畢業(yè)論文-關(guān)于“育鯤”輪主機(jī)NOx排放控制的改進(jìn)措施淺析

1、 PAGE 16大連海事大學(xué)畢業(yè)論文裝訂線二一二 年 六 月關(guān)于 “育鯤”輪主機(jī)NOx排放控制的改進(jìn)措施淺析 專業(yè)班級(jí)：輪機(jī)管理2008級(jí)1班姓 名： 指導(dǎo)教師： 輪機(jī)工程學(xué)院內(nèi)容摘要摘要: 船舶柴油機(jī)尾氣中含有大量NOX，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，隨著IMO和各港口國(guó)對(duì)NOX的排放限制日趨嚴(yán)格，如何更加有效地減少甚至消除船舶柴油機(jī)尾氣中的NOX排放值得深入研究。本文著重闡述了NOX排放的反應(yīng)原理和分析了處理NOX較為有效地措施，如燃燒過(guò)程的改進(jìn)、加水處理、廢氣后處理等。在此基礎(chǔ)上，淺析了有利于降低“育鯤”輪NOX排放的可行性措施及相關(guān)建議。關(guān)鍵字: 船舶柴油機(jī)；NOX排放；控制技術(shù)ABSTRACT:

2、 The exhaust gas of marine diesel engine contains a great deal of NOx , which destroys the ecological environments. How to reduce and eliminate the NOx emitting from marine diesel engine is under discussion. This paper mainly introduces the reaction principal for NOx emission, and analyzes some effe

3、ctive measures for reducing NOx, for example, improving of the burning process, adding water, exhaust gas recirculation,ect. On this base, the effective measures and relative suggestions for “yukun” are as followed.Keywords: Marine diesel engine; NOxemission; Control measures目錄0引言51船舶柴油機(jī)的排放與危害51.1船舶

4、柴油機(jī)排氣產(chǎn)生的主要污染物NOx的生成機(jī)理51.2 船舶柴油機(jī)排氣產(chǎn)生的主要污染物NOx的危害62 國(guó)際海事組織（IMO）關(guān)于船舶柴油機(jī)排放的有關(guān)規(guī)定及對(duì)其發(fā)展產(chǎn)生的影響62.1 國(guó)際海事組織（IMO）關(guān)于NOx排放控制的有關(guān)規(guī)定62.2 排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)發(fā)展的影響73 船舶柴油機(jī)NOx排放控制技術(shù)現(xiàn)狀介紹73.1 燃燒過(guò)程的改進(jìn)7 3.1.1 推遲噴射8 3.1.2 改變噴油嘴的設(shè)計(jì)方法8 3.1.3 廢氣再循環(huán)（EGR）93.2 加水處理9 3.2.1 燃油乳化9 3.2.2 掃氣加濕9 3.2.3直接噴水（DWI）103.3 廢氣后處理10 3.3.1選擇性催化還原（SCR）1

5、04 船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的比較與技術(shù)展望114.1船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的比較114.2船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的技術(shù)展望135 關(guān)于降低“育鯤”輪NOx排放控制有效措施的相關(guān)建議14參考文獻(xiàn)15致謝16關(guān)于 “育鯤”輪主機(jī)NOx排放控制的改進(jìn)措施淺析0 引言眾所周知，船舶柴油機(jī)的尾氣含有大量有害氣體。圖1為船用低速柴油機(jī)排氣成分的組成。二氧化碳（CO2）、水(H2O)、氮?dú)?N2)、氧氣(O2)占到排氣體積總量的99.8%，在其他成分中，主要是NOx污染物。NOx對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的損害，隨著船舶噸位、功率和數(shù)量的增加，船舶所造成的空氣污染愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注，如何更加有效地控制N

6、Ox的排放己經(jīng)越來(lái)越多地被人們所重視。1船舶柴油機(jī)的排放與危害1.1 船舶柴油機(jī)排氣產(chǎn)生的主要污染物NOx的生成機(jī)理通常提到柴油機(jī)的NOx污染指的是NO及NOx的污染,且以NO為主,只有少量的NOx(約NO的5%)。柴油在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱,燃燒室中的溫度可高達(dá)3000，在如此高溫條件下，被吸入燃燒室的新鮮空氣中含有的大量氮?dú)庖约叭加捅旧砗械牡涂梢院脱鯕夥磻?yīng)生成NOx，它們化學(xué)反應(yīng)方程式可表示如下：O2=2O (1)O+N2=NO+N (2)N+O2=NO+O (3)N+OH=NO+H (4)上述反應(yīng)中的氧原子是氧氣在高溫分解時(shí)所產(chǎn)生的，氧原子的存在誘發(fā)了NO生成的連鎖反應(yīng)。由于整個(gè)反

