船舶柴油机大气污染的控制法规制

船舶柴油机大气污染的控制法规制

以柴油为动力的船舶叶片的耗竭对环境和环境有了更大的影响。根据erryu等人的统计，以柴油为动力的船舶每年向大气产生约650万吨氮（nox）、约600万吨硫氧化物（sox）和约170万吨颗粒（pm）。此外，根据欧盟的研究，欧洲的汽车排放量逐年下降，但汽车排放继续上升。根据现有法律法规，2020年so2、nox和pm.5分别增长42%、47%和56%。根据所有研究，船舶对空气污染不容忽视。尤其是在一些航线密集、船舶流量大的地区，船舶排放的污染已成为该地区的主要水源。世界上2.3多艘船的耗竭发生在距离海岸400公里的范围内。因此，每年大约有64000人死亡于与污染有关的疾病。我国内河航运线上的环境污染情况比沿海港口更加复杂和严重.内河船舶约22万余艘,2000多万载重吨,大多船型旧、船舶吨位小,使用上世纪七八十年代的中小型船舶柴油发动机以及劣质的燃料油,根据目前国内船舶排放水平现状推算,我国内河船舶每年排放大气的NOX、SOX不少于100万吨.1其他国家对v的主要排放限制针对船舶发动机排放对大气的污染愈加严重,国际海事组织(IMO)制定了MARPOL73/78附则VI《防止船舶造成大气污染规则》.1997年9月26日获得缔约国大会通过,2005年5月19日生效,2006年8月23日起对我国生效.随着2008年初肯尼亚、塞拉利昂、中国香港的加入,至今批准加入MARPOL73/78附则VI的国家已有53个,商船总吨位达全世界商船总吨位的81.88%.MARPOL73/78附则VI适用于400总吨及以上的国际航行船舶,以及所有移动式或固定式海洋钻井平台及其它平台.MARPOL73/78附则VI对于船舶废气中的硫氧化物(SOX)和氮氧化物(NOX)的排放含量作了限制,禁止故意排放消耗臭氧的物质,附则VI规定了燃油中硫的含量的全球上限,并允许设立硫氧化物排放控制区(SulphurEmissionControlArea-SECA),从而对硫的排放进行更严格的控制(表1).GB8189-87给出了我国的船舶主机排放水平的允许限值,但没有IMO的排放限制严格.相反,欧美、日本等国却纷纷对在自己海域航行的船舶制定了比IMO更加严格的法规,同时还辅以经济手段来促使这些法规的执行,因此当务之急,一方面是制定适合我国国情的更加严格的排放法规(包括内河船舶);另一方面,在已有的研究基础上,进一步优化和简化可靠的实船测试技术,为海事局和船检部门监控在用船舶柴油机排放提供有效手段.2减少污水中的废气排放在IMO的附则VI中,船舶柴油机废气排放控制的主要对象是SOX、NOX和颗粒物PM.为了有效控制船用柴油机废气排放和改善船舶对大气的污染,通常采用淘汰劣质燃料油、降低燃油中的含硫量、改善柴油机燃烧特性和柴油机排气的后处理等措施来减少大气污染物的排放.2.1低硫馏分油特性的事后脱硫技术硫氧化物的排放水平完全取决于燃料中硫的含量.因此,通过在发动机内采取措施对SOX的排放起不到任何作用.目前,减少这些有害物质的唯一方法就是后处理技术或者使用馏分油、天然气、生物燃料等含硫量低的燃料(Low-sulphurfuel).由于高品质的低硫馏分油具有使发动机运行平稳,降低维修费用和明显减少PM及其他有害物排放量的特点,而成为最直接的脱硫方法.而后处理技术主要是海水洗涤系统(SeawaterScrubbingSystem).它采用传统湿法脱硫原理,利用海水呈碱性的特性,在排气中喷入海水,使之吸收SOX和清除PM.Ritchie,等估算此法排气脱硫率和PM清除率分别可以达到75%~80%和25%~30%.经过PrideoftheKent船上试用该系统后,脱硫率在68%~94%,PM清除率在31%左右.然而这种技术也有缺点,就是脱硫设备增加了整个排气系统的背压,而且产生的副产物硫酸盐的排放会对环境造成二次污染.2.2排放影响因素船舶柴油机中生成的氮氧化物主要来源是空气中的氮气,而影响其生成的因素主要是燃烧温度、燃烧时间及燃油与空气的预混合程度.废气含有95%的NO和5%的NO2+N2O.