第30卷 第3期2007年6月
世界海运
WorldShipping
Vol.30 No.3Jun. 2007
船
舶防污
船舶柴油机NOX排放控制措施
刘玉珂Ξ
(大连海事局,辽宁大连 116001)
【关键词】船舶柴油机;氮氧化物;废气排放;控制措施
【摘 要】随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的不断增强,。
,氧化物排放的技术措施是必然趋势。
中图分类号:U698.7 文献标识码:B()0320054203
上为了进一步降低排放量,以期满足IMO公约要求采取的措施,包括选择性催化还原技术(SCR)、废气洗涤法等。
1 概 述
强,。近年来,,船舶柴油机作为一个重要的污染源已引起高度重视。国际海事组织(IMO)制定了关于船舶废气排放标准的《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ,于1997年获得缔约国大会通过并于2000年1月1日生效。在附则Ⅵ第13条中对船舶柴油机氮氧化物(NOX)排放限制提出了具体规定。在附则Ⅵ中也详细规定了氮氧化物的检验与发证、排放标准、测量程序及船上检验程序[1]。船用柴油机排放规则的实施对船舶柴油机是一个很大的挑战,完成船用柴油机排放测试和较好地控制其排放也逐渐成为人们关注的方向。
对氮氧化物生成有重要影响的3个因素是:高温、富氧、长时间停留。如果这3个条件同时成立,氮氧化物的生成将明显增多。文献[2-4]表明,当燃烧温度超过
2200K时,每升高90K,热力NOX的生成量就会翻番。
2.1 EGR技术
利用EGR技术净化NOX[6],实际上是热容量理论的具体应用,即在燃料燃烧放热不变的情况下,可以降低最高燃烧温度,从而降低NOX排放。由于废气的主要成分是惰性气体(CO2、H2O、N2等),它们具有较高的比热容。当新混合气与废气混合后,热容量随之增大,加热这种经过废气稀释后的混合气,温度每升高1℃所需的热量随之增加。但是应用EGR同时也带来一定的负面效应,由于混合气中氧的相对含量减少,柴油机在大负荷时油耗率明显上升,使柴油机经济性下降,增加了进气温度,降低了燃烧效率,会带来燃油经济性下降及黑烟排放的增加。为解决这一问题,提出了冷却EGR的概念。EGR冷却器本身可使氧化减少7%。研究结果也证明,采用冷却的EGR技术可以解决上述问题。但是,采用冷却的EGR系统无疑使船舶动力装置复杂性提高,并给船舶运营管理带来额外的负担。因此,EGR技术目前还没有推广。
所以控制NOX的排放从本质上讲是从这3个角度入手,避免这3个因素在燃烧室中同时形成。
2.2 优化柴油机结构参数和运行参数
优化柴油机结构参数和运行参数包括:①改善燃烧系统,采用分隔式燃烧室,采用直喷式并加大燃烧室直径,增大深比(采用浅盆形燃烧室);②对供给系统进行优化,减小喷油正时,提高喷油速率,加大喷嘴油孔,电控柴油喷射;③改善进气系统,加强进气漏流,改变气门重叠角,增大充气量。
所有这些措施虽都能在一定程度上降低NOX的排放,但是效果并不明显,并且带来柴油机组件的重新设计制造,使柴油机可靠性下降。但是近年来发展的共轨电
2 船舶柴油机NOX排放控制技术
船舶柴油机排放控制措施分为机内控制(一次控制)和机外控制(二次控制)。从燃烧理论上讲,NOX排放是
[5]
良好燃烧的副产品。因此要降低NOX排放就不可避免
地要降低柴油机的热效率,使柴油机运营成本增加。机内控制实质上是指在可燃混合气燃烧之前采取的降低污染物排放的措施,包括机内、机外废气再循环技术
(EGR),优化柴油机结构参数和运行参数,湿法降低NOX
技术,添加燃油添加剂等。机外控制是在机内控制基础
Ξ[收稿日期]2007203223
[作者简介]刘玉珂(1972-),男,山东栖霞人,工程师
第3期 刘玉珂:船舶柴油机NOX排放控制措施 55
控喷油技术,能实现柴油机不同负荷的情况下以优化的喷油提前角和喷油压力将燃油喷入气缸,在降低燃油消耗率的基础上也降低了NOX的排放。目前这一技术在车用发动机上应用较广,船舶柴油机也渐渐采用共轨电控喷油技术。
在燃油中添加CH3OH后对火焰燃烧温度和燃烧速率影响甚微。在高温下CH3OH分解成CH3、CH2O、CHO。它们能够很快地和O、OH发生反应,减少了O和OH在高温下的聚集。因此,在燃料中添加CH3OH可以降低NOX排放,并且NO生成量的多少与CH3OH添加比例有关。
