本科毕业设计燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策

1、燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策本科毕业设计（论文）燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策Effect and Countermeasures of Burning Heavy Fuel Oil on Emissions of Marine Diesel Engine学 院 海运学院 专 业 轮机工程 班 级 09轮机 学 号 096090092 姓 名 秦 磊 指导教师 王 炳 辉 完成日期 2013年3月21日 诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担

2、。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要摘 要：21世纪以来，我国船舶数量不断增多，燃用重油的柴油机对环境的影响越来越大。为了保护我们的生态环境，研究怎样降低燃用重油的船舶柴油机的排放，越来越受关注。本文分析了船用柴油机燃用重油对排放的影响，并且深入探讨了有害物质的形成机理。对国内外的减排方法进行分析，取其优点避其负面影响，最后提出了一套有效的方案进行减排：海水水洗排气与排气再循环结合。这一方案能有效的减少NOX、SOX、COX、PM的排放。 关键词：燃用重油；船用柴油机；排放；减排.Effect and Countermeasures of Burning Heavy Fuel Oil on

3、Emissions of Marine Diesel EngineAbstractAbstract: Since twenty-first Century, the number of China's shipbuilding growing, Diesel Engine Fueled with heavy impact on the environment more and more, In order to protect our ecological environment, to study how to reduce the ship diesel engine fueled

4、 with heavy oil discharge, more and more attention. The effect of heavy fuel oil on exhaust emissions from marine diesel engine was analysis, and probe into hazardous material generate mechanisms. Analysis emission reduction technique of at home and abroad, take the advantage and avoid shortcoming,

5、final, Put forward a technique: exhaust water scrubbing use seawater and exhaust circle. it can effective decrease emissions of NOX、SOX、CO2、PM, advantage is seawater easy to gain and administrate easiness.Key Words: Burning Heavy Fuel Oil; Marine Diesel Engine; exhaust emissions; reduction exhaust e

6、missions.目 录摘 要2目 录41前言61.1研究背景及意义61.2国内外研究现状61.3本文主要研究内容71.4燃油概述71.4.1船用燃油种类71.4.2各种燃油的优缺点81.5 MARPOL73/78公约附则81.6本章小结92重油的理化特性及对燃烧排放的影响102.1.重油的粘度和密度对排放的影响102.2.重油中的硫对排放的影响112.3.重油中残炭、催化粒子和机械杂质对排放的影响122.4.重油中钒、钠、铝、硅对排放的影响132.5本章小结133燃用重油的排放物及形成机理143.1燃用重油主要的燃烧产物143.2燃用重油排放的氮氧化物(NOX)及形成机理143.2.1热力型

7、NOX的生成机理。143.2.2快速性NOX的生成机理。163.2.3燃料型NOX的生成机理173.3燃用重油排放的硫氧化物(SOX)及形成机理193.4燃用重油排放的碳氧化物(COX)及形成机理203.5燃用重油排放的碳氢化合物(HC)、 微粒(PM)及形成机理203.6本章小结204燃用重油的减排措施214.1燃用乳化油214.2喷水控制214.3排气再循环(EGR)224.4尾气催化还原(SCR)224.5低温等离子技术234.6海水脱硫234.7本章小结235解决方案及总结和展望255.1排气水洗和洗气再循环的结合255.2总结与展望271前言1.1研究背景及意义我国船舶数量不断增多，

8、燃用重油的柴油机对环境的影响越来越大。重油价格低廉，它可以为船东节约成本，在远洋船舶上更多的是使用重油。但是现在的船舶数量多，燃用重油是否会加重环境污染，这个问题不能忽视，应该受到高度关注。燃用重油的船用柴油机排放的污染物有氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)、碳氧化物(COX)、碳氢化合物(HC)和微粒(PM)等。最受关注的就是NOX，因为它对环境的危害最大，排气中的NOX大部分是NO，小部分是NO2，NO性质很不稳定，在空气中易氧化成二氧化氮(2NO+O22NO2)。一氧化氮比一氧化碳还容易结合血红蛋白，更容易危害人体。二氧化氮与水结合生成硝酸，硝酸会有腐蚀性，它还可能会产生光化学烟雾。

9、SOX是燃油中的硫和硫化物燃烧后产生的，其中SO2和SO3会腐蚀环境。COX包括CO和CO2，其中CO为无色、无味的有毒气体，柴油机排放中CO越多，说明燃烧越不充分，不仅浪费燃料，降低柴油机功率，还造成环境污染，而CO2没有直接危害，但它会使全球变暖。HC包含没有燃烧和没有完全燃烧的燃油、滑油，它会对人体神经造成伤害，并且会降低人体免疫力。在所有的污染物中，氮氧化物和硫氧化物对环境的危害最大和最为直接。为了减少柴油机排气对环境的污染，在97年国际海事组织新增加了附则VI防止船舶造成空气污染规则。同时一些发达国家，向美国、欧洲也有制定了自己船舶排放法规，对船用柴油机排放有更严格要求。我国是国际海