7、應(yīng)過(guò)程中，式（1）起決定作用，所以氧原子濃度以及反應(yīng)溫度對(duì)NO的生成最為重要。NO生成量還與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，如果燃?xì)庠诟谎鹾透邷貤l件下停留時(shí)間長(zhǎng)，NO生成量必然增加。因此，影響NOx排量的諸多因素中，其中燃燒室內(nèi)的最高燃燒溫度和過(guò)量空氣的多少是主要因素，燃燒溫度越高，NOx產(chǎn)量越大，減少NOx的關(guān)鍵在于降低燃燒溫度和減少混合氣在高溫中的滯留時(shí)間。1.2 柴油機(jī)排氣產(chǎn)生的主要污染物NOx的危害柴油機(jī)排出的NOx中，NO約占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO無(wú)色無(wú)味、毒性不大，但高濃度時(shí)能導(dǎo)致神經(jīng)中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會(huì)逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(qiáng)(毒性

8、大約是NO的5倍)的紅棕色氣體，可對(duì)人的呼吸道及肺造成損害，嚴(yán)重時(shí)能引起肺氣腫。當(dāng)濃度高達(dá)10010-6體積濃度以上時(shí)，會(huì)隨時(shí)導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。NOx和HC在太陽(yáng)光作用下會(huì)生成光化學(xué)煙霧，NOx還會(huì)增加周?chē)粞醯臐舛龋粞鮿t會(huì)破壞植物的生長(zhǎng)。此外，NOx還對(duì)各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。2 國(guó)際海事組織（IMO）關(guān)于船舶柴油機(jī)排放的有關(guān)規(guī)定及對(duì)其產(chǎn)生的影響2.1 國(guó)際海事組織（IMO）關(guān)于NOx排放控制的有關(guān)規(guī)定為防止船舶造成大氣污染，1997年9月26日，IMO 締約國(guó)大會(huì)批準(zhǔn)了1978年議定書(shū)修訂的1973年國(guó)際防止船舶造成污染公約(簡(jiǎn)稱73/78 防污染公約)，MARPLO

9、公約新增了附則VI防止船舶造成空氣污染規(guī)則，并通了船舶柴油機(jī)NOx排放控制技術(shù)規(guī)則，作為對(duì)船舶柴油機(jī)試驗(yàn)、檢驗(yàn)和發(fā)證的強(qiáng)制性要求。MARPOL公約附則VI規(guī)定所有安裝在2000年1月1日或以后建造、重大改裝后的船上的輸出功率超過(guò)130kW的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(應(yīng)急發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)急用設(shè)備及裝置除外)，其N(xiāo)Ox排放的最高限制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表。表1 MARPOL公約附則VI關(guān)于NOx排放的規(guī)定轉(zhuǎn)速（單位：r/min）排放率（單位：g/KWh）n130NOx17.0130n2000NOx45n(0.2)n2000NOx9.8作為IMO組織的締約國(guó)，2005年3月28日，中國(guó)船級(jí)社發(fā)布關(guān)于實(shí)施MARPOL公約附則VI的技

10、術(shù)信息通報(bào)，標(biāo)志著MARPOL公約附則VI 在我國(guó)范圍內(nèi)的正式全面實(shí)施。2008年3月3日至4月4日，IMO海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC，Maritime Environment Protection Committee）第57屆會(huì)議（MEPC57）于在倫敦召開(kāi)。會(huì)上批準(zhǔn)了對(duì)MARPOL 附則VI 新的修正案，并出臺(tái)了修訂的NOx技術(shù)規(guī)則，分階段減少船舶有害氣體的排放。Tier I適用于2000年1月1日后至2011年1月1日前安裝在船上的發(fā)動(dòng)機(jī)，即NOx的排放量為17g/(kWh)；Tier II適用于201年1月1日后建造或裝船的發(fā)動(dòng)機(jī)，將NOx的排放量減少到14.4g/(kWh)；Tie

