船舶柴油机的有害排放及控制

柴油机燃用HC化合物燃料完全燃烧时,只产生CO2、H2O,没有其它有害产物。由于可燃混合气在燃烧前和燃烧中的极短时间完成的,混合气不均匀程度较严重。在高温富氧环境下易生成NOx，在高温缺氧环境下不完全燃烧生成CO和炭烟粒子,在低温及混合气过稀条件下易生成HC。燃油中的硫燃烧生成SO2及SO3。第5章船舶柴油机的有害排放及控制§5.1船舶柴油机的排放与危害§5.2控制船舶柴油机排放的有关法规§5.3柴油机有害排放的控制措施主要内容：

一、柴油机排气污染物的主要成分无害成分：CO2、水蒸气(H2O)、过量空气、残余氮气(N2)等。(占总量的99.8％）有害成分：CO、NOx、HC、硫氧化物（SOx）

、颗粒等。§5.1船舶柴油机的排放与危害排放物（排放）：我国有关标准把废气中有害成分及CO2和炭烟等统称排放物。二、柴油机排放物的危害1）氮氧化物(NOx)：NO（90%以上）+NO2

=NOx；NO是无色气体,本身毒性不大,但在大气中会缓慢氧化成NO2。

NO2是棕色刺激性气体,对肺和心肌有很强的毒害作用。

NOx形成光化学烟雾。2）碳氢化合物(HC)：燃油未完全燃烧产物的总称。

烯烃：略带甜味,有麻醉作用,对粘膜有刺激,形成有毒的光化学烟雾。芳香烃：对血液和神经系统有害,多环芳香烃及其衍生物有致癌作用。

醛类：刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。黑烟：燃油不完全燃烧生成的炭烟影响视线，危害呼吸系统，炭烟微粒吸附有SO2和多环芳烃，有致癌的危险蓝烟和白烟：燃油或润滑油的微粒蓝烟：粒径在0.5μm以下白烟：粒径在1μm以上4）一氧化碳（CO）：无色、无嗅的有毒气体。导致人体组织缺氧，严重时窒息死亡。5）二氧化硫（SO2）：燃油中的硫分在燃烧中的产物有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎症。形成酸雨。3）颗粒（PM）：是指用清洁过滤空气稀释，气体温度低于或等于325K(52℃)时，在规定的过滤介质上所采集到的物质。颗粒主要组分：碳、凝结的碳氢化合物、硫酸盐和缔合水。柴油机排出的颗粒大多小于0.3μm，人呼吸时，被吸入肺部，在肺里滑动，造成肺组织的伤害。另外，颗粒碳核在吸附的其它有毒物质被吸入人体，也会对人体造成损害4）一氧化碳（CO）：

无色、无嗅的有毒气体。导致人体组织缺氧，严重时窒息死亡。在柴油机的排气中CO含量较少，只在高负荷运转时排放量较高。5）硫氧化物（SOx）：

SOX是燃油中的硫分在燃烧中的产物，主要包括SO2和SO3。SO2具有刺激性，与水结合后生成亚硫酸，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎症。另外，SO2进一步氧化的产物SO3与水分作用形成硫酸并形成酸雨。三、柴油机有害气体排放物的生成机理1．NOx：指柴油机排气中各种氮氧化物的总称。对柴油机来说要控制的氮氧化物主要是NO的排放量，而对人类直接造成危害的成分是NO2。柴油机排气中的NOx主要是由空气中的氮在高温环境下氧化生成的，即“热氮氧化物”。柴油机燃烧过程中决定NOx生成率大小的三个主要因素是：高温、富氧和在高温下燃气的停留时间。2.HC：包括燃油中的未燃烃类、裂解反应和再化合反应的产物、燃烧和氧化反应的中间产物（如醛、醇等）所组成的，少部分产生于润滑油。HC的生成机理很复杂，由多种因素形成的。根本原因：烃类在空气中不能燃烧或不能完全燃烧，如在温度或压力过低；混合气浓度过浓或过稀条件下都可能形成碳氢化合物。柴油机在怠速或小负荷运转时的HC排放大于高负荷时的HC排放。3.COCO是烃燃料燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一。一般来说，如果达到一定的反应温度，并在氧化剂存在的条件下，CO将继续进行反应，而生成燃烧产物CO2。如果燃烧过程中局部空间或瞬时存在下列条件之一，则CO不能继续燃烧而被排出机外：