要控制NOX的排放,可以从其生成机理和性质两方面进行,一般分为机内燃烧控制技术和机外排气净化技术.2.2.1乳化剂燃油对柴油质量的影响燃油乳化(Water-in-FuelEmulsion)技术是把柴油或重油在进入气缸前与水按一定比例混合,并在超声波和机械搅拌的作用下,形成油包水的乳化油滴,喷入高温燃烧室后,由于水比热较大,吸收大量的潜热汽化,进而在油滴内部产生“微爆”,使之破碎成粒径更小的油滴,从而促进了混合气的形成和燃烧.同时,水的吸热作用在燃烧过程中可以降低最高燃烧温度.水与油的混合喷入还可以降低燃油密度,使最高燃烧温度进一步降低.因此,柴油机的NOX排放量减少.使用乳化燃油对发动机工作性能的影响随机器型号不同而变化,但在一般情况下,增加一个百分点的水将减少一个百分点的NOX.MANB&W在他们的二冲程发动机上使用含水10%的乳化燃油,实现了NOX减少10%的效果.标准设计的发动机可以满负荷时加入20%的水,水的增加量根据排气中测得的NOX来决定,因此需要对NOX进行连续监测.国内外的实践证明,使用乳化燃油不仅能够降低NOX的排放,还可改善柴油机的排烟尤其在低负荷时更加明显.但是它也有会引起发动机零部件的腐蚀以及油水分离现象的缺点.2.2.2减少nox排放发动机优化(EngineOptimization)指控制缸内参数来为降低发动机排放和提高燃油经济性.诸如改善燃烧室结构和燃烧滞留期、增大压缩比、优化喷嘴结构、控制燃油喷射过程、采用共轨系统等.其中,延迟喷油正时(RetardedTiming)是在燃烧过程中降低NOX生成的最简单有效的方法之一.它主要通过滞燃期起作用,使燃料燃烧所形成的温度峰值降低,但燃油消耗率会略有上升,并会降低发动机功率.当燃气温度和增压空气冷却水的温度较低时,NOX的降低量可达20%,甚至更低.船舶动力装置由于经常在热带环境状态下运行,冷却水温较高,利用延迟喷油正时的办法也能将NOX排放量减少10%~15%.高压共轨喷射系统是通过对喷油要素的优化使船舶柴油机燃烧更充分,从而减少柴油机的有害排放,特别是在低负荷或低转速时,效果更加明显.共轨柴油喷射系统可以将燃油喷射压力提高到180MPa.实践表明,采用共轨技术的船用柴油机可以减少20%的NOX排放.另外,增压中冷技术可在船舶柴油机的热负荷不增加甚至降低,以及机械负荷加不多的前提下,大幅度地提高船舶柴油机的功率,降低有害物的排放.其中废气涡轮增压方式结构简单、工作可靠,所以在船舶柴油机上得到普遍采用.2.2.3传统模式2.2排放的影响废气再循环(ExhaustGasRecirculation,EGR)是将柴油机排气管中的一部分废气经冷却和清洁后再次引入气管,与新鲜空气混合后进入气缸参加缸内燃烧.废气再循环之所以能使排气中NOX浓度下降,是因为一方面柴油机排出的废气循环进入到气缸显著降低了燃烧前气缸中的氧含量,另一方面柴油机排出的废气中含有较多的水蒸气和CO2,它们的比热容比空气的大得多,从而也降低了燃烧过程所能达到的温度.MANB&W在75%的发动机负荷下,采用20%再循环率取得了50%脱硝率.一般EGR可以在不影响柴油机输出功率的情况下有效地降低NOX的排放约50%~60%,但只适用于使用低硫分和低灰分燃油或其它洁净燃料的机型.EGR的使用还会影响到燃烧,增加燃油的消耗量,燃烧废气中的微粒物质、未燃的碳氢化合物和一氧化碳也会增多.废气冷却时还会产生高粘性的硫酸产物、水和烟灰的混合物,这也限制了EGR在柴油机中的应用.2.2.4ham系统的应用湿空气动力(HumidAirMotors,HAM)系统是利用水蒸气加湿进气管中的进气,形成湿空气进入气缸燃烧,因而降低最高燃烧温度和NOX的生成数量.HAM系统可以取代增压空气冷却器来冷却进口空气和增加其水蒸汽含量,使湿度在大气中提高了几倍,从而能有效减少NOX达70%~80%,同时不会引起二次污染.瑞典的MuntersEuroform公司在一台6000kW的12PC2.6V型船用中速柴油机中采用HAM技术,能使NOX的排放量降低了74%.除此之外,HAM系统可以利用海水作为水蒸气的来源,用废气锅炉加热或柴油机冷却水加热.2.2.5dwi技术采用复合喷油器的前景DWI(DirectWaterInjection)技术是采用同时喷水和喷油的复合型喷油器,在燃油喷射阶段,按水-燃油重量比0.4~0.7将高压水喷入气缸内,完成水与燃烧的混合气混合,进而降低燃烧温度,降低NOX排放可达50%~60%.这种复合型喷油器的喷水系统与喷油系统完全独立,因此终止喷水系统不会影响柴油机工作.DWI技术除降低NOX的排放外,还降低柴油机的热负荷,并提高柴油机运行的清洁性,淡水消耗量较少.