11、r III適用于2016年1月1日安裝在船上的發(fā)動(dòng)機(jī)，將NOx的排放量減少3.4g/(kWh)，但僅在排放控制區(qū)（Emission Control Area）適用，在非排放控制區(qū)，等級(jí)II仍然適用。具體如下表所示：表2 IMO柴油機(jī)排放主要污染物控制標(biāo)準(zhǔn)RPMTotal Weight of NO2 Emission (g/ kWh)Relative NO2 Reduction from Tiern130130n2000n2000Tier 17.045n(0.2)9.8CurrentTier 14.445n(0.23)7.715.5%21.8%Tier 3.49n(0.2)2.080%新規(guī)定的N

12、Ox排放量要比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)15.3%22.16%，2016 年后新安裝的柴油機(jī)實(shí)行Tier標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的NOx排放量比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)低80%。2.2排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)發(fā)展的影響隨著排放法規(guī)的實(shí)施以及排放法規(guī)的逐步嚴(yán)格，將對(duì)柴油機(jī)的研制開(kāi)發(fā)、制造及使用產(chǎn)生巨大的影響，甚至在某種程度上引導(dǎo)著柴油機(jī)的發(fā)展方向。影響NOx生成的主要因素是柴油機(jī)氣缸中的燃燒過(guò)程，它和柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程參數(shù)、運(yùn)行工況、各輔助設(shè)備和系統(tǒng)的工作質(zhì)量都有關(guān)系。降低NOx排放的方法主要是機(jī)內(nèi)處理和機(jī)后凈化。機(jī)內(nèi)處理方法的關(guān)鍵是有效的控制燃燒過(guò)程，目前的主要途徑是推遲噴射、廢氣再循環(huán)（EGR）以及加水處理等方法，目前都可以滿足規(guī)定

13、的排放標(biāo)準(zhǔn)，但會(huì)使柴油機(jī)的熱效率下降，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差。采用機(jī)后處理方法雖然不會(huì)影響柴油機(jī)的熱效率，但設(shè)備的增加必然引起船舶初造價(jià)的提高和船員維護(hù)管理工作的增加。3船舶柴油機(jī)NOx排放控制技術(shù)現(xiàn)狀介紹3.1 燃燒過(guò)程的改進(jìn)研究表明在柴油機(jī)燃燒過(guò)程中，NOx在燃燒溫度大于2300K的富氧條件下生成，為了降低NOx的排放，必須降低燃燒溫度，這可通過(guò)在預(yù)混合燃燒階段將可燃混合氣量減少到最小程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)踐證明推遲噴射、改變噴油嘴的設(shè)計(jì)方法、廢氣再循環(huán)（EGR）措施是有效的。3.1.1推遲噴射燃燒氣體的后壓縮是燃燒過(guò)程中影響NOx生成的一個(gè)重要因素。當(dāng)油和空氣燃燒后，達(dá)到高溫，如果這些氣體進(jìn)一步被

14、壓縮就會(huì)達(dá)到更高的壓力和溫度，導(dǎo)致更多的NOx生成。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)推遲噴油的辦法來(lái)解決。這種方法可能是已知的最好的機(jī)內(nèi)改造減氮方法，為了在大洋到沿海及港內(nèi)區(qū)航行進(jìn)行操縱轉(zhuǎn)換方便(從節(jié)能態(tài)到環(huán)保態(tài))，許多柴油機(jī)裝備了燃油凸輪軸調(diào)節(jié)裝置。推遲噴油導(dǎo)致最高壓力降低，最高燃燒溫度下降，減少了燃燒之后的壓力。但同時(shí)最高壓力的降低意味著柴油機(jī)效率的降低，耗油率增加。針對(duì)二沖程機(jī)，比如4RTA58T ,噴油每延遲2曲柄轉(zhuǎn)角就會(huì)導(dǎo)致大約10bar氣缸最高壓力的下降，10% NOx排氣量的減少，耗油量將提高3g/(kWh)。通過(guò)這種方法可獲得的最大NOx降低量為25%左右。從耗油率增加的角度看，NOx的減少量

