船舶柴油機(jī)大氣污染的控制法規(guī)制

船舶柴油機(jī)大氣污染的控制法規(guī)制

以柴油為動(dòng)力的船舶葉片的耗竭對(duì)環(huán)境和環(huán)境有了更大的影響。根據(jù)erryu等人的統(tǒng)計(jì)，以柴油為動(dòng)力的船舶每年向大氣產(chǎn)生約650萬噸氮（nox）、約600萬噸硫氧化物（sox）和約170萬噸顆粒（pm）。此外，根據(jù)歐盟的研究，歐洲的汽車排放量逐年下降，但汽車排放繼續(xù)上升。根據(jù)現(xiàn)有法律法規(guī)，2020年so2、nox和pm.5分別增長(zhǎng)42%、47%和56%。根據(jù)所有研究，船舶對(duì)空氣污染不容忽視。尤其是在一些航線密集、船舶流量大的地區(qū)，船舶排放的污染已成為該地區(qū)的主要水源。世界上2.3多艘船的耗竭發(fā)生在距離海岸400公里的范圍內(nèi)。因此，每年大約有64000人死亡于與污染有關(guān)的疾病。我國內(nèi)河航運(yùn)線上的環(huán)境污染情況比沿海港口更加復(fù)雜和嚴(yán)重.內(nèi)河船舶約22萬余艘,2000多萬載重噸,大多船型舊、船舶噸位小,使用上世紀(jì)七八十年代的中小型船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及劣質(zhì)的燃料油,根據(jù)目前國內(nèi)船舶排放水平現(xiàn)狀推算,我國內(nèi)河船舶每年排放大氣的NOX、SOX不少于100萬噸.1其他國家對(duì)v的主要排放限制針對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排放對(duì)大氣的污染愈加嚴(yán)重,國際海事組織(IMO)制定了MARPOL73/78附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》.1997年9月26日獲得締約國大會(huì)通過,2005年5月19日生效,2006年8月23日起對(duì)我國生效.隨著2008年初肯尼亞、塞拉利昂、中國香港的加入,至今批準(zhǔn)加入MARPOL73/78附則VI的國家已有53個(gè),商船總噸位達(dá)全世界商船總噸位的81.88%.MARPOL73/78附則VI適用于400總噸及以上的國際航行船舶,以及所有移動(dòng)式或固定式海洋鉆井平臺(tái)及其它平臺(tái).MARPOL73/78附則VI對(duì)于船舶廢氣中的硫氧化物(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質(zhì),附則VI規(guī)定了燃油中硫的含量的全球上限,并允許設(shè)立硫氧化物排放控制區(qū)(SulphurEmissionControlArea-SECA),從而對(duì)硫的排放進(jìn)行更嚴(yán)格的控制(表1).GB8189-87給出了我國的船舶主機(jī)排放水平的允許限值,但沒有IMO的排放限制嚴(yán)格.相反,歐美、日本等國卻紛紛對(duì)在自己海域航行的船舶制定了比IMO更加嚴(yán)格的法規(guī),同時(shí)還輔以經(jīng)濟(jì)手段來促使這些法規(guī)的執(zhí)行,因此當(dāng)務(wù)之急,一方面是制定適合我國國情的更加嚴(yán)格的排放法規(guī)(包括內(nèi)河船舶);另一方面,在已有的研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化和簡(jiǎn)化可靠的實(shí)船測(cè)試技術(shù),為海事局和船檢部門監(jiān)控在用船舶柴油機(jī)排放提供有效手段.2減少污水中的廢氣排放在IMO的附則VI中,船舶柴油機(jī)廢氣排放控制的主要對(duì)象是SOX、NOX和顆粒物PM.為了有效控制船用柴油機(jī)廢氣排放和改善船舶對(duì)大氣的污染,通常采用淘汰劣質(zhì)燃料油、降低燃油中的含硫量、改善柴油機(jī)燃燒特性和柴油機(jī)排氣的后處理等措施來減少大氣污染物的排放.2.1低硫餾分油特性的事后脫硫技術(shù)硫氧化物的排放水平完全取決于燃料中硫的含量.因此,通過在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)采取措施對(duì)SOX的排放起不到任何作用.目前,減少這些有害物質(zhì)的唯一方法就是后處理技術(shù)或者使用餾分油、天然氣、生物燃料等含硫量低的燃料(Low-sulphurfuel).由于高品質(zhì)的低硫餾分油具有使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),降低維修費(fèi)用和明顯減少PM及其他有害物排放量的特點(diǎn),而成為最直接的脫硫方法.而后處理技術(shù)主要是海水洗滌系統(tǒng)(SeawaterScrubbingSystem).它采用傳統(tǒng)濕法脫硫原理,利用海水呈堿性的特性,在排氣中噴入海水,使之吸收SOX和清除PM.Ritchie,等估算此法排氣脫硫率和PM清除率分別可以達(dá)到75%~80%和25%~30%.經(jīng)過PrideoftheKent船上試用該系統(tǒng)后,脫硫率在68%~94%,PM清除率在31%左右.然而這種技術(shù)也有缺點(diǎn),就是脫硫設(shè)備增加了整個(gè)排氣系統(tǒng)的背壓,而且產(chǎn)生的副產(chǎn)物硫酸鹽的排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染.2.2排放影響因素船舶柴油機(jī)中生成的氮氧化物主要來源是空氣中的氮?dú)?而影響其生成的因素主要是燃燒溫度、燃燒時(shí)間及燃油與空氣的預(yù)混合程度.廢氣含有95%的NO和5%的NO2+N2O.