船舶柴油機NOx排放的技術特點

　　為了防止船舶造成空氣污染，IMO于1997年9月通過了《經1978年議定書修訂的1973年國際防止船舶造成污染公約》1997年議定書，MARPOL73/78公約新增了“附則VI―防止船舶造成大氣污染規則”。附則VI對船舶使用消耗臭氧層物質、發動機產生的氮氧化物（NOx）和硫氧化物的排放、揮發性有機物蒸汽的回收處理、船用焚燒爐的使用以及船舶燃油質量的控制等方面作了具體規定。該議定書于2005年5月19日生效。我國于2006年5月23日加入該議定書，同年8月23日對我國生效。IMO在2008年10月10日以MEPC.176（58）決議通過MARPOL73/78附則VI修正案，修正案于2010年7月1日全球生效。為了促進IMO制定更加嚴格的排放限制法規的實施，歐美一些國家正計劃構筑排放稅框架，船舶NOx的排放直接與入港稅和航道稅掛鉤。許多船用柴油機設計者和船用機械廠對控制NOx排放技術進行了大量的試驗，試驗結果對船東選擇合理的方法很有價值。隨著人們對環境保護、大氣污染控制等愈加重視，控制船舶柴油機NOx排放的技術研究將是未來柴油機技術發展的重要課題。 
　　控制船舶柴油機NOx 排放的方法分類 
　　 影響NOx形成的主要因素是燃燒過程中的局部溫度值以及氮和氧的濃度。所以降低NOx 的基本方法都集中在降低最高溫度、降低氧氣濃度(過量空氣系數) 和提高燃油質量幾個方面。為了減少現有柴油機的NOx排量,機內改造和機外改造措施均有使用。機內改造方法(又稱基本方法) 著重利用在氣缸中控制燃燒來減少NOx產生量，是直接影響柴油機燃燒的方法，通常可使NOx排量的減少量在10%～60 %的范圍內，機內改造包括：增強掃氣空氣的冷卻、采用米勒增壓法、改變掃氣壓力、改變啟閥定時、改變幾何壓縮比、延遲噴油、采用預噴油、改變噴嘴設計、改變柱塞尺寸、廢氣再循環、燃燒室直接噴水法和燃燒室直接噴氨技術等。機外改造(又稱輔助方法) 是通過對已排出發動機的廢氣的處理來削減NOx 排出量的方法，是使用不屬于柴油機元件的設備的方法，這種方法并不會改變柴油機的工作性能，其中最常用的輔助方法是SCR(優化選擇催化劑法)。此外對燃油進行乳化處理來減少NOx 的方法也有使用。在這些方法中,加強掃氣冷卻法和采用米勒增壓法使用較少，因為具有需要增大冷卻器和降低NOx效率低等問題。通過改變增壓壓力和啟閥定時來降低燃燒室中的過量空氣系統，可以降低NOx排量,但這同時會影響柴油機工作性能，所以這種方法的使用取決于柴油機的設計。通過改變噴油壓力和噴油時間來減少NOx排量的方法被試驗證明對NOx影響有限，目前也很少采用。 
　　 
　　目前比較有發展前景的控制NOx排放的技術 
　　1、直接噴水法(DWI) 
　　 向燃燒室直接噴水是為了降低最高燃燒溫度。由于燒用乳化油會產生乳化不穩定、影響噴油裝置的可靠性和在“無水工作”時柴油機性能惡化等問題，所以DWI成為柴油機設計者集中采用的減少NOx的方法。DWI法包括并列噴嘴式(油嘴和水嘴在同一噴射器上) 和雙噴射器式(兩個單獨的噴射器) ，根據SULZER 的研究結果，并列噴嘴式的減NOx 效率更高。DWI 系統只需要純凈水和幾個額外的設備裝在柴油機上，即可滿足NOx的限量要求。其技術的關鍵是具有噴水功能的噴油器，噴水嘴置于噴油器之內，工作時按0.4～0.7的水油比一同噴入燃燒室中。噴水過程是先于噴油過程的，以便于有效地降低燃燒室中的溫度，噴水過程也是先于噴油過程而停止的，這樣自燃和燃燒過程將不會受到影響。此過程對柴油機各部件沒有任何損害作用，柴油機也可以在需要時停止噴水，而只噴油工作，在任何負荷下均可進行無水噴油工作。DWI 具有以下優點：可在不影響功率輸出和各零件工作的情況下將NOx 排量減少50 %～60% ，典型的NOx排量為4～6g/kWh (WDO)、5～7g/kWh(HFO)；它只需要很少的空間；安裝成本也較低；在緊急情況下，可以迅速切斷水進入，而不影響柴油機的工作。 