15、是有限的，因?yàn)檫^(guò)高的廢氣能量也會(huì)導(dǎo)致透平超速。3.1.2改變噴油嘴的設(shè)計(jì)方法噴嘴的設(shè)計(jì)對(duì)燃燒過(guò)程和NOx排量有著明顯的影響，噴嘴孔的朝向和尺寸決定了油霧的位置和彌漫度，以及蒸發(fā)、擾動(dòng)、與空氣的混合和燃燒的效果。各柴油機(jī)設(shè)計(jì)者都進(jìn)行了試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了各種低NOx的油閥和油嘴。見(jiàn)表3：表3 不同的油嘴和油閥形式在試驗(yàn)機(jī)上對(duì)NOx的影響12K90MC在90%負(fù)荷下燃油閥形式對(duì)NOx和SFOC的影響(1998)單位標(biāo)準(zhǔn)噴油器6-孔油嘴滑式油閥NOxppm159414941232SFOCg/bhph0.0+0.4+1.83.1.3廢氣再循環(huán)（EGR）廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculati

16、on，EGR)，是指讓發(fā)動(dòng)機(jī)一部分排氣引回到進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合后進(jìn)入汽缸，作為工質(zhì)參加汽缸內(nèi)的熱循環(huán)。EGR作為控制NOx排放的一項(xiàng)有效措施，越來(lái)越受到重視，對(duì)柴油機(jī)采用EGR的研究已取得了一定的成果。廢氣循環(huán)之所以能使排氣中NOx濃度下降，研究認(rèn)為是由于以下的因素：（1）柴油機(jī)排出的廢氣中，由于燃燒的消耗使氧含量減少，廢氣循環(huán)到氣缸內(nèi)，使燃燒時(shí)反應(yīng)混合物中的氧含量與不循環(huán)時(shí)相比，有顯著降低。由于燃燒和爆炸過(guò)程中，NO的生成反應(yīng)速度是與氧的濃度的平方根成正比，因此，NO的生成反應(yīng)速度降低，于是廢氣中NOx濃度也相應(yīng)下降。（2）在廢氣中含有較多量的水蒸汽和CO2。在高溫下，水蒸汽和CO2的比

17、熱比空氣大得多。若燃料油的燃燒熱值一定，燃燒混合氣比熱大者，會(huì)使燃燒過(guò)程達(dá)到溫度(火焰溫度)較比熱小者要低。由于在燃燒和爆炸過(guò)程中，NO的生成速度與燃燒溫度(絕對(duì)溫度)成指數(shù)關(guān)系，因此燃燒溫度的降低，導(dǎo)致廢氣中NOx的濃度降低。如4T50MX柴油機(jī)，EGR試驗(yàn)的結(jié)果表明：如果15%的廢氣再循環(huán)，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣氧氣濃度由21%降至18%，對(duì)NOx的形成產(chǎn)生較大的影響。圖2為EGR系統(tǒng)布置，例1、例2及例3分別為不同的布置方案。從原理上講，廢氣既可在增壓器前循環(huán)，也可在增壓器后循環(huán)，但不論是哪種情況，引入再循環(huán)的廢氣，均需冷卻(溫度降到160180)和清潔。廢氣循環(huán)法有這樣一些特點(diǎn)：對(duì)廢氣的

18、凈化效率高，能有效地降低NOx的排放；簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，便于應(yīng)用；操作方便，易于控制；但如使用不當(dāng)，也會(huì)招致冒煙和其他有害排放物的增加；其次在船上使用時(shí)，含有未加處理的硫和未燃燒完的HC、煙灰等污染物的冷卻水排出液的處置，再循環(huán)廢氣對(duì)潤(rùn)滑油的污染，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損等問(wèn)題，仍需作進(jìn)一步試驗(yàn)和研究。3.2加水處理加水處理的原理是通過(guò)采取措施使一定量的水進(jìn)入氣缸，由于水的汽化潛熱很高，可以在燃燒過(guò)程吸收大量的熱量，從而降低最高燃燒溫度，減少NOx排放量，加水的方式主要有以下幾種：3.2.1 燃油乳化研究證明，燃油摻水乳化能較大幅度地減少NOx。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以在滿負(fù)荷時(shí)加入20%的水。曾經(jīng)試驗(yàn)過(guò)，油和

