新型船舶柴油機尾氣凈化技術研究

李少珍

（廣東省環境保護基金會 廣東廣州 510660）

引言

目前，船舶大氣污染控制已列為國務院和省關于大氣污染防治行動計劃的重要措施之一。在這個提倡環境友好型社會的時代，為避免一大批排放超標的船舶遭強制淘汰，造成資源浪費，需要一種能有效降低排放，符合中國國情需要的船用節能減排處理裝置。[1]特別在廣東省，河流星羅密布，船運行業規模宏大。所以強化移動源污染防治，推進船舶港口及其它機械設備的減排，實施遠洋船舶和內河船舶污染控制是大氣污染防治行動的近期工作重點。

1 船舶柴油機尾氣凈化技術現狀

目前降低柴油機排放的主要措施分為機前處理、機內凈化和機后尾氣處理。機前處理主要是改善柴油品質；機內凈化則以改善燃燒過程為主，如增壓中冷、廢氣再循環、電控高壓燃油噴射、雙燃料以及均質壓燃等。[2]由于柴油機機內凈化技術已經達到了相當高的水平，僅依靠發動機本身設計的改進進一步降低污染物排放有一定限度，而機后尾氣處理技術仍具有很大研究空間。國際研究發現顆粒物捕集器DPF是解決柴油機顆粒排放最有效的后處理技術。

顆粒捕捉器DPF（Diesel Particulate Filter）是用過濾器過濾尾氣中所含的顆粒物并進行收集，顆粒物達到一定量后就進行燃燒并將之轉變為二氧化碳排出。DPF技術已經成功地應用于重型柴油機車輛和非道路移動機械，但是船舶柴油機的尾氣排放環境十分復雜，直接將車用移植到船用，有許多關鍵技術需要研究解決。首先是船舶柴油機尾氣的氣體溫度高，排放量大，同時船舶的振動和噪音也會使機器、儀表工作失常、失靈與損壞，因此消化吸收該技術，并移植應用于船舶柴油機作尾氣后處理的關鍵技術是要解決尾氣高溫和抗振問題，重點是解決過濾材料間接高溫及熱沖擊，具有足夠的強度、化學穩定性、抗熱裂、及抗熔融等問題，最終將柴油車用排放控制催化技術移植至船舶柴油機上，且以多項技術集成于一套裝置內，如DOC+CSF+DPF等，全面解決船舶柴油機的CO、HC、NOX和PM等尾氣減排和凈化問題。

現研究對象主要為廣東省內河的全部船舶，數量巨大，規模不同，種類繁多，在進行DPF系統設計前有必要對船舶柴油機的類型進行調研，研究適合于不同柴油機的DPF系統。[3]根據市場調研，統計不同的船舶類型、船齡、噸位、價格等信息，選取數量最多，經濟性最高的柴油機類型作為主要研究對象。考慮到經濟性問題，適當淘汰一部分船齡較大、運行成本高、收益低、經濟性差的船舶。根據選取的不同類型研究設計適合于它們的不同的DPF系統。

本文旨在探討一種新型船用柴油機DPF尾氣處理裝置，即DOC+DPF系統。DOC系統加入催化劑進行被動再生，除去尾氣中的可溶性氣體HC、CO等，以及碳煙中大部分顆粒物。將DOC系統和DPF系統組合起來作為一個DPF系統來降低船舶柴油機尾氣排放，從而實現DPF的集成優化。

2 新型船舶柴油機尾氣凈化技術分析

最近幾十年內，柴油機的動力性、經濟性得到了快速的發展，然而其排放控制卻一直是其最大的難題。因此對船用DPF尾氣處理裝置進行如下幾項研究。

2.1 對DPF系統整體結構進行研究，設計DOC、DPF結構系統

采用DOC、DPF結構系統，通過DOC將柴油機排放出的CO、HC轉化成無害的水和二氧化碳。DOC里的載體孔道暢通，所以尾氣可以很順暢的通過孔道，此時PM中的可溶性有機物，及HC、CO在催化劑的作用下被快速氧化，含量有效地降低。再通過陶瓷壁流式顆粒捕集器DPF，將PM捕集在DPF內，達到減少污染氣體及碳煙顆粒物排放的目的，使排除的尾氣達到歐Ⅳ的排放標準。

