統，其濾芯由鐵鉻鋁合金纖維絲制成，不僅耐高溫，而且孔徑分布均勻，過濾效果好。濾芯采用可抽出單元式設計，設置在線反吹系統，通過在線監控濾芯差壓實現自動反吹清灰。每個濾芯布置有高壓氣體噴嘴，高壓氣體噴嘴連接反吹電磁閥，通過噴射高壓氣體將附著在每個濾芯外表面的黑煙顆粒物反吹落至箱體底部，顆粒物匯集至底部積灰倉，定期將積灰清理即可。另外，通過高壓氣槍或水槍也能很容易地清理干凈濾芯[6]。

脫硝采用低壓SCR，還原劑為40%濃度尿素溶液，采用板式或蜂窩式催化劑。

柴油機后處理系統共用一套控制系統，控制系統使用PLC 集成控制，用于顯示和監控系統各單元的運行狀態和故障讀取，主要內容如下：1）黑煙凈化器前后背壓，判斷濾芯狀態；2）SCR 催化器前后NOx濃度；3）讀取尿素泵、各類傳感器（溫度、壓力、液位等）等故障和背壓超高報警。

圖1 四沖程柴油機后處理流程圖

4 結束語

船用柴油機氮氧化物的排放規范已經實施，隨著環保要求日益嚴格，船用柴油機顆粒物排放法規不久也將發布，低硫油的實施降低了顆粒物的捕集的難度。因此，對于大功率柴油機顆粒物的捕集、再生還需要持續研究，找出最優的解決方案，集PM 的捕集、催化氧化燃燒再生和NOx的催化還原集于一體化設計是未來發展的方向。