19、水的比例可達(dá)到1:1。實(shí)際使用時(shí)，如加到這樣的水量，則需要對(duì)機(jī)器作一些改造。使用乳化燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響，隨著機(jī)器型號(hào)不同而變化，但在一般情況下，增加一個(gè)百分點(diǎn)的水，將減少一個(gè)百分點(diǎn)的NOx。燃油的乳化，必須在其進(jìn)入燃油系統(tǒng)的循環(huán)回路前完成。水的增加量，根據(jù)排氣中測(cè)得的NOx來(lái)決定，因此需要對(duì)NOx進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于采用燃油乳化措施的船舶，燃油系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)，當(dāng)船舶失電時(shí)，將不會(huì)影響油及水乳化的穩(wěn)定性。這樣，機(jī)器再啟動(dòng)時(shí)，仍可使用穩(wěn)定的乳化燃油，而無(wú)需切換到純?nèi)加蜖顟B(tài)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是專門(mén)設(shè)計(jì)以水和重油乳化來(lái)工作的，所以采用一臺(tái)大的燃油噴射泵和經(jīng)改善的噴油嘴。為了防止燃油系

20、統(tǒng)中低壓部分的氣化或氣蝕，采用封閉的加壓系統(tǒng)，還設(shè)置了定量給水系統(tǒng)和燃油均質(zhì)器，其他和普通發(fā)動(dòng)機(jī)完全一樣。使用中采用22%的水與重油乳化，最高壓力降低了0.5MPa，滿足了EPA 關(guān)于NOx排放的規(guī)定。對(duì)柴油機(jī)工作狀況的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣罐磨損率(包括磨合期)在0.010.06 mm/1000h，平均為0.03 mm/1000h，相當(dāng)于缸套壽命為120000h，排氣閥、燃油噴射泵和噴油器等部件的工作狀況良好。燃油乳化技術(shù)也有其局限性，水和重質(zhì)燃油的乳化比較容易取得，并且較穩(wěn)定。但水與柴油、輕質(zhì)柴油的乳化就困難了。當(dāng)沿海航行需要強(qiáng)制采用低硫燃油時(shí)，若采用上述燃油摻水技術(shù)時(shí)，需設(shè)置專門(mén)的乳化裝置。3

21、.2.2 掃氣加濕掃氣加濕系統(tǒng)（Combustion Air Saturation System）是一種向掃氣中噴水的方法，水隨著溫度較高的壓縮空氣進(jìn)入汽缸，水汽化吸熱，降低了燃燒溫度，從而減少NOx的生成，其結(jié)構(gòu)圖3所示，利用這種方法最高可以減少接近50%的NOx排放，水的消耗量約為燃油消耗量的兩倍。但是，因?yàn)樵诶涞膾邭饪諝庵?，水不能完全蒸發(fā)，水珠打在氣缸套內(nèi)壁，容易造成其表面油膜的破壞和硫酸腐蝕。圖3 CASS 原理圖3.2.3 直接噴水（DWI）向燃燒室直接噴水是為了降低最高燃燒溫度。由于燒用乳化油會(huì)產(chǎn)生乳化不穩(wěn)定、影響噴油裝置的可靠性和在“無(wú)水工作”時(shí)柴油機(jī)性能惡化等問(wèn)題，所以DWI成

22、為柴油機(jī)設(shè)計(jì)者集中采用的減少NOx的方法。DWI法包括并列噴嘴式(油嘴和水嘴在同一噴射器上) 和雙噴射器式(兩個(gè)單獨(dú)的噴射器)，根據(jù)SULZER 的研究結(jié)果,并列噴嘴式的減NOx效率更高。DWI系統(tǒng)只需要純凈水和幾個(gè)額外的設(shè)備裝在柴油機(jī)上,即可滿足NOx的限量要求。其技術(shù)的關(guān)鍵是具有噴水功能的噴油器，噴水嘴置于噴油器之內(nèi),工作時(shí)按0.40.7的水油比一同噴入燃燒室中。噴水過(guò)程是先于噴油過(guò)程的，以便于有效地降低燃燒室中的溫度,噴水過(guò)程也是先于噴油過(guò)程而停止的，這樣自燃和燃燒過(guò)程將不會(huì)受到影響。此過(guò)程對(duì)柴油機(jī)各部件沒(méi)有任何損害作用,柴油機(jī)也可以在需要時(shí)停止噴水，而只噴油工作，在任何負(fù)荷下均可進(jìn)行無(wú)

