主题：【分享】船舶柴油机NOx排放的技术特点

为了防止船舶造成空气污染，IMO于1997年9月通过了《经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约》1997年议定书，MARPOL73/78公约新增了“附则VI―防止船舶造成大气污染规则”。附则VI对船舶使用消耗臭氧层物质、发动机产生的氮氧化物（NOx）和硫氧化物的排放、挥发性有机物蒸汽的回收处理、船用焚烧炉的使用以及船舶燃油质量的控制等方面作了具体规定。该议定书于2005年5月19日生效。我国于2006年5月23日加入该议定书，同年8月23日对我国生效。IMO在2008年10月10日以MEPC.176（58）决议通过MARPOL73/78附则VI修正案，修正案于2010年7月1日全球生效。为了促进IMO制定更加严格的排放限制法规的实施，欧美一些国家正计划构筑排放税框架，船舶NOx的排放直接与入港税和航道税挂钩。许多船用柴油机设计者和船用机械厂对控制NOx排放技术进行了大量的试验，试验结果对船东选择合理的方法很有价值。随着人们对环境保护、大气污染控制等愈加重视，控制船舶柴油机NOx排放的技术研究将是未来柴油机技术发展的重要课题。
　　控制船舶柴油机NOx 排放的方法分类
　　 影响NOx形成的主要因素是燃烧过程中的局部温度值以及氮和氧的浓度。所以降低NOx 的基本方法都集中在降低最高温度、降低氧气浓度(过量空气系数) 和提高燃油质量几个方面。为了减少现有柴油机的NOx排量,机内改造和机外改造措施均有使用。机内改造方法(又称基本方法) 着重利用在气缸中控制燃烧来减少NOx产生量，是直接影响柴油机燃烧的方法，通常可使NOx排量的减少量在10%～60 %的范围内，机内改造包括：增强扫气空气的冷却、采用米勒增压法、改变扫气压力、改变启阀定时、改变几何压缩比、延迟喷油、采用预喷油、改变喷嘴设计、改变柱塞尺寸、废气再循环、燃烧室直接喷水法和燃烧室直接喷氨技术等。机外改造(又称辅助方法) 是通过对已排出发动机的废气的处理来削减NOx 排出量的方法，是使用不属于柴油机元件的设备的方法，这种方法并不会改变柴油机的工作性能，其中最常用的辅助方法是SCR(优化选择催化剂法)。此外对燃油进行乳化处理来减少NOx 的方法也有使用。在这些方法中,加强扫气冷却法和采用米勒增压法使用较少，因为具有需要增大冷却器和降低NOx效率低等问题。通过改变增压压力和启阀定时来降低燃烧室中的过量空气系统，可以降低NOx排量,但这同时会影响柴油机工作性能，所以这种方法的使用取决于柴油机的设计。通过改变喷油压力和喷油时间来减少NOx排量的方法被试验证明对NOx影响有限，目前也很少采用。
　　
　　目前比较有发展前景的控制NOx排放的技术
　　1、直接喷水法(DWI)
　　 向燃烧室直接喷水是为了降低最高燃烧温度。由于烧用乳化油会产生乳化不稳定、影响喷油装置的可靠性和在“无水工作”时柴油机性能恶化等问题，所以DWI成为柴油机设计者集中采用的减少NOx的方法。DWI法包括并列喷嘴式(油嘴和水嘴在同一喷射器上) 和双喷射器式(两个单独的喷射器) ，根据SULZER 的研究结果，并列喷嘴式的减NOx 效率更高。DWI 系统只需要纯净水和几个额外的设备装在柴油机上，即可满足NOx的限量要求。其技术的关键是具有喷水功能的喷油器，喷水嘴置于喷油器之内，工作时按0.4～0.7的水油比一同喷入燃烧室中。喷水过程是先于喷油过程的，以便于有效地降低燃烧室中的温度，喷水过程也是先于喷油过程而停止的，这样自燃和燃烧过程将不会受到影响。此过程对柴油机各部件没有任何损害作用，柴油机也可以在需要时停止喷水，而只喷油工作，在任何负荷下均可进行无水喷油工作。DWI 具有以下优点：可在不影响功率输出和各零件工作的情况下将NOx 排量减少50 %～60% ，典型的NOx排量为4～6g/kWh (WDO)、5～7g/kWh(HFO)；它只需要很少的空间；安装成本也较低；在紧急情况下，可以迅速切断水进入，而不影响柴油机的工作。