1）反应着的气体温度突然过低；2）反应着的气体突然缺氧；3）反应物停留在适合反应条件的时间过短。在燃烧室中，生成CO的主要部位是富油区、稀熄火焰和火焰淬熄区。4.颗粒:也称微粒（ParticulateMatter:PM）柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。当排气温度较高时，它主要是碳质微球的聚集体，一般称之为碳烟（DrySoot:DS），它主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢而生成的以碳为主要成分的固体微小颗粒。当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份（SoluableOrganicFraction:SOF）,它是重质有机化合物从气缸内排出并被空气稀释时凝结并被碳粒所吸附的。若排气成份中HC含量高，则冷凝作用就更强烈。§5.2控制船舶柴油机排放的有关法规上世纪70年代以来，由于环境污染的日益严重和人们对环境状况的日益关注，内燃机有害排放物对大气造成的危害受到了人们的高度重视。各国际组织及世界各国和地区相继以法规的形式对内燃机排放物加以强制性限制。主要内容：一．国际海事组织（IMO）的有关规定二．其它国家和地区的有关排放法规三．排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响一．国际海事组织（IMO）的有关规定为限制和控制船舶向大气排放有害物质，IMO1997年通过了修订《73/78国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL公约）的1997年议定书。该议定书新增了MARPOL公约附则VI“防止船舶造成空气污染规则”。其中第13条、第14条分别对柴油机NOx排放和SOx排放作出了相应的规定。1）关于NOx限值排放量的最高限制线，由三部分组成，

（1）NOx≤17g/(kW·h)低速机n＜130r/min；（2）NOx≤45.0×n-0.2g/(kW·h)中速机130r/min＜n≤2000r/min；（3）NOx≤9.8g/(kW·h)高速机n＞2000r/min。

图5-2船用柴油机最大NOx排放量2）关于SO2限值

船舶柴油机使用的任何燃料的硫含量不得超过4.5%m/m；SOx排放控制区域：波罗的海，英吉利海峡和北海。船舶在SOx排放控制区域，应满足下列条件之一：(1)燃油的硫含量不超过1.5％m/m；(2)采用认可的废气滤清系统把船舶的SOx排放总量减少至6.0g/kWh或更少；(3)采用核实和可行的任何其他技术把船舶的SOx排放总量减少至6.0g/kWh或更少。目前船舶多采用第(1)种措施来保证硫化物排放达到标准，此时船舶的燃油注入、驳运系统应满足在SOx排放控制区内进行低硫燃油的转换作业。除国际海事组织《73/78国际防止船舶造成污染公约》附则VI“防止船舶造成空气污染规则”外，美国、欧洲等国家和地区也制定了本国或本地区的排放法规，这类排放法规虽然只在本国或本地区内适用，但往往比国际法规更加严格。美国将IMO的《73/78污染公约》附则VI“防止船舶造成空气污染规则”定为第一级的排放控制标准，在此基础上又制定了另一套更严格的船用柴油机排放的限制标准。

欧盟规定自2006年5月起，所有船舶必须使用硫含量1.5%以下的燃油；在欧洲固定航线的客轮应使用硫含量1.2%以下的燃油；所有在欧洲港口停泊的船舶使用燃油的硫含量应低于0.2%，到2010年1月后使用燃油的硫含量应低于0.1%；或使用排气后处理措施达到相应的SOx排放水平。欧洲各国如瑞典、挪威等还制定了不同的排放收费标准，其基本原则是以IMO的《73/78污染公约》附则VI“规则”所规定的限制指标为基准制定港口、航道费用的收费标准，对于排放量低的船舶予以减免，而对于排放量高的船舶予以重罚。二．其它国家和地区的有关排放法规随着排放法规的实施以及排放法规的逐步严格，将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响，甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。三．排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响1.对船舶柴油机发展的影响影响氮氧化物(NOx)生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程，它和柴油机的结构、工作过程参数、运行工况、各辅助设备和系统的工作质量都有关系。降低氮氧化物(NOx)排放的方法主要是机内处理和机后净化。机内处理方法的关键是有效的控制燃烧过程；采用机后处理方法虽然不会影响柴油机的热效率，但设备的增加必然引起船舶初造价的提高和船员维护管理工作的增加。2.对船用柴油机燃油的影响SOx排放物的多少主要是由燃油中的硫分所决定的。MARPOL公约附则VI对燃料含硫量的规定对目前主要以低质燃料油为主要燃料的船舶柴油机来说将存在重大的影响。

中东地区石油储量占世界石油储量的66.4%，以其为原料生产的低质燃料油的含硫量较高，甚至可能高达6%，为了满足要求，特别是在SOx控制区内，降低燃料含硫量是减少废气中氧化硫产物的唯一有效方法。

脱硫处理后，燃料的价格也会上升，燃料费用增加。另外一种除去废气中氧化硫的方法是水洗。但是在每一条船上装设庞大的氧化硫处理设备，不论从经济角度还是从环保角度都存在一定的问题。

柴油机排放物控制的重点：NOx与颗粒，其次是SOx。