23、水噴油工作。DWI具有以下優(yōu)點(diǎn):可在不影響功率輸出和各零件工作的情況下將NOx排量減少50%60%,典型的NOx排量為46g/kWh(WDO)，57g/kWh(HFO)；它只需要很少的空間；安裝成本也較低；在緊急情況下，可以迅速切斷水進(jìn)入，而不影響柴油機(jī)的工作。3.3廢氣后處理廢氣后處理是對(duì)排出的廢氣在進(jìn)入大氣環(huán)境前進(jìn)行處理，使廢氣中的有害成分的含量進(jìn)一步降低。在此類方法中，通過(guò)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)降低NOx的排放已經(jīng)日趨成熟。3.3.1 選擇性催化還原法（SCR）用氨作還原劑對(duì)含NOx的氣體進(jìn)行催化還原處理，使氨能有選擇地和氣體中的NOx進(jìn)行反應(yīng)，而不和氧發(fā)生反應(yīng)，稱為選擇性催化還原法。利用選擇性催

24、化還原法來(lái)降低廢氣中的NOx，廢氣在通過(guò)一層特殊的催化劑之前與氨相結(jié)合，溫度為300400，NOx還原為N2和H2O。用SCR法凈化NOx時(shí)，主要發(fā)生以下反應(yīng)：4NO4NH3O2=4N26H2O （1）6NO28NH3=7N212H2O （2）圖4為船用低速柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的布置示意圖。SCR的反應(yīng)器為一個(gè)獨(dú)立的裝置，垂直于機(jī)旁，通過(guò)排氣管和閥件與之連接。另一種可供選擇的布置方式，是水平設(shè)置SCR反應(yīng)器，置于增壓器之上，對(duì)機(jī)艙的布置更方便。液氨、氨水、尿素都可用作還原劑。對(duì)于船用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，需要安全且容易處理，采用尿素最合適。不論采用哪種還原劑，運(yùn)行費(fèi)用和貯存柜容量都是船舶設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)所需考慮

25、的重點(diǎn)。NH3是可燃性氣體，因而其輸送管路采用雙層管壁并設(shè)有必要的透氣裝置。環(huán)形空間中置有NH3漏泄監(jiān)測(cè)器。噴入排氣管中的氨量，由一臺(tái)程序計(jì)算機(jī)控制，使氨的噴射量與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的NOx成比例。NOx的產(chǎn)生量與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的關(guān)系，在試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了測(cè)量。所取得的關(guān)系編入程序計(jì)算機(jī)，用來(lái)控制氨的劑量。氨的劑量隨后按反饋系統(tǒng)基于所測(cè)得的NOx出口信號(hào)的偏壓來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果僅僅按NOx排出信號(hào)來(lái)控制氨噴射量，反應(yīng)器調(diào)節(jié)NH3 劑量的響應(yīng)太慢，會(huì)導(dǎo)致NOx和氨出口濃度的波動(dòng)太大。SCR 反應(yīng)器含有多層催化劑。催化劑的容量以及反應(yīng)器的尺寸取決于催化劑的活性、所期望的NOx 凈化程度、NOx 的濃度、煙氣壓力

26、和可接受的NH3 溜失量等因素。船用SCR 在較嚴(yán)峻的條件下工作，如采用低硫燃油、機(jī)器負(fù)載頻繁遷移等影響因素較多。催化劑的耐用性，對(duì)維修時(shí)間和運(yùn)行費(fèi)用有重要的影響。SCR 系統(tǒng)利用選擇性催化還原技術(shù)，對(duì)柴油機(jī)的廢氣作后處理，可降去高達(dá)95%的NOx，部分煙塵和碳?xì)浠衔?，也可被SCR 中的反應(yīng)器的氧化作用除去。因此，SCR 技術(shù)能夠較好地滿足一些航區(qū)對(duì)NOx 排放控制較嚴(yán)的要求。SCR 系統(tǒng)裝置(尤其是反應(yīng)器)尺寸大，初投資成本稍高，運(yùn)行費(fèi)用高，另外在負(fù)荷變化時(shí)，難以適當(dāng)?shù)乜刂茋娙肓?。SCR 的運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)大的成份，取決于還原劑(氨，尿素)的市場(chǎng)價(jià)值。此外應(yīng)用于船舶時(shí)，還有還原劑的裝卸、貯存和

