船舶柴油機顆粒物排放控制技術研究進展

張韓西子，劉瀛昊，戴鈺杰，李 敢，唐 俊

(1.中國艦船研究院，北京 100101；2.中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094；3.中船集團電機科技股份有限公司，山西 太原 030027)

0 引 言

近年來，貿易全球化進程不斷推進，其中，全球約80%的國際貿易是通過海運實現的，船用柴油機排放的廢氣已成為大氣的重要污染源。顆粒物是柴油機尾氣排放中的主要污染物之一，可長期懸浮在大氣中，并隨空氣流動遠距離傳播，對人體的呼吸及血液循環系統危害極大，可腐蝕船舶外殼，影響艦面設備正常工作，同時容易進入船舶通風管路系統，污染船員居住環境。中國作為航運大國，港口多集中在人口稠密地區，如珠三角、環渤海等，船機排氣中的顆粒物帶來的污染危害更加嚴重，治理顆粒物排放已成當務之急。

目前，美國[1]、歐盟[2]和中國[3]均已制定船舶排放法規，對顆粒物的排放限值做出了規定。中國環保部于2016年8月22日發布了GB15097-2016，對船機顆粒物排放進行了限制。其中第1階段排放限值已于2018年7月1日正式實施，如表1所示；第2階段排放限值將于2021年7月1日開始實施，如表2所示。

在防止船舶大氣污染的環保趨勢下，為了應對越來越嚴格的法規要求，有必要對船舶柴油機顆粒物排放控制技術進行研究。

表1 中國船機排放顆粒物第1階段排放限值Tab.1 Limits for PM emission from marine engines（CHINA Ⅰ）

表2 中國船機排放顆粒物第2階段排放限值Tab.2 Limits for PM emission from marine engines（CHINA Ⅱ）

1 顆粒物組分及來源分析

柴油機排氣中的顆粒物并不是單一物質，組分較為復雜。鑒于目前世界各國通用的顆粒物測量方法是美國環保局（EPA）規定的微粒稀釋質量測量法，因此一般公認的柴油機顆粒物的定義也即EPA對顆粒物的定義：柴油機排氣經干凈室溫空氣稀釋冷卻至51.7 ℃后，稀釋氣體經過聚四氟乙烯樹脂濾紙后，收集到的除非化合形態凝聚水外其他所有的固體和液體狀的微小顆粒[4]。

柴油機排放的顆粒物主要由干碳煙、可溶性有機物（Soluble Organic Fraction，SOF）和硫酸鹽組成。柴油機運轉的工況會影響排氣中顆粒物的組分。當柴油機排氣溫度超過500 ℃時，顆粒物主要由干碳煙組成，當柴油機排氣溫度較低時，顆粒物主要由干碳煙吸附氣體狀或液體狀的有機物后，形成的SOF組成。

根據某國產柴油發動機經過大量試驗獲得的顆粒物組分比例，干碳煙在柴油機顆粒物排放中所占比重約為50%～70%，SOF占比約為30%[5]。

其中，干碳煙形成條件為高溫和缺氧，柴油機盡管總體是富氧燃燒，但由于油氣混合不均勻，局部的缺氧仍然會導致干碳煙的產生，碳煙形成的一般過程為：在高溫缺氧條件下，烴類燃料中的烴分子發生部分氧化及熱裂解，形成各種不飽和烴，包括乙烯和乙炔等，這些不飽和烴經過不斷的脫氫，聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳核，之后，碳核進入表面增長和凝聚階段，碳核的直徑可達到20～30nm。最后，碳核開始進行缸外的聚合和鏈增長，最終形成球團狀或鏈狀的直徑1μm 以下的多孔性聚合物。

SOF根據來源不同，可分為未燃燃料和未燃潤滑油成分，兩者所占比重大致相等。硫酸鹽來源為柴油機中所含的硫。

2 顆粒物排放控制技術

目前船用柴油機顆粒物排放控制技術正處于快速發展階段，按照控制階段可分為前處理技術、機內凈化技術和后處理技術。

2.1 前處理技術

前處理技術主要通過優化柴油品質，或者采用高質清潔燃料，從源頭上對船機顆粒物排放進行控制。

使用液化天然氣（LNG）基本可以完全消除船機顆粒物排放，但以LNG為燃料的船舶續航力最多只能達到22天，而全球尚未建立起LNG補給鏈[6]。

柴油機使用醇類燃料時，基本可以實現無煙排放，其中應用最廣泛的是甲醇，在柴油中摻入甲醇蒸汽，可節約40%柴油，同時可降低微粒排放量70%～80%[7]。

選用低硫船用燃油可有效降低柴油機顆粒物排放，但是當前船用的動力設備都是針對價格低廉的高硫燃油設計的。如果選用低硫船用燃油，需針對動力設備的噴油、潤滑系統等進行改造。因此該技術在經濟性及安全性方面存在一定問題[8]。