　　2、廢氣再循環法(EGR) 
　　 廢氣再循環( EGR)是一種減少NOx 排量的有效方法。EGR同樣也是燃燒過程中減少NOx 生成的方法。它利用將一部分柴油機自身產生的廢氣冷卻后再混入進氣中，來降低過量空氣系數和降低最高燃燒溫度的原理來進行的。廢氣的熱容量較高，吸熱量大，在氣缸中將進一步降低局部燃燒溫度和NOx 的排出量。這種方法最多可達到50 %的NOx減少量。與其他方法一樣，因為燃燒效率的降低,EGR會造成耗油率略有增加。這種方法目前未廣泛用于船上的原因是必須安裝一個額外的廢氣壓縮機。盡管最新的研究顯示提供這樣的一個壓縮機在技術上是可行的，但對于船用柴油機來講，廢氣中含有的大量硫化物和粉塵等會造成嚴重危害。所以人們確信如果柴油機在燃用重油時，這種方案是很不實用的，除非采用氣缸內部再循環法。普通的EGR法只能用于使用清潔燃料的發動機。 
　　3、優選催化劑法(SCR) 
　　優選催化劑減氮法(SCR)屬于廢氣的后處理技術,其所用的介質通常是尿素的水溶液,一般濃度為40 %。此尿素溶液在廢氣總管的某一位置，直接噴入300～450℃的廢氣中。尿素在廢氣中迅速分解成氨和二氧化碳,然后氨經過催化反應器,與NOx 反應生成無害的N2 和H2O。整個SCR反應可寫作： 
　　4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O 
　　2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O 
　　SCR是目前為止最有效的削減NOx 的方法，NOx減少效率可以達到95%以上。一個典型的SCR 裝置包括一個催化反應器，一個加藥和儲存系統及一個控制系統。SCR 反應器是一個能容納幾層催化劑板的方型容器。反應器內使用的催化劑通常是：五氧化釩、二氧化鈦,通常還加入三氧化鎢和三氧化鉬來優化催化劑特性。柴油機的負荷是尿素噴注量的控制參數，噴入廢氣管道中的氨的量是由微處理器進行控制的，加入量與柴油機的NOx 的產生量成正比，而NOx的產生量則是柴油機負荷的函數。這種關系可設計成程序，輸入微處理器，用于NH3劑量的控制。SCR 的安裝位置應在廢氣鍋爐之前的某一位置。該位置的選擇取決于其最佳工作溫度，大約在380℃左右。對于二沖程低速機，催化劑應優先安裝于透平增壓器前，對于四沖程機而言，SCR總是適用于安裝在透平的后部。然而，在二沖程機透平的后部安裝SCR裝置同樣也是可行的。但這種布置需要一個后加熱器來將廢氣加熱至催化劑所需要的溫度。燃油質量愈低，含硫量愈高，意味著催化劑的負荷較大。催化劑的壽命通常是3～5 年，催化劑材料本身只占總成本的10% ，SCR的主要運行成本來自尿素的消耗量。40%的尿素溶液消耗量大約是20～25g/ kwh。SCR可輕易通過廢氣系統中的旁通閥進行工況轉換,當船在大洋航行時，旁通閥打開，加氨系統停止工作；在受控水域航行時，旁通閥關小，反應器接通，待溫度升至正常溫度后，加氨系統開始工作。目前控制NOx排放最有效的機內組合方法也只能達到80%的NOx降低量，只相當于一個簡單的SCR的水平，所以SCR 方法應是目前船公司既能滿足各種NOx排放量要求的同時又能夠減少成本的優先選擇。 
　　 
　　結束語 
　　面對21世紀，為了保護海洋環境和大氣環境，將使用越來越嚴格的排放標準，為此有關船舶防止大氣污染問題應引起航運界和廣大船用發動機工作者的重視，并一起來研究和尋找出解決排放問題的技術策略和管理策略已是迫在眉睫之事。