10、事组织的成员国，对于MARPOL公约附则的规定我们要严格执行，不要疏漏。对于远洋船舶来说，大多数都是烧重油的，重油相对于轻柴油来说它的粘度要高、密度更大、成分非常复杂、发火性能更差，这些特点都直接影响了燃油在缸内的雾化质量、燃烧及其排放性能。在我国船舶总量继续增加的情况下，为减轻船用柴油机排放对环境的污染，研究如何对燃用重油的船用柴油机进行减排是个大问题。1.2国内外研究现状国内在燃用重油的柴油机对排放的影响方面很少有研究，但是在船用柴油机燃用乳化重油方面，国内做了不少的研究。大连理工大学，对船用柴油机进行燃用重油和燃用乳化油对比实验，结果表明，燃用乳化重油时的柴油机燃油消耗率降低了4%，氮氧

11、化物排放量降低了20%，烟度也减少17%。孙平 对燃用乳化油的柴油机进行氮氧化物和微粒排放研究，发现在燃用乳化油时，NOX排放明显下降，耗油率和排温均有下降。龚景松在船用柴油机上进行了实验研究，发现燃用乳化重油时的燃油消耗率和燃烧纯净柴油时并无差异，并且氮氧化物和黑烟排放量明显降低，但是一氧化碳排放量有一点增加。Kazuyuki Maeda 进行了燃用重油排放研究，实验结果表明，燃用重油时有较高的烟度，并且对氮氧化物排放的影响比较复杂。A·Sarvi 研究了燃油的种类对柴油机排放的影响，结果显示燃用轻柴油相对重油来讲废气和颗粒物排放都会较少。Tateo Nagai 对柴油机排放NOX

12、情况进行研究，实验结果表明，可以通过适当增加压缩比和增大增压压力或者是推迟喷油可以减少NOX的排放。1.3本文主要研究内容本文了分析现在的排放法律、法规、排放控制技术和重油理化特性对船用柴油排放的影响，综合几种处理措施，提出一套经济、有效的处理办法。有以下几个方面：(1)通过调查研究，了解目前船用柴油机排放的状况，介绍MARPOL73/78公约附则VI及修正案；(2)重油的理化特性是决定柴油机燃烧和排放性能的最重要因素，本文将会分析重油的各种理化特性对船用柴油机排放所带来的负面影响；(3)针对船用柴油机排放状况和有害物质种类，对排放物及形成机理进行探讨；(4)目前的减排措施有很多，本文对几个常

13、见减排措施进行简要分析；(5)综合现有的技术成果，提出一种综合方案，对排气中的几种主要有害物质：硫氧化物、氮氧化物和微粒进行综合处理。1.4燃油概述1.4.1船用燃油种类船用燃料油是由渣油与轻柴油按一定比例进行调和起来的混合油，但是其馏分更重，粘度更大，一般粘度为280-600/s，所以被称为低质燃料油或者是劣质燃料油。将常用轻柴油和重油规格列于下表，进行对比。表1-1 中国船舶燃料公司燃油规格1 油名项目船用燃料油M.F.O船用柴油M.D.O重柴油H.D.O轻柴油M.G.O运动粘度/s（50）6012018010（40）20.538（20）雷氏粘度s（100°F）400100015

14、004060闪点 不低于708080656565灰分 % 不大于0.050.10.10.0250.060.025硫分 % 不大于1.02.53.00.30.50.2水分 % 不大于0.50.50.80.31.0凝点 不高于2224268200残炭 % 不大于68100.20.5机械杂质%不大于0.20.20.20.050.1无1.4.2各种燃油的优缺点截止到2012年12月，0#柴油的国内市场平均价格为8300元/吨，而180#重油的平均价格约为4100元/吨，可见，轻柴油的价格比180#重油的价格大约高出了98%。在这种目前的情况下，船东应该会去选择使用价格低廉的重质燃油作为燃料，或者选用调