J.A.Smith等人[5]在一台6V292底特律二冲程柴油机上
2.3 湿法降低NOX排放措施
借用水来降低NOX排放的方法有3种[7]:①扫气空气中混入一定量水,当然肯定是汽态水状态(combustion
airsaturationsystem,CASS技术);②直接向燃烧室喷水或
进行缸内直接喷射天然气的试验。结果显示,由少量柴油点燃直接喷入气缸的天然气,能在所有负荷条件下保持原柴油机的效率不变,同时还能使氮氧化物的排放减少约40%。
喷入蒸汽(directwaterinjection,DWI技术);③乳化油,使喷入汽缸的燃料以燃油小液滴包附在水外。
(1)CASS技术。CASS装置的实现方式通常是在增
2.4 选择性催化还原技术
选择性催化还原技术(selectivecatalyticreduction,
SCR)。它能有效降低NOX85%～压器末端喷入高压水。有时为了防止混合气中水蒸气再次凝结,需要提高空冷器的温度。CASS技术能降低NOX排放的50%～60%,并且不会影响燃油消耗率。跟其他降低NOX排放措施相比,该方法有较高的NOX降低能力,能降低柴油机的热负荷,系统结构简单,成本低,,运转,。
(2)DWI技术能降低NOX排放的50%
率,可。一套典型的SCR:若干催化剂层、药剂的储存和运送系控制系统。由于反应器工作温度不能太低,反应器通常设置在二冲程柴油机增压器的前端、四冲程柴油机增压器的后端,和消音器进行整体设计。
SCR法降低NOX排放的机理是:用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理,使氨能有选择地和气体
～60%,但是会导致燃油消耗率略有提高。它的实现方式是通过组合的喷油器将水和燃油喷入燃烧室,实现水与燃烧混合气的混合。如果需要也可以在不影响柴油机工作的情况下屏蔽掉喷水系统。DWI技术降低NOX排放的同时也降低了柴油机的热负荷,并提高柴油机的运行清洁性,消耗淡水量较少;但是燃烧含硫量较高的燃油时需考虑燃烧室材料和采用特殊的喷嘴。
(3)燃油乳化技术。燃油乳化[8]是指燃油在喷入气
中的NOX进行反应,而不和氧反应,称为选择性催化还原法。国外一些柴油机制造厂早已开始SCR在实船应用的开发研究工作。所有试验研究都证实了SCR不仅有效地降低了NOX的排放量,并且同时也降低了CO、HC等污染物的排放。液氨、氨水、尿素都可用做还原剂。虽然
SCR系统占用空间较大,并且初期投资和运营成本都会
提高,但SCR技术是目前船舶柴油机切实可行地进行排放净化的唯一措施。
缸前在燃油中混合一定的水分。在超声波和机械搅拌的作用下,乳化重油成为油包水的乳化油滴。喷入气缸后由于水蒸气的“微爆”作用使油滴破碎成更细小的油滴,从而促进了混合气的形成和燃烧。在燃烧过程中,水的吸热作用可降低最高燃烧温度。另外,水与油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。但使用乳化燃料时,原喷油泵的喷射量以及喷射特性不能满足柴油机运转时所需求的燃料量。尤其是在大负荷情况下,柴油机几乎不能正常运转。加之乳化燃料的黏度较大,雾化效果不好,造成燃烧恶化,反而使一些有害气体的排放增加。为了把握适应于乳化燃料的燃料喷射系统的特性和有关参数,需对柴油机的喷油泵、喷油泵凸轮轴以及喷油器进行改造。为了解决乳化燃油所需昂贵的乳化剂、乳化设备以及制备过程中消耗的能量和乳化油容易发生油水分离等问题,人们研究了气缸喷水(汽)技术。这样燃油和水
(汽)各由一个喷嘴喷入气缸,参与燃烧,同样使NOX排
3 结 论
由于柴油机废气排放种类很多,并且降低排放的措
施对柴油机的动力性、经济性都产生影响,单纯某一种降低NOX排放的措施不能满足IMO排放法规越来越苛刻的要求。未来NOX排放的控制措施如图1所示[9]。
放降低。
(4)使用燃油添加剂法。Q.Jiang等人[4]研究表明:
图1 未来NOX排放的控制措施
(1)现在柴油机NOX排放的标准值在9.5～
第30卷 世界海运 56
15g/(kW・h)。可采取的控制措施为:①采用共轨技术(commonrail,CR)和电子喷射(electroniccontrol,EC)后,NOX排放值降为7.5～12g/(kW・h);②采用直接喷水技
大学出版社,2001:531.