　　2、废气再循环法(EGR)
　　 废气再循环( EGR)是一种减少NOx 排量的有效方法。EGR同样也是燃烧过程中减少NOx 生成的方法。它利用将一部分柴油机自身产生的废气冷却后再混入进气中，来降低过量空气系数和降低最高燃烧温度的原理来进行的。废气的热容量较高，吸热量大，在气缸中将进一步降低局部燃烧温度和NOx 的排出量。这种方法最多可达到50 %的NOx减少量。与其他方法一样，因为燃烧效率的降低,EGR会造成耗油率略有增加。这种方法目前未广泛用于船上的原因是必须安装一个额外的废气压缩机。尽管最新的研究显示提供这样的一个压缩机在技术上是可行的，但对于船用柴油机来讲，废气中含有的大量硫化物和粉尘等会造成严重危害。所以人们确信如果柴油机在燃用重油时，这种方案是很不实用的，除非采用气缸内部再循环法。普通的EGR法只能用于使用清洁燃料的发动机。
　　3、优选催化剂法(SCR)
　　优选催化剂减氮法(SCR)属于废气的后处理技术,其所用的介质通常是尿素的水溶液,一般浓度为40 %。此尿素溶液在废气总管的某一位置，直接喷入300～450℃的废气中。尿素在废气中迅速分解成氨和二氧化碳,然后氨经过催化反应器,与NOx 反应生成无害的N2 和H2O。整个SCR反应可写作：
　　4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O
　　2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O
　　SCR是目前为止最有效的削减NOx 的方法，NOx减少效率可以达到95%以上。一个典型的SCR 装置包括一个催化反应器，一个加药和储存系统及一个控制系统。SCR 反应器是一个能容纳几层催化剂板的方型容器。反应器内使用的催化剂通常是：五氧化钒、二氧化钛,通常还加入三氧化钨和三氧化钼来优化催化剂特性。柴油机的负荷是尿素喷注量的控制参数，喷入废气管道中的氨的量是由微处理器进行控制的，加入量与柴油机的NOx 的产生量成正比，而NOx的产生量则是柴油机负荷的函数。这种关系可设计成程序，输入微处理器，用于NH3剂量的控制。SCR 的安装位置应在废气锅炉之前的某一位置。该位置的选择取决于其最佳工作温度，大约在380℃左右。对于二冲程低速机，催化剂应优先安装于透平增压器前，对于四冲程机而言，SCR总是适用于安装在透平的后部。然而，在二冲程机透平的后部安装SCR装置同样也是可行的。但这种布置需要一个后加热器来将废气加热至催化剂所需要的温度。燃油质量愈低，含硫量愈高，意味着催化剂的负荷较大。催化剂的寿命通常是3～5 年，催化剂材料本身只占总成本的10% ，SCR的主要运行成本来自尿素的消耗量。40%的尿素溶液消耗量大约是20～25g/ kwh。SCR可轻易通过废气系统中的旁通阀进行工况转换,当船在大洋航行时，旁通阀打开，加氨系统停止工作；在受控水域航行时，旁通阀关小，反应器接通，待温度升至正常温度后，加氨系统开始工作。目前控制NOx排放最有效的机内组合方法也只能达到80%的NOx降低量，只相当于一个简单的SCR的水平，所以SCR 方法应是目前船公司既能满足各种NOx排放量要求的同时又能够减少成本的优先选择。
　　
　　结束语
　　面对21世纪，为了保护海洋环境和大气环境，将使用越来越严格的排放标准，为此有关船舶防止大气污染问题应引起航运界和广大船用发动机工作者的重视，并一起来研究和寻找出解决排放问题的技术策略和管理策略已是迫在眉睫之事