15、和油，以提高公司的经济效益。重油缺点：重油的粘度很高，将会致使燃油喷射和雾化困难，燃烧严重滞后，并且重油存在不完全燃烧和部分重油完全不会燃烧，将会产生未燃烧碳氢、碳烟和颗粒物等，会加剧发动机磨损，使废气排放中有害成分增加。同时，由于燃用重油的柴油机需要改进柴油机的结构，并且燃用前还需进行预处理，废气也要经过处理才能排放，这样就给柴油机的管理增添了负担。1.5 MARPOL73/78公约附则下面介绍MARPOL73/78公约附则VI及其修正案。1.NOx排放量的规定柴油机NOX排放量要在下列限值以内：排放量转数n17.0g/kWhn130r/min40.0×g/kWh130r/minn

16、2000r/min9.8g/kWhn2000r/min2.对硫氧化物的控制应该到以下两种情况之一8：（1）船上使用的任何燃料油的硫含量不应该超过以下限制：含硫量时间4.50m/m2012年1月1日之前3.50m/m2012年1月1日之后0.50m/m2020年1月1日之后然而，当船上在控制区操作时，船上使用的含硫的燃料油，不应超过以下的限制：含硫量时间1.50m/m2010年1月1日之前1.00m/m2010年1月1日之后0.10m/m2015年1月1日之后1.6本章小结本章介绍了在目前经济发展，船舶数量不断增加的形式下，为满足国际防污染公约的要求，减少主要有害物质的排放刻不容缓。国内外有不少

17、减排的研究，其中有很多燃用乳化重油的研究，燃用乳化油有利减少氮氧化物的排放。其他研究也取得了不同的成果。介绍了本文主要是了解目前研究现状，重油特性，防污染公约，减排控制技术，最后提出一个合理的方案。也介绍了什么是重油，以及重油分类，轻、重油的优缺点。MARPOL73/78公约附则对氮氧化物、硫氧化物排放的要求。2重油的理化特性及对燃烧排放的影响重油的粘度高，灰分多、含硫分大、残炭值高、机械杂质多、水分重，这是重油和轻油最大的区别。重油的物理特性(密度、粘度、蒸馏特性等)和化学特性(十六烷值、硫含量等等)，会影响船用柴油机燃烧，对排放的影响也很大。2.1.重油的粘度和密度对排放的影响徐万毅在油品

18、对船用高速柴油机排放的影响的论文做过实验，选用常用的两种不同品质的燃油，探究不同燃油硫含量、粘度对船用柴油机排放的影响6。燃油特性见表2-1表2-1 燃油特性燃油十六烷值密度（kg·L-1）运动粘度（m2·s-1）含硫量%闪点普通柴油520.8174.350.30865欧柴油520.8183.440.04668表2YC6M180C柴油机技术参数6 名 称数 值额定转数（r·min-1）1500额定功率（KW）132缸径（mm）120行程（mm）145压缩比17.5:1.0如图2-1和2-2所示，柴油机燃用欧柴油时的各种工况下的NOX浓度均比燃用普通柴油时小，使得N

19、OX比排放也降低了9.6%，同时比油耗(见图2-3)也有所下降。 图2 2-1 各种工况的NOX排放体积浓度 图2-2 不同燃油NOX排放图2-3 比油耗对比NOX的排量减少主要是因为欧油粘度较普通柴油小，燃油雾化质量更好，更容易形成良好的混合气，缩短了滞燃期，燃油消耗量降低了，最高的爆发压力有所降低，NOX排放量降低了。同时燃油中随着硫含量的降低，着火延迟增长，最大爆发压力升高，NOX排放升高，但是后燃减少，排气温度下降，燃油消耗量下降2。综合前后两个因素，由于前者占据了主要位置，所以的总排放量降低，燃油消耗量也减少。密度是评价燃油品质重要的指标，它与其他指标有着密切的关系6。重油密度大，其

20、流动性很差，燃油的雾化质量差，后燃加重，排气中CO和微粒增加。重油的密度大，说明油中含有更多的渣油，渣油中的胶质、沥青多。胶质和沥青质不易燃烧，以微粒的形式排入大气，污染环境7。应对措施，增大燃油沉淀罐的容量，油柜增设加热器，确保燃油加热器、粘度自动调节器的正常工作；适当的增大供油提前角。 2.2.重油中的硫对排放的影响硫在燃烧过程中不仅会生成硫氧化物污染环境，而且硫含量还会影响NOX、CO、HC的排放。从图2-4可以看出燃用欧油的柴油机在低负荷工况下的CO排放量较普通柴油低，特别是在25%和10%负荷的工况下，CO排放减少的幅度较大，高中负荷工况下基本维持不变或是少有增加。综合评价，CO比排