[3] 吴忠标.大气污染控制技术[M].北京:化学工业出
版社,2002:246-248.
[4] JIANGQ,ZHANGC,JIANGJ.ReductionofNOx
inaregenerativeindustrialfurnacewiththeadditionofmethanolinthefuel[J].EnergyResourTechnol,2004:126,159.
[5] SMITHJA,JBARTLEYG.Stoichiometricoperation
ofagasengineutilizingsynthesisgasandEGRforNOXcontrol[J].JournalofEngineeringforGasTur2binesandPower,2000,122:617-623.
[6] 姜 君,熊翔辉,张庭芳.废气再循环(EGR)在内燃
术(DWI)后,NOX排放值降为4～6g/(kW・h);③采用选择性催化还原技术(compactSCR,CSCR),NOX排放值降为0.5～2g/(kW・h);④采用前述前两种方法相结合(①
),NOX排放值降为2～4.5g/(kW・+②h);⑤采用前述),NOX排放值降为0.2～前3种方法相结合(①+②+③1g/(kW・h)。
(2)将来柴油机NOX排放值,采用共轨技术(CR)、电
子喷射(EC)以及蒸汽喷射技术(steaminjection,SI)后,
NOX排放值可降为1.5～4g/(kW・h);采用共轨技术(CR)、电子喷射(EC)、蒸汽喷射技术(SI),并与选择性催
机中的应用[J].江西能源4):22-24.
[7] HELLG.Amarinediesel
,2005(1):16-,菊池正晃,等.船用柴油机NOX
化还原技术(CSCR)相结合,NOX排放值可进一步降为
0.1～0.6g/(kW・h)。因此,综合采取机内、机外控制排
放措施是将来的必然发展趋势。
[参考文献]
[1] 钱作勤,王忠俊.[J].(39.
[2] 蒋德明.[M].西安:西安交通
[J].内燃机学报,2000,18(4):46-52.
[9] Thedieselengine&theenvironment[M].Helsinki:
W
第30卷 第3期2007年6月
世界海运
WorldShipping
Vol.30 No.3Jun. 2007
船
舶防污
船舶柴油机NOX排放控制措施
刘玉珂Ξ
(大连海事局,辽宁大连 116001)
【关键词】船舶柴油机;氮氧化物;废气排放;控制措施
【摘 要】随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的不断增强,。
,氧化物排放的技术措施是必然趋势。
中图分类号:U698.7 文献标识码:B()0320054203
上为了进一步降低排放量,以期满足IMO公约要求采取的措施,包括选择性催化还原技术(SCR)、废气洗涤法等。
1 概 述
强,。近年来,,船舶柴油机作为一个重要的污染源已引起高度重视。国际海事组织(IMO)制定了关于船舶废气排放标准的《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ,于1997年获得缔约国大会通过并于2000年1月1日生效。在附则Ⅵ第13条中对船舶柴油机氮氧化物(NOX)排放限制提出了具体规定。在附则Ⅵ中也详细规定了氮氧化物的检验与发证、排放标准、测量程序及船上检验程序[1]。船用柴油机排放规则的实施对船舶柴油机是一个很大的挑战,完成船用柴油机排放测试和较好地控制其排放也逐渐成为人们关注的方向。
对氮氧化物生成有重要影响的3个因素是:高温、富氧、长时间停留。如果这3个条件同时成立,氮氧化物的生成将明显增多。文献[2-4]表明,当燃烧温度超过
2200K时,每升高90K,热力NOX的生成量就会翻番。
2.1 EGR技术
利用EGR技术净化NOX[6],实际上是热容量理论的具体应用,即在燃料燃烧放热不变的情况下,可以降低最高燃烧温度,从而降低NOX排放。由于废气的主要成分是惰性气体(CO2、H2O、N2等),它们具有较高的比热容。当新混合气与废气混合后,热容量随之增大,加热这种经过废气稀释后的混合气,温度每升高1℃所需的热量随之增加。但是应用EGR同时也带来一定的负面效应,由于混合气中氧的相对含量减少,柴油机在大负荷时油耗率明显上升,使柴油机经济性下降,增加了进气温度,降低了燃烧效率,会带来燃油经济性下降及黑烟排放的增加。为解决这一问题,提出了冷却EGR的概念。EGR冷却器本身可使氧化减少7%。研究结果也证明,采用冷却的EGR技术可以解决上述问题。但是,采用冷却的EGR系统无疑使船舶动力装置复杂性提高,并给船舶运营管理带来额外的负担。因此,EGR技术目前还没有推广。