2.2 機內凈化技術

目前船舶柴油機排氣顆粒物的機內凈化技術，主要從提高噴油壓力，改善油氣混合質量方面入手，優化燃燒過程，降低初始碳煙粒子的形成。

高壓噴射技術通過增加噴射壓力，縮小噴孔直徑，進一步細化燃油噴霧顆粒，以增大燃油與空氣的接觸表面積和縮短強化時間，可造成高溫高速以及混合能量很大的燃燒過程，從而降低柴油機顆粒物排放，被廣泛應用于直噴式柴油機。

電控高壓共軌燃油噴射技術通過優化噴油要素，使船舶柴油機燃燒更充分，從而減少顆粒物排放，在低負荷或低轉速時，效果更加明顯。康明斯公司與瑞典斯堪尼亞公司合作開發的超高壓噴射（XPI）系統，噴射壓力可以達到240MPa以上，并且不受發動機轉速的影響。噴嘴采用的是中心壓力容腔結構，可實現5次噴射。該系統顯著縮短了噴射持續期和放熱持續期，可以同時降低柴油機排氣中顆粒物和NOx含量[9]。

機內凈化技術在減少柴油機顆粒物排放方面做出了巨大貢獻，但根據目前的技術發展情況，前處理技術和機內凈化技術對船機顆粒物排放的控制已經趨于極限，難以滿足日益嚴格的排放法規要求。同時機內凈化技術存在以下幾個問題：首先，無法處理由未徹底燃燒的潤滑油產生的顆粒物；其次，降低顆粒物排放的同時往往會增加另一種主要污染物NOx的排放量。目前常用的提高噴油壓力的機內措施，雖然可降低排氣中的顆粒物濃度，卻會增加對人體危害更大的小尺寸顆粒物的排放量。因此，為了滿足未來更加嚴格的排放法規要求，研究并采用機外后處理技術來減少顆粒物排放，已經成為柴油機顆粒物排放控制的必要手段。

2.3 后處理技術

目前國內外主要的顆粒物排放控制后處理技術主要有電除塵、袋式除塵和電袋復合除塵技術、靜電微粒捕集技術、氧化催化技術（DOC）和顆粒捕集技術（DPF）。

電除塵、袋式除塵和電袋復合除塵技術主要運用于陸上水泥廠、火電廠、鋼鐵廠等場合。電除塵技術通過將顆粒物在電場中充分荷電來除去粒徑較大的顆粒物，袋式除塵技術通過覆膜濾袋來去除粒徑微小的顆粒物，電袋復合除塵技術將二者的除塵機理有機結合，充分發揮各自的技術優勢，可有效收集不同粒徑的顆粒物，達到很高的除塵效率。但是袋式除塵技術僅適用于燃煤產生的顆粒物，使用燃油時，含油排放物會粘附在濾袋外表面，堵塞濾袋氣孔，導致濾袋壽命降低，還會增加設備排氣背壓。而若僅使用電除塵技術對柴油機排放顆粒物進行處理，處理效率不到70%，無法達到排放標準的要求。

靜電微粒捕集技術是通過在排氣管下游安裝集塵板，利用附加電源產生高壓直流電，對攜帶電荷的顆粒物進行靜電捕集，效率可達80%以上，對排氣背壓影響較小，廣泛應用于工業除塵，技術比較成熟。但設備體積大、造價昂貴，需要附帶高壓電源，對絕緣設計要求高，在顆粒物收集過程中還會產生二次逃逸問題。

DOC技術是最早使用于柴油機的顆粒物后處理技術，DOC的原理是將鉑或鈀等催化劑涂敷在載體上，通過氧化SOF 中大部分烴類物質，降低柴油機的顆粒物排放，同時還可減少柴油機排氣中的其他污染物，如碳氫化合物及一氧化碳等[10]。DOC可轉化掉柴油機排氣中60%～90%的碳氫化合物、一氧化碳和SOF，以重量計對排氣中顆粒物可達到20%～40%的轉化效率[11]。DOC應用于船舶領域的問題是船機排氣中含硫量較高，經過催化氧化后生成的硫酸鹽會使DOC中毒，同時會增加PM排放量。