21、放值还是呈降低趋势，如图2-56。图2-4 各工况的CO排放浓度 图2-5 不同燃油的CO排放由于混合气的形成过程对HC排放会有一定的影响，从图3-6可以看出HC排放降低趋势和CO排放相近，但是在低负荷区降低的幅度不大。图2-6 各工况的HC排放体积浓度 图2-7 不同燃油的HC排放降低燃油中的硫含量会使PM的排放量降低。柴油机燃用欧油的PM排放量比燃用普通柴油降低了22.5%，主要是由于前一者的硫含量低，见图2-8。图2-8 不同燃油的PM排放 图2-9 不同燃油的烟度排放船用高速柴油机燃用低硫的柴油的排放与燃用普通柴油相比：由于粘度小了，NOX排放降低了9.6%；由于含硫量小了，颗粒排放降

22、低了22.5%，HC、CO排放和比油耗均有所降低。重油粘度大、含硫量大，其排放的NOX、颗粒、SOX就比柴油大很多。2.3.重油中残炭、催化粒子和机械杂质对排放的影响机械杂质主要是指一些不溶于油的沉淀物或是悬浮物质。燃油中的机械杂质主要是加工和运输途中混入的，因此，燃油经历的环节越多，杂质的含量就会越大。高残炭值的重油，催化粒子和机械杂质会使燃烧过程中形成炭渣增加，排放微粒增加。应对措施，提高压缩比和喷油器的喷射压力，以改善燃烧质量。通过预处理，减少机械杂质。2.4.重油中钒、钠、铝、硅对排放的影响钒、钠能溶于原油，很难除尽，在经过各种炼制工艺后，多数残留在重质成分和渣油中。钒、钠是除硫外，危

23、害高温零件的两种主要活性金属。影响：在高温、高压下环境下钒、钠氧化成多种氧化物，这些氧化物会加剧柴油机零件的腐蚀和磨损。钒、钠在燃烧过程中生成的V2O3、V2O4、V2O5、Na2O对排气门、排气门座及涡轮增压器叶片有着强烈的腐蚀作用7。钒、钠生成的碱性氧化物与排气中的SOX、CO2酸性气体反应生成硫酸盐和碳酸盐。可以减少排气中的有害酸性气体的排放。钒、钠对排气无负面影响，但考虑到腐蚀，需要控制其在燃油中的含量。硅和铝在重油里面，会影响雾化质量，影响燃烧，造成颗粒排放增加。钠、钒含量高的应对措施：增大沉淀罐和日用油罐的容量，增置加热器，提高沉积效果。 2.5本章小结根据重油的理化特性，在燃用重

24、油时必然要采取适当的处理措施来使它能够在柴油机内正常燃烧，对柴油机造成尽可能少的磨损和腐蚀，并减少有害物质的排放。本章分析重油的理化特性对柴油机排放的影响与应对措施，对柴油机的日常管理和提出合理的减排方案很是重要。3燃用重油的排放物及形成机理3.1燃用重油主要的燃烧产物船舶柴油机燃用重油，由于重油成分非常复杂，燃烧后会产生不少有害的物质，为满足排放法规MARPOL73/78公约的要求，需要对这些有害物质的排量进行控制。这些危害环境的排放产物主要有，NOX、SOX、COX、HC、PM。本章主要介绍具体的各类有害物质，并对NOX、SOX其形成机理进行分析。3.2燃用重油排放的氮氧化物(NOX)及形

25、成机理氮氧化物主要有：NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等，但在燃烧过程中生成的有害氮氧化物，几乎全是NO和NO2。重油燃烧过程中，NO占90%，其余全为NO2。燃料燃烧过程中产生的NOX，按其形成可分三类：热力型NOX（Thermal NOX），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOX。快速型NOX（Prompt NOX），它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOX。燃料型NOX（Fuel NOX）， 它是燃料中的氮化合物在燃烧过程中，先热分解而又接着氧化而生成的NOX。重油中含氮量很低，其氮氧化物排放中氮元素主要来自空气，所以柴油机排放物中的氮氧化物

26、大多属于热力氮氧化物。 3.2.1热力型NOX的生成机理。空气中的氮气和氧气在高温条件下反应生成一氧化氮，可用下面式子表示：N2+O22NO氮气氧化是个很复杂的过程。热力型NOX是燃烧时空气中的氮（N2）和氧（O2）在高温下生成的NO和NO2。O2十M2O十MO十N2NO十NN十O2NO十O因此，高温下生成NO和NOX的总反应式子为N2十O22NONO十1/2O2NO2Zeldovich 捷里多维奇机理8表3-1 N2和O2生成NO的平衡常数KpN2+O22NOT(K)KP 30010-3010007.5×10-912002.8×10-715001.1×10-52