所以控制NOX的排放从本质上讲是从这3个角度入手,避免这3个因素在燃烧室中同时形成。
2.2 优化柴油机结构参数和运行参数
优化柴油机结构参数和运行参数包括:①改善燃烧系统,采用分隔式燃烧室,采用直喷式并加大燃烧室直径,增大深比(采用浅盆形燃烧室);②对供给系统进行优化,减小喷油正时,提高喷油速率,加大喷嘴油孔,电控柴油喷射;③改善进气系统,加强进气漏流,改变气门重叠角,增大充气量。
所有这些措施虽都能在一定程度上降低NOX的排放,但是效果并不明显,并且带来柴油机组件的重新设计制造,使柴油机可靠性下降。但是近年来发展的共轨电
2 船舶柴油机NOX排放控制技术
船舶柴油机排放控制措施分为机内控制(一次控制)和机外控制(二次控制)。从燃烧理论上讲,NOX排放是
[5]
良好燃烧的副产品。因此要降低NOX排放就不可避免
地要降低柴油机的热效率,使柴油机运营成本增加。机内控制实质上是指在可燃混合气燃烧之前采取的降低污染物排放的措施,包括机内、机外废气再循环技术
(EGR),优化柴油机结构参数和运行参数,湿法降低NOX
技术,添加燃油添加剂等。机外控制是在机内控制基础
Ξ[收稿日期]2007203223
[作者简介]刘玉珂(1972-),男,山东栖霞人,工程师
第3期 刘玉珂:船舶柴油机NOX排放控制措施 55
控喷油技术,能实现柴油机不同负荷的情况下以优化的喷油提前角和喷油压力将燃油喷入气缸,在降低燃油消耗率的基础上也降低了NOX的排放。目前这一技术在车用发动机上应用较广,船舶柴油机也渐渐采用共轨电控喷油技术。
在燃油中添加CH3OH后对火焰燃烧温度和燃烧速率影响甚微。在高温下CH3OH分解成CH3、CH2O、CHO。它们能够很快地和O、OH发生反应,减少了O和OH在高温下的聚集。因此,在燃料中添加CH3OH可以降低NOX排放,并且NO生成量的多少与CH3OH添加比例有关。
J.A.Smith等人[5]在一台6V292底特律二冲程柴油机上
2.3 湿法降低NOX排放措施
借用水来降低NOX排放的方法有3种[7]:①扫气空气中混入一定量水,当然肯定是汽态水状态(combustion
airsaturationsystem,CASS技术);②直接向燃烧室喷水或
进行缸内直接喷射天然气的试验。结果显示,由少量柴油点燃直接喷入气缸的天然气,能在所有负荷条件下保持原柴油机的效率不变,同时还能使氮氧化物的排放减少约40%。
喷入蒸汽(directwaterinjection,DWI技术);③乳化油,使喷入汽缸的燃料以燃油小液滴包附在水外。
(1)CASS技术。CASS装置的实现方式通常是在增
2.4 选择性催化还原技术
选择性催化还原技术(selectivecatalyticreduction,
SCR)。它能有效降低NOX85%～压器末端喷入高压水。有时为了防止混合气中水蒸气再次凝结,需要提高空冷器的温度。CASS技术能降低NOX排放的50%～60%,并且不会影响燃油消耗率。跟其他降低NOX排放措施相比,该方法有较高的NOX降低能力,能降低柴油机的热负荷,系统结构简单,成本低,,运转,。
(2)DWI技术能降低NOX排放的50%
率,可。一套典型的SCR:若干催化剂层、药剂的储存和运送系控制系统。由于反应器工作温度不能太低,反应器通常设置在二冲程柴油机增压器的前端、四冲程柴油机增压器的后端,和消音器进行整体设计。
SCR法降低NOX排放的机理是:用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理,使氨能有选择地和气体
～60%,但是会导致燃油消耗率略有提高。它的实现方式是通过组合的喷油器将水和燃油喷入燃烧室,实现水与燃烧混合气的混合。如果需要也可以在不影响柴油机工作的情况下屏蔽掉喷水系统。DWI技术降低NOX排放的同时也降低了柴油机的热负荷,并提高柴油机的运行清洁性,消耗淡水量较少;但是燃烧含硫量较高的燃油时需考虑燃烧室材料和采用特殊的喷嘴。
(3)燃油乳化技术。燃油乳化[8]是指燃油在喷入气