27、安全問(wèn)題。4船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的比較與技術(shù)展望4.1船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的比較 （1）如表4所示，自己對(duì)本文所述的NOx凈化措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較歸納，并且總結(jié)了克服缺點(diǎn)的現(xiàn)有技術(shù)，以及概括了它們的適用范圍。表4：關(guān)于船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)解決辦法適用范圍燃燒過(guò)程的改進(jìn)推遲噴射簡(jiǎn)單、有效的改進(jìn)方法導(dǎo)致后燃嚴(yán)重，排氣溫度提高，柴油機(jī)熱效率降低采用柴油機(jī)電子控制技術(shù)或智能?chē)娚湎到y(tǒng)所有機(jī)型改變噴油嘴的設(shè)計(jì)方法大大減輕燃燒室的沉積結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)困難采用“小壓力室”的噴油器所有機(jī)型廢氣再循環(huán)（EGR）廢氣凈化效率高，能有效降低NOx的排放；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理經(jīng)濟(jì)，便于應(yīng)用；操作方便

28、，易于控制會(huì)引起微粒對(duì)渦輪及冷卻器的污染，增加氣缸的磨損；另外，會(huì)造成潤(rùn)滑油的污染按操作規(guī)程，正確使用設(shè)備，管理得當(dāng)中、小型柴油機(jī)加水處理燃油乳化大幅度減少NOx；改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙，尤其在低負(fù)荷時(shí)更為明顯水與柴油、輕質(zhì)柴油的乳化就困難；引起發(fā)動(dòng)機(jī)零件的銹蝕對(duì)柴油機(jī)的噴油泵、噴油泵凸輪軸以及噴油器進(jìn)行改造。所有機(jī)型掃氣加濕有較高的NOx降低能力,能降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷,提高柴油機(jī)的潔凈性,并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低 容易造成氣缸套內(nèi)壁表面油膜的破壞和硫酸腐蝕；對(duì)所噴水的質(zhì)量要求比較高在適當(dāng)?shù)胤胶瓦m當(dāng)時(shí)間噴入NOx形成的區(qū)域內(nèi)所有機(jī)型直接噴水可以降低主機(jī)熱負(fù)荷并改善缸套清潔條件；只需要很少的空間，安裝

29、成本也較低；在緊急情況下，可以迅速切斷水進(jìn)入，而不影響柴油機(jī)的工作燃油的含硫量比較高時(shí)，可能會(huì)發(fā)生低溫腐蝕，需考慮燃燒室材料和采用特殊的噴嘴配備造水裝置來(lái)供水所有機(jī)型廢氣后處理選擇性催化還原（SCR）凈化率高，可降低95%的NOx；并且此裝置已經(jīng)裝船使用反應(yīng)器尺寸大，初投資成本稍高，運(yùn)行費(fèi)用高，另外在負(fù)荷變化時(shí)，難以適當(dāng)?shù)乜刂茋娙肓?；此外?yīng)用于船舶時(shí)，還有還原劑的裝卸、貯存和安全問(wèn)題。選擇合適的催化劑；使用低硫燃油所有機(jī)型（2）在本文所述的NOx凈化措施中，凈化效果各有不同，它們凈化率的比較如圖5所示。圖5 控制NOx排放技術(shù)效果的比較4.2船舶柴油機(jī)NOx凈化措施的技術(shù)展望由于柴油機(jī)廢氣排放

30、種類很多,并且降低排放的措施對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性都產(chǎn)生影響,單純某一種降低NOx排放的措施不能滿足IMO排放法規(guī)越來(lái)越苛刻的要求。圖6 未來(lái)NOx排放的控制措施(1)現(xiàn)在柴油機(jī)NOx排放的標(biāo)準(zhǔn)值在9.515g/(kWh)。可采取的控制措施為:采用共軌技術(shù)(Common Rail ,CR) 和電子噴射(Electronic Control ,EC) 后，NOx排放值降為7.512 g/(kWh)；采用直接噴水技術(shù)(DWI)后，NOx排放值降為46g/(kWh)；采用選擇性催化還原技術(shù)(Compact SCR ,CSCR)，NOx排放值降為0.52g/(kWh)；采用前述前兩種方法相結(jié)合(+)，NOx排放值降為24.5g/(kWh)；采用前述前3 種方法相結(jié)合(+)，NOx排放值降為0.21g/(kWh)。(2)將來(lái)柴油機(jī)NOx排放值,采用共軌技術(shù)(CR)、電子噴射(EC)以及蒸汽噴射技術(shù)(Steam Injection ,SI)后，NOx排放值可降為1.54g/( kWh)；采用共軌技術(shù)(CR)、電子噴射(EC)、蒸汽噴射技術(shù)(SI)，并與選擇性催化還原技術(shù)(CSCR)相結(jié)合，NOx排放值可進(jìn)一步降為0.10.6g/(kWh