27、0004.1×10-425003.5×10-3当温度低于l000K时， NO的量很小。表3-2 温度和N2O2(ppm)初始比对NO平衡浓度的影响T(K)4N2/O2(ppm)40N2/O2(ppm)120021080150013005001800440016502000800029502200131004800240019800700040N2O2(ppm)是N2和O2之比为40:1的情况，这大致相当于过量空气系数为1.1时的烟气 表3-3 NO氧化成NO2反应的平衡常数KNO+1/2O2NO2T(K)KP3001055001.2×10210001.1×

28、;10-115001.1×10-220003.5×10-3由表可以看出随温度的升高KP减小，因此低温条件下有利于NO氧化生成NO2。当温度升高超过1000时，NO2大量分解为NO，这时NO2的生成量比NO低得多。表3-4 在不同温度下NO 和NO2的平衡浓度计算值T(K)NO(ppm)NO2(ppm)3001.1×10-103.3×10-58000.770.1114002500.87187320001.8注：初始烟气组成为O2：3.3%,N2：76%.当燃烧温度大于1200时，NO大量生成。并且NO转化成NO2很困难。NOX生成的量与温度有很大的关系。图

29、1是油燃烧时NO的生成浓度与温度之间的关系。由图可见， NOX的生成浓度由温度决定。显然，对于热力型氮氧化物来说，最大的特点就是，其氮氧化物生成量与温度之间存在很大联系，当反应温度到达某一临界值之后，热力型氮氧化物随温度的上升会大量生成。图3-1 热力型氮氧化物生成浓度与温度的关系影响氮氧化物生成有三方面的因素：高温、氧气、时间。只有当三个条件同时满足时，氮氧化物排放会明显增加。研究表明，环境的峰值温度每上升100，氮氧化物的生成量增加到3倍。因此控制NOX量就是控制气缸燃烧时的峰值温度。3.2.2快速性NOX的生成机理。燃料燃烧时产生CH原子团撞击N2分子而生成CN类化合物，然后再被氧化成N

30、OX。在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分解出大量的CH，CH2，CH3和C2等离子团，它们与空气中N2分子反应生成HCN，CN等：CH十N2HCN十NHC2十N2HCN十NHC2十N22CHHCN十OHCN十H2OCN十O2CO十NOCN十OCO十NNH十OHN十H2ONH十ONO十HN十OHNO十HN十O2NO十OMiller等在1989年指出，“快速”NO的形成与以下三个因素有关1、CH 原子团的浓度与其形成的过程2、N2 分子反应生的速率3、氮化物间相互转化率他们发现：CH+N2DHCN+N是控制NO、氰(HCN和其他的氮化物生成速率的重要反应。“快速”NO形成的途径如下：在燃

31、烧温度低于2000K时，NO的形成主要通过CH-N2反应，就是“快速”NO途径。当温度升高，“热力”NO比重增加，温度在2500K以上时，NO的生成主要由在O与OH超平衡加速下的Zeldovich机理控制。 “快速”NO的生成与温度关系不大。同“热力”NO与“燃料”NO相比较，它的生成量要小很多。3.2.3燃料型NOX的生成机理燃料型氮氧化物，是燃料中的氮元素在燃烧过程当中和空气中的氧反应生成的氮氧化物。燃料中的含氮化合物HCN和NH3氧化生成NOX。重油中氮的含量一般在0.2%-0.3%。最近的研究的燃料型氮氧化物生成机理，主要可以分成两个部分：挥发分“N”和炭“N”与氧结合生NOX。图3-

32、2 燃料中氮分解为挥发氮和炭氮的过程示意图图3-3 HCN被氧化的主要途径图3-4 NH3被氧化的主要途径图3-5 过量的空气系数对燃料中N转化为挥发分N的影响图3-6 热解温度对燃料中N转化为挥发分N的影响燃料中的氮元素其键能要比氮分子中的键能要小的多，更容易断裂开，与氧反应生成氮氧化物。因此，燃烧过程中大部分是燃料型NOX。这三种NOX生成机理各有各的特点，但是他们也有一些共同点：三种NOX的生成都与反应时的氧气浓度、环境温度、反应时间有很大关系，降低反应的氧气的浓度，控制最高的燃烧温度，减少燃烧的时间就能够有效减少NOX生成量。3.3燃用重油排放的硫氧化物(SOX)及形成机理硫氧化物通常