要控制NOX的排放,可以從其生成機(jī)理和性質(zhì)兩方面進(jìn)行,一般分為機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)和機(jī)外排氣凈化技術(shù).2.2.1乳化劑燃油對(duì)柴油質(zhì)量的影響燃油乳化(Water-in-FuelEmulsion)技術(shù)是把柴油或重油在進(jìn)入氣缸前與水按一定比例混合,并在超聲波和機(jī)械攪拌的作用下,形成油包水的乳化油滴,噴入高溫燃燒室后,由于水比熱較大,吸收大量的潛熱汽化,進(jìn)而在油滴內(nèi)部產(chǎn)生“微爆”,使之破碎成粒徑更小的油滴,從而促進(jìn)了混合氣的形成和燃燒.同時(shí),水的吸熱作用在燃燒過程中可以降低最高燃燒溫度.水與油的混合噴入還可以降低燃油密度,使最高燃燒溫度進(jìn)一步降低.因此,柴油機(jī)的NOX排放量減少.使用乳化燃油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響隨機(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.MANB&W在他們的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上使用含水10%的乳化燃油,實(shí)現(xiàn)了NOX減少10%的效果.標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿負(fù)荷時(shí)加入20%的水,水的增加量根據(jù)排氣中測(cè)得的NOX來決定,因此需要對(duì)NOX進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè).國內(nèi)外的實(shí)踐證明,使用乳化燃油不僅能夠降低NOX的排放,還可改善柴油機(jī)的排煙尤其在低負(fù)荷時(shí)更加明顯.但是它也有會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的腐蝕以及油水分離現(xiàn)象的缺點(diǎn).2.2.2減少nox排放發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化(EngineOptimization)指控制缸內(nèi)參數(shù)來為降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放和提高燃油經(jīng)濟(jì)性.諸如改善燃燒室結(jié)構(gòu)和燃燒滯留期、增大壓縮比、優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、控制燃油噴射過程、采用共軌系統(tǒng)等.其中,延遲噴油正時(shí)(RetardedTiming)是在燃燒過程中降低NOX生成的最簡(jiǎn)單有效的方法之一.它主要通過滯燃期起作用,使燃料燃燒所形成的溫度峰值降低,但燃油消耗率會(huì)略有上升,并會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率.當(dāng)燃?xì)鉁囟群驮鰤嚎諝饫鋮s水的溫度較低時(shí),NOX的降低量可達(dá)20%,甚至更低.船舶動(dòng)力裝置由于經(jīng)常在熱帶環(huán)境狀態(tài)下運(yùn)行,冷卻水溫較高,利用延遲噴油正時(shí)的辦法也能將NOX排放量減少10%~15%.高壓共軌噴射系統(tǒng)是通過對(duì)噴油要素的優(yōu)化使船舶柴油機(jī)燃燒更充分,從而減少柴油機(jī)的有害排放,特別是在低負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速時(shí),效果更加明顯.共軌柴油噴射系統(tǒng)可以將燃油噴射壓力提高到180MPa.實(shí)踐表明,采用共軌技術(shù)的船用柴油機(jī)可以減少20%的NOX排放.另外,增壓中冷技術(shù)可在船舶柴油機(jī)的熱負(fù)荷不增加甚至降低,以及機(jī)械負(fù)荷加不多的前提下,大幅度地提高船舶柴油機(jī)的功率,降低有害物的排放.其中廢氣渦輪增壓方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠,所以在船舶柴油機(jī)上得到普遍采用.2.2.3傳統(tǒng)模式2.2排放的影響廢氣再循環(huán)(ExhaustGasRecirculation,EGR)是將柴油機(jī)排氣管中的一部分廢氣經(jīng)冷卻和清潔后再次引入氣管,與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸參加缸內(nèi)燃燒.廢氣再循環(huán)之所以能使排氣中NOX濃度下降,是因?yàn)橐环矫娌裼蜋C(jī)排出的廢氣循環(huán)進(jìn)入到氣缸顯著降低了燃燒前氣缸中的氧含量,另一方面柴油機(jī)排出的廢氣中含有較多的水蒸氣和CO2,它們的比熱容比空氣的大得多,從而也降低了燃燒過程所能達(dá)到的溫度.MANB&W在75%的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下,采用20%再循環(huán)率取得了50%脫硝率.一般EGR可以在不影響柴油機(jī)輸出功率的情況下有效地降低NOX的排放約50%~60%,但只適用于使用低硫分和低灰分燃油或其它潔凈燃料的機(jī)型.EGR的使用還會(huì)影響到燃燒,增加燃油的消耗量,燃燒廢氣中的微粒物質(zhì)、未燃的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸家矔?huì)增多.廢氣冷卻時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高粘性的硫酸產(chǎn)物、水和煙灰的混合物,這也限制了EGR在柴油機(jī)中的應(yīng)用.2.2.4ham系統(tǒng)的應(yīng)用濕空氣動(dòng)力(HumidAirMotors,HAM)系統(tǒng)是利用水蒸氣加濕進(jìn)氣管中的進(jìn)氣,形成濕空氣進(jìn)入氣缸燃燒,因而降低最高燃燒溫度和NOX的生成數(shù)量.HAM系統(tǒng)可以取代增壓空氣冷卻器來冷卻進(jìn)口空氣和增加其水蒸汽含量,使?jié)