但DWI技术会导致燃油消耗率略有提高,在使用含硫量较高的燃油时更需考虑燃烧室材料和采用特殊的喷嘴.该系统在发动机上并不需要额外的空间也不用增加额外成本,一般可用在中速类型的船用发动机上,安装费用约为25$/kW,运行和维护费用大约为燃料费用的4%~5%.另外,日本三菱重工还开发了添加水降低柴油机NOX排放的新技术——油水分层喷射(StratifiedFuel-waterinjection,SFWI).在喷油阶段,使油和水分层喷入气缸,降低火焰温度.经过连续试运行,工况稳定,对低速柴油机NOX可降低50%,高速柴油机降低70%.2.2.6scr系统的应用选择性催化还原法(SelectiveCatalyticReduction,SCR)是指温度在290℃~350℃下,利用还原剂(如氨气、尿素溶液等)“有选择性地”与NOX在催化剂涂层上进行催化还原反应(而不与氧发生反应)生成无毒无污染的N2和H2O.主要发生以下反应:芬兰Wärtsilä公司的V6R32E型中速柴油机,采用SCR系统后NOX降低85%、CO和HC均降低70%;MANB&W公司的6S35MC型柴油机应用SCR系统后,脱硝率在90%以上;此外还有德国西门子公司的SINOX技术、美国RJM公司的SCR系统、加拿大DCL公司的SCR系统等.由此可见,SCR技术具有很高的NOX净化效率,能够达到TierII和TierIII的排放要求.此外,使用该技术还可以在反应器中氧化去除部分烟气和碳氢化合物,不会造成油耗率和排气黑烟的增加.当然,SCR装置也存在尺寸大、初投资高的问题.基础型SCR体积与发动机相当其投资费用是船舶的5%~8%,是船舶柴油机的50%.尽管如此,因为SCR技术可以非常有效地降低船舶柴油机NOX排放,所以还是成为降低NOX排放的首选技术方案.2.3机外净化技术柴油机排放的颗粒物组成较为复杂,但主要因素有燃油不完全燃烧产生的微小碳烟、润滑油组分不充分燃烧、燃油和气缸润滑油中的灰分含量、燃油中未燃烧部分、燃烧产物以及润滑油中的硫酸盐和水分.船舶排放的颗粒物多数都小于10μm,能够进入人体肺部的深处且对人体健康造成伤害.目前,对船用发动机排气的颗粒物净化就机内控制来说,可以从提高喷油压力,改善油气混合质量入手.而机外净化技术当属微粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF),它可将排气中微粒捕捉不使其排出机外,再利用催化剂、氧化器、燃烧器等进行分解、燃烧.这种装置可将船舶柴油机排气中有害物微粒减少70%~90%.用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种,常用的有整体式陶瓷、金属丝网、纺织纤维圈、陶瓷纤维、泡沫陶瓷等.排气系统中安装DPF后将会使船舶柴油机的排气背压提高,功率下降.DPF上沉积的微粒越多,排气背压越高.因此,必须定期清除沉积在DPF上的微粒(称为DPF再生).DPF再生有主动再生和被动再生两种技术,将二者结合起来应用,效果显著.另外,旋风分离器也可减少颗粒物的排放,它能将颗粒物中粒径大于0.5μm的颗粒分离出去;还可采用静电沉淀分离器,可减少99%颗粒物的排放,但设备造价较高.当然还有其它新技术,如船舶废气反应器(IESI)对发动机颗粒物净化率可达到80%以上.2.4dwi与废气再循环技术随着IMO的TierII和TierIII阶段排放限制执行日期的日益临近,对于不同阶段的NOX排放规定应当采取不同的解决方案,即由过去的应用单一机内或机外净化技术发展为将机内与机外控制技术联合使用,共同净化柴油机排气.Wärtsilä已将DWI和废气再循环技术联合应用,称为残气水冷法(WaterCooledResidualGas,WaCoReG),获得70%以上的NOX脱除率,这将使NOX的排放下降到5g/kWh,远低于IMO的TierII排放限值.其特点主要是再循环通常提高发动机的热负荷,而喷水可以降低其温度并保持发动机热负荷与没有EGR时的相同;另外,使用WaCoReG后,在压缩行程中的喷水时刻比单独使用DWI时的早.另外,马明志针对NOX不同阶段的排放限制规定,提出不同的技术解决方案.对于IMOTierⅡ的要求,