33、有：二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）、三氧化二硫（S2O3）、一氧化硫（SO）。重油中的硫元素主要是以有机形式存在，还有少量的无机硫。重油中存在的各种形态的硫，燃烧反应生成了二氧化硫和少量三氧化硫：有机硫+O2SO2+CO2+H2O+Cl2+S+O2SO2FeS2+O2Fe2O3+SO2MSO4MO+SO3船上的重油含硫分较大，在燃烧过程中油里面所含的硫都转化成硫氧化物，我们不能在燃烧过程中进行控制，因此控制重油中硫分含量和对排气进行脱硫是目前的主要减排手段。这两种减排措施，对于控制重油中的硫含量而选用低质燃油来说，它会大大增加我们的运营成本。燃油硫含量从3.5%降到1.0%时，其价格将

34、提高10%20%8。相对经济有效的技术手段就是排气脱硫。SOX是酸性气体，我们可以用碱性物质来吸收它，发电站经常用氧化钙和氢氧化钙来进行尾气脱硫，以达到排放标准。对于海船来说，海水脱硫是很好的选择，天然海水显碱性，能够吸收酸性气体，达到脱硫的目的。3.4燃用重油排放的碳氧化物(COX)及形成机理排放中的碳氧化物是CO、CO2。燃烧生成大量的CO2和少量的CO。对CO2不作处理。减少CO排放的办法就是使重油燃烧过程氧气充足，可以通过改善柴油机结构，稳定柴油机工况来实现减少CO生成。3.5燃用重油排放的碳氢化合物(HC)、 微粒(PM)及形成机理重油是由多种的HC组成的，如果完全燃烧都生成CO2和

35、H2O，但是重油不会完全燃烧，排气中定会有少量的HC、微粒的存在。与减少CO排放的措施一样，改善雾化质量，氧气充足，温度高，燃烧时间长就能减少HC、PM排量。3.6本章小结燃烧重油后排放物有NOX、SOX、SOX、HC、PM，其中NOX和SOX的危害最大，MARPOL73/78公约附则已明确限定了其排放量，为了采取相应合适对策，本章重点对NOX和SOX排放物的形成机理作了分析。降低氧气的浓度，控制最高的燃烧温度，减少燃烧的时间就能减少NOX生成量。SOX排放中的S元素来自于重油中的硫分，减少硫排放，可以进行尾气脱硫。4燃用重油的减排措施为了降低排放中的有害成分，有不少方法。现在多数研究都是控制

36、氮氧化物和硫氧化物的排放。其中有：加水乳化、机前喷水、排气循环、低温等离子、海水脱硫等。下面我就分析一下各种方案。4.1燃用乳化油乳化油，就是在燃油中加入水或者是乳化剂，进行搅拌，使油和水均匀混合，形成稳定的乳化状态液体。船用柴油机燃用乳化油可以降低NOX排放，同时燃油消耗率和CO、PM等主要排放物均有不同程度的下降。柴油机燃用乳化油来减排效果确实很好，但是目前这一技术还有一些问题，乳化油存储和运输都很不稳定，并且会有很多因素影响它的稳定性，比如水质和水中杂质会影响燃油乳化稳定性。乳化对于重油来说是很容易的事情，相对于柴油重油的稳定性要较好。温度升高时会造成油、水和乳化剂的粘度降低，粘度降低会

37、使乳化油更加不稳定。乳化油的存储温度不能过高也不能过低，如果温度低于水的凝固点，油里面的水就会结冰，如果温度过高，水汽化产生水蒸气会破坏乳化油相平衡。乳化油的存放时间不能过长，时间越长越不稳定。这就使得乳化油只能现制现用，不能大容量储存以及运输，这限制了乳化油的使用范围。燃用乳化油还有问题，油中加入了水，会加剧气缸和油路的腐蚀，并且会降低柴油机最大功率。4.2喷水控制a机前喷水。在增压器末端增加一个混合室，以高压形式喷入水雾，水与空气混合并且通过加热器加热，增大进气空气湿度，混合后的湿空气通入缸内，使燃烧的最高温度降低，从源头上减少NOX的生成。这个技术降低NOX能力较强，可达到50%-60%

38、，同时不会影响燃油消耗率，还可降低发动机热负荷，提高发动机清洁性3。 这一技术的特点就是减排设备结构简单，减排成本低，但是需要多备淡水，水分加重了必然会加剧腐蚀，这点需要考虑。b缸内喷水。在喷油的同时把水同时喷入气缸，让水参与燃烧，来降低最高燃烧温度，实现减少氮氧化物排放的目的。与上一种方法相比这种方法不会腐蚀油路，但是会增加耗油量，并且不可避免加剧燃烧部件腐蚀。4.3排气再循环(EGR)排气循环是减少了参与燃烧的氧气，从而降低最高燃烧温度。把柴油机的小部分废气再送回进气管，和进气混合后再次进入气缸参与燃烧4 。排气再循环的程度可表示为再循环气体的质量和总进气质量之比。EGR大大增加了工作混合