DPF技術是目前國內外公認的最有效、應用最廣泛的柴油機顆粒物排放控制技術。DPF的工作原理是通過碰撞及吸附、慣性攔截、擴散攔截及重力沉降等過程捕捉排氣中的顆粒物，再利用燃燒器、催化劑等進行分解、燃燒，從而達到降低柴油機顆粒物排放量的目的，效率可高達90%。目前，歐洲和日本的汽車產業都在采用DPF后處理技術，北京、天津、深圳等地也已相繼出臺了要求國五標準柴油車加裝DPF的相關條例，DPF技術具有重大的市場應用前景。其主要問題是隨著捕集過程的持續進行，沉積的顆粒物會逐漸增多，堵塞載體，導致排氣背壓升高，因此必須定期清除捕集的顆粒物，這一過程稱為DPF的再生。

3 DPF再生技術

當前，DPF再生技術總體上可以劃分主動再生和被動再生兩大類。主動再生是通過外界給予能量加熱，將柴油機排氣溫度提高或者將DPF過濾體溫度提高到顆粒物的起燃溫度，從而完成顆粒物的氧化，實現DPF再生。被動再生系統利用柴油機排氣自身的能力使顆粒燃燒，達到DPF再生的效果。

目前國內外主流DPF再生技術的優缺點如表3所示。

日本IBIDEN公司開發的2款DPF如圖1所示。其中: A為捕集器與再生裝置組成一體的ZK型，適用于叉車等工程車輛；B為盒式捕集器與DPF再生裝置分開的CT型，適用于消防等緊急車輛。

IBIDEN公司采用的再生技術有2種，一種為電加熱再生技術，另一種稱為盒式構造的DPF，是將捕集到的顆粒物儲存在容器中，并定期進行更換。這種盒式構造的DPF由于維護保養不便，已經逐步被市場淘汰。

由于單一再生技術各有優劣，存在應用局限性，目前，綜合應用多種再生手段實現DPF的再生，是DPF市場應用的發展方向。

表3 DPF再生技術Tab.3 Comparison of DPF regeneration technologies

圖1 IBIDEN公司開發的顆粒捕集器Fig.1 IBIDEN's DPF

李凱等[12]提出了一種電加熱與催化再生相結合的復合再生技術，試驗證明可在排氣溫度較低情況下實現DPF的有效再生。韓煒等[13]提出一種微波加熱與催化再生相結合的再生方法，可降低顆粒物排放98.2%。杜佳[14]設計了一種微波加熱與燃油添加劑相結合的復合再生系統，再生效率可達到95%以上。大眾TDI柴油機配置的顆粒物捕集器采用了連續再生+主動再生的復合再生技術[15]。

4 結 語

本文介紹船舶柴油機排氣中顆粒物的組分及來源，對顆粒物排放控制技術、DPF再生技術的研究進展進行梳理論述。目前，顆粒物排放控制技術中的前處理技術和機內凈化技術已經趨于極限，后處理技術是滿足日益嚴格的法規要求的必要手段。后處理技術中，DPF技術是目前國內外公認的最有效、應用最廣泛的柴油機顆粒物排放控制技術。結合多種主/被動再生技術的復合再生技術是DPF再生過程的發展方向。

我國在船舶柴油機顆粒物排放控制方面的研究起步較晚，與國外相比，技術進展差距較大，目前尚無可實船應用的成熟的顆粒物處理裝置，因此亟需對船機顆粒物排放控制的總體設計、仿真優化、主/被動再生、控制策略、與船舶柴油機的匹配5個方面的關鍵技術進行深入研究，推動實船應用進程，以應對未來日趨嚴格的法規要求。

從長遠來看，世界各國政策法規對船舶柴油機各類污染物排放的限制將日趨完善，因此，對船機排氣中多污染物協同處理的一體化技術將成為未來的重點發展方向。

目前，世界各國在船機排放一體化處理技術方面已經開展了大量研究，美國先進清潔技術公司通過綜合使用選擇性催化還原法（SCR）與濕法脫硫法，可將排氣中顆粒物，NOx和SOx分別脫除94.5%，99%，98.5%[16]。英國布魯內爾大學等提出的DEECON后處理系統，顆粒物、NOx、SOx轉化效率可達到95%，95%和90%[17]。

國外部分一體化研究成果已經形成裝置并應用于實艇上。如意大利Hug Engineering公司將DPF和SCR的集成裝置應用在了瑞典Loodsweezen，德國White Rose等大量游艇及Victorir，Jacob-Hessel，Ortygia等多種內河海洋運輸船上，該集成裝置對排氣中顆粒物及NOx的轉化效率分別可達到97%和80%以上。

我國船機排放一體化處理裝置的研究尚處于起步階段，如何將其運用于船舶領域，還有待探索與驗證。