2.2 對過濾器材料和結構進行研究，研發高效過濾器

2.2.1 過濾器材料的研究

微粒過濾器不僅經常處于溫度變化的排氣中，而且在進行再生處理時，微粒的燃燒要釋放出大量的熱，溫度可高達1000℃以上。因此，過濾材料應能承受高溫及熱沖擊，應具有足夠的強度、化學穩定性、抗熱裂及熔融等性能。過濾材料損壞的主要形式是材料軟化、局部因高溫融粘及產生裂紋。[4]對過濾體材料研究的對象有壁流式蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維氈、泡沫合金、金屬纖維氈。綜合以上對各種過濾體材料的性能分析，壁流式蜂窩陶瓷擁有更高的過濾效率且化學穩定性好，耐酸堿及有機溶劑，有極好的耐急熱急冷性能；工作溫度可高達1000℃；抗菌性能好，不易被細菌降解，不易堵塞且易再生；較強的結構穩定性，孔徑分布狹窄，滲透率高。基于這些優點，本文推薦采用壁流式蜂窩陶瓷作為過濾體材料。

2.2.2 對過濾器結構的研究

過濾器需要具備能夠完全過濾大小不一的微細顆粒物的結構，它在排氣管路中，要受到熱膨脹、振動以及由此產生的機械應力和熱應力的作用，所以它必須有可靠性。過濾器的成本高，應有足夠的壽命及較好的再生技術措施，在長期的使用后，仍能保持較高的過濾效率。此外，在設計時，綜合考慮以上因素的同時要盡可能減小捕集器的外形尺寸，并使其具有一定的通用性。為保證后處理系統與動力系統的良好匹配，除了良好的材料性能外，還可以通過過濾通道結構設計來降低背壓，提高顆粒捕捉效率，增強整套系統的耐久能力，提升系統性價比。

可對船舶尾氣處理裝置之中過濾體的結構進行進一步優化研究，其中ACT孔道過濾體可以在不增加顆粒捕集器裝置尺寸的條件下，擁有比傳統過濾體更低的氣流阻力，結合過濾體的對PM顆粒捕集和再生的關系，提高過濾效率，對過濾體單元結構進行優化處理。

2.2.3 對再生技術進行研究

現有的DPF技術主要由顆粒物捕集和顆粒再生兩部分組成。

微粒捕集器的捕集機理是主要利用過濾器過濾尾氣中所含的顆粒物并進行收集。顆粒物達到一定量之后，就進行燃燒將之轉變為二氧化碳（CO2）排出。過濾體不會自動清除捕集到的微粒物質，隨著沉積微粒量的增加，會造成排氣背壓的升高，從而影響柴油機的動力性和經濟性。所以當過濾體內的微粒達到一定數量時，應該及時進行清除，該過程被稱為微粒捕集器的再生過程。

捕獲的顆粒物的燃燒方法大致分為兩類。分別為“捕獲再生切換式”及“連續再生式”。利用2個過濾器交替進行PM捕獲及燃燒（再生），交替進行該方式被稱為“捕獲再生切換式”。采用催化劑技術的連續再生式顆粒捕捉器，在過濾器的尾氣流入孔內壁上，涂布貴金屬催化劑及基礎金屬，一邊捕獲顆粒物，一邊使用尾氣進行連續燃燒。或者在過濾器前方設置白金類氧化催化劑層，利用尾氣中的氮氧化物（NOx）經過催化劑層生成二氧化氮，在過濾器內捕獲顆粒物，同時使用生成的二氧化氮燃燒顆粒物，最大的特點在于，“不是用氧燃燒。

結語

船舶柴油機尾氣凈化技術是當今的一個重大課題。通過研究，采用DPF+DOC系統的船舶柴油機尾氣凈化技術，可使尾氣中的污染物大幅度降低，可為全國船用柴油機尾氣處理裝置的研究提供有益經驗和借鑒。