39、气的总热容，使最高燃烧温度下降，有效降低发动机的NOX排放3。排气再循环也存在不足，排气中的硫酸盐、颗粒会加剧燃烧部件的腐蚀与磨损。因此采用该技术还要降低废气中的颗粒，并且要先用低硫燃油，同时在选用润滑油时优先选用碱性的。这就要求排气再循环需要与其他技术联合使用。4.4尾气催化还原(SCR)催化还原技术是用来减少氮排放的。原理是利用具有还原性的NH3把NOX还原为N2和H2O。当然这一过程需要催化剂，一般选用V2O5-TiO2、Ag-A12O3以及含有Cu、Co、Pt或者Fe的人造沸石等3。有催化剂的存在NH3会先和NOX发生还原反应，而不是氨气与氧的反应，所以叫做“选择性催化还原”。SCR(

40、selective catalytic reduction)催化器只有在一定的温度范围内才能保持较高的转化效率，一般为25小5003 。总的反应式为：4NO+4NH3+O24N2+6H2O6NO+4NH35N2+6H2O2NO2+4NH3+O23N2+6H2O6NO2+SNH37N2+12H2O当反应温度低于范围值时， NOX不能顺利进行还原反应，氮氧化物转化率极低；当反应温度高于范围值时，高温会破坏催化剂，致使氨气不能与氮氧化物反应，而直接与氧气反应生成NOX，起不到减排反而加大NOX排放。反应式如下：4NH3+7O24NO2+6H2O4NH3+5O24NO+6H2O4NH3+3O22N2+

41、6H2O2NH3+2O2N2O+3H2O催化还原技术可以去除柴油机排气中绝大部分的NOX，以氨水作还原剂的SCR系统可以降低柴油机95%以上NOX排放，同时也能不同程度地降低部分HC和CO3。 作为还原剂氨水是良好的还原剂，但是氨水的不足就是它有刺激性气味。而选用尿素要比用氨水好的多，它不仅方便，而尿素无毒、无害、不具有刺激性气味，尿素水溶液在高于200温度环境下通过热解、水解等反应即可产生氨。4 尿素的热解与水解反应如下，热解反应为：NH2CONH2NH3+HNCO水解反应为：HNCO+H2ONH3+CO24.5低温等离子技术等离子体也称作是物质的第四态，它是指由电子、离子、自由基和中性粒子

42、组成的整体保持电中性的导电性流体，是一门涉及高能物理、放电物理、放电化学和反应工程学等领域的交叉学科。3 按热力学状态不同和中性气体温度高低，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体3。 低温等离子体技术的原理是在高压放电情况下产生低温等离子体，利用等离子体引发一系列的复杂的物理、化学的反应，从而达到减排的目的。NTP技术处理尾气，会发生多种类型的反应。这主要取决于电压、环境温度、有害物质的浓度。从减排的应用角度出发，NTP用于柴油机尾气减排技术线路为：利用高压电在在柴油机排气中放电产生等离子体，利用等离子体中的氧化性粒子，在柴油机废气中进行氧化反应。低温等离子技术能有效减少柴油机尾气中的PM

43、排放，并且在减少NOX排放上也有一定效果，但主要的作用还是将NO转化为NO2，这一技术适合与其他技术联合起来提高NOX转化效率3。4.6海水脱硫排气中的硫氧化物是酸性气体，可以用碱性物质来去硫，如用氧化钙和氢氧化钙或者是碳酸钠等进行排气脱硫，或用碱性水溶液进行水洗脱硫。海水也是碱性的，柴油机减排可以利用海水进行尾气处理。实践已经证明海水脱硫效果可达90%以上5， 并且还能去除排烟中的微粒、CO2。但是这项技术还存在一定问题：增加排气水洗装置将增大柴油机排气管背压，一定程度上会影响废气涡轮，降低扫气压力，成柴油机的功率下降。因此，需重新配置更高效率的涡轮增压器。4.7本章小结目前研究的减排措施有