中的NOX进行反应,而不和氧反应,称为选择性催化还原法。国外一些柴油机制造厂早已开始SCR在实船应用的开发研究工作。所有试验研究都证实了SCR不仅有效地降低了NOX的排放量,并且同时也降低了CO、HC等污染物的排放。液氨、氨水、尿素都可用做还原剂。虽然
SCR系统占用空间较大,并且初期投资和运营成本都会
提高,但SCR技术是目前船舶柴油机切实可行地进行排放净化的唯一措施。
缸前在燃油中混合一定的水分。在超声波和机械搅拌的作用下,乳化重油成为油包水的乳化油滴。喷入气缸后由于水蒸气的“微爆”作用使油滴破碎成更细小的油滴,从而促进了混合气的形成和燃烧。在燃烧过程中,水的吸热作用可降低最高燃烧温度。另外,水与油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。但使用乳化燃料时,原喷油泵的喷射量以及喷射特性不能满足柴油机运转时所需求的燃料量。尤其是在大负荷情况下,柴油机几乎不能正常运转。加之乳化燃料的黏度较大,雾化效果不好,造成燃烧恶化,反而使一些有害气体的排放增加。为了把握适应于乳化燃料的燃料喷射系统的特性和有关参数,需对柴油机的喷油泵、喷油泵凸轮轴以及喷油器进行改造。为了解决乳化燃油所需昂贵的乳化剂、乳化设备以及制备过程中消耗的能量和乳化油容易发生油水分离等问题,人们研究了气缸喷水(汽)技术。这样燃油和水
(汽)各由一个喷嘴喷入气缸,参与燃烧,同样使NOX排
3 结 论
由于柴油机废气排放种类很多,并且降低排放的措
施对柴油机的动力性、经济性都产生影响,单纯某一种降低NOX排放的措施不能满足IMO排放法规越来越苛刻的要求。未来NOX排放的控制措施如图1所示[9]。
放降低。
(4)使用燃油添加剂法。Q.Jiang等人[4]研究表明:
图1 未来NOX排放的控制措施
(1)现在柴油机NOX排放的标准值在9.5～
第30卷 世界海运 56
15g/(kW・h)。可采取的控制措施为:①采用共轨技术(commonrail,CR)和电子喷射(electroniccontrol,EC)后,NOX排放值降为7.5～12g/(kW・h);②采用直接喷水技
大学出版社,2001:531.
[3] 吴忠标.大气污染控制技术[M].北京:化学工业出
版社,2002:246-248.
[4] JIANGQ,ZHANGC,JIANGJ.ReductionofNOx
inaregenerativeindustrialfurnacewiththeadditionofmethanolinthefuel[J].EnergyResourTechnol,2004:126,159.
[5] SMITHJA,JBARTLEYG.Stoichiometricoperation
ofagasengineutilizingsynthesisgasandEGRforNOXcontrol[J].JournalofEngineeringforGasTur2binesandPower,2000,122:617-623.
[6] 姜 君,熊翔辉,张庭芳.废气再循环(EGR)在内燃
术(DWI)后,NOX排放值降为4～6g/(kW・h);③采用选择性催化还原技术(compactSCR,CSCR),NOX排放值降为0.5～2g/(kW・h);④采用前述前两种方法相结合(①
),NOX排放值降为2～4.5g/(kW・+②h);⑤采用前述),NOX排放值降为0.2～前3种方法相结合(①+②+③1g/(kW・h)。
(2)将来柴油机NOX排放值,采用共轨技术(CR)、电
子喷射(EC)以及蒸汽喷射技术(steaminjection,SI)后,
NOX排放值可降为1.5～4g/(kW・h);采用共轨技术(CR)、电子喷射(EC)、蒸汽喷射技术(SI),并与选择性催
机中的应用[J].江西能源4):22-24.
[7] HELLG.Amarinediesel
,2005(1):16-,菊池正晃,等.船用柴油机NOX
化还原技术(CSCR)相结合,NOX排放值可进一步降为
0.1～0.6g/(kW・h)。因此,综合采取机内、机外控制排
放措施是将来的必然发展趋势。
[参考文献]
[1] 钱作勤,王忠俊.[J].(39.
[2] 蒋德明.[M].西安:西安交通
[J].内燃机学报,2000,18(4):46-52.
[9] Thedieselengine&theenvironment[M].Helsinki:
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