44、很多，本章主要介绍了一些常见的方法。燃用乳化油和喷水是限制氮氧化物排量；废气循环减排，这主要是通过降低最高燃烧温度来减少氮氧化物排放；低温等离子技术是利用高能粒子引发一系列复杂的物理与化学的反应，从而达到对废气进行减排的目的；海水脱硫技术，是利用海水来吸走酸性气体SOX。5解决方案及总结和展望在上一章中已经分析了各种措施，加水乳化，程序简单，减排效果好，但由于乳化油不稳定，乳化重油的量不能多，只能应用在中小型柴油机上；喷水控制，管理简单，减少氮的排放效果明显，但需要考虑油中硫成分对气缸的腐蚀；机内控制，减排能力有限；排气循环，会加剧气缸磨损和腐蚀；尾气催化还原，需要随船储备大量催化剂；低温等离

45、子技术，有一定的减排效果；海水脱硫，减排效果非常好，取材方便，成本低。5.1排气水洗和洗气再循环的结合排放中主要的有害物质是，NOX、SOX、颗粒。而海水水洗排气能有效减少SOX和颗粒的排放。水洗后的气体只含有很少量的SOX，不含O2，不含颗粒，将该气体部分返回送入进气管，与进气空气混合降低了进气含氧量，进入气缸内燃烧，能降低最高燃烧温度，也就减少NOX的排放。此方案就是排气水洗与排气再循环的结合。他解决了单独使用排气再循环会造成酸性气体加剧气缸腐蚀，颗粒加剧气缸磨损的问题，并且，此方案能够有效减少NOX、SOX、颗粒、CO2的排放。1海水水洗海水脱硫是目前研究的应用在发电站上的减排技术。用于

46、柴油机上也有人提及，方法是将排烟用涡轮增压器通入海水中进行减排，关键是要增加一台涡轮增压器。上面方案用到海水，下面对海水成分进行分析：表5-1 海水成分离 子浓度(mg/L)离 子浓度(mg/L)钙410硫酸根2,740镁1,310氟1.4钠10,900溴65钾390硝酸根<0.7钡0.05碳酸氢根152锶13硼45铁<0.02其它项目锰<0.01TDS35,000mg/L硅0.048pH8.1氯19,700-海水中有大量的钙、镁离子，排气中的硫氧化物能与其结合成硫酸盐，达到减排目的；海水的PH大于7，显碱性，能吸收排气中的二氧化碳。海水水洗减排，是用海水吸收排气中的有害成分

47、。海水水洗可以降低硫、颗粒、二氧化碳的排放。海水水洗废气可以仿照制硫酸工业在涡轮增压器后接一个吸收塔，如图：图5.1.1 水洗环节如图，废气从吸收塔的下部进入，从顶部排出。在吸收塔里面，上流的烟气与顶部喷射下来的海水水雾接触，烟气中的SO2、SO3、CO2和微粒被海水吸收，随海水排入大海。由于海洋生态系统具有自净能力，排气中的硫少，排入海中不会对海洋有影响。在吸收塔顶部安装除雾器，去除废气带入的水滴，洗净的排气从吸收塔的顶部离开。2洗气再循环将海水脱硫与排气再循环技术相结合以后，排气再循环需要稍加改动，就成图5.1.2的洗气再循环环节.海水水洗后的气体大部分排入大气，小部分再返回气缸参与燃烧。

48、水洗后的气体含硫量和颗粒低，这种方法可以解决单独的排气循环会加重气缸腐蚀的问题。此环节可以减少NOX的排放。水洗后的气体压力就是大气压。为了增大气缸进气量，提高进气压力，可在气体混合室后，进入气缸前装一个涡轮增压器。水洗排气与洗气再循环可简称“水洗再循环”，此方案能够有效减少NOX、SOX、颗粒、CO2的排放。图5.1.2 洗气再循环环节5.2总结与展望本文分析了重油的理化特性对排放的影响，有害排放物质及形成机理，为了满足MARPOL73/78公约附则的要求，已经有不少的人提出了很多种减排措施，我对常见的减排措施进行了分析，提出了自己的方案。排气再循环技术早有人提出过，不过他用废气直接返回气缸，那样，排气中的颗粒、SOX会加剧气缸的磨损和腐蚀。我结合了海水脱硫技术，脱去排气中的硫分、颗粒、二氧化碳，再把洗气部分返回气缸，降低氮排放。这不仅降低了NOX、SOX、颗粒、CO2的排放，而且不会加剧气缸腐蚀。海水脱硫技术在发电站已经应用，并且脱硫效果非常好。我提出的海水水洗排气和发电站的海水脱硫技术的区别在于，用于船上的水洗塔结构非常简单，吸收过废气的海水直接排入大海，不用回收硫酸和处理废水。排气水洗和洗气再循环的结合适合用于远洋船舶上，他具有减排效果好，海水补给方便，管理简单的特点。本文只是提出的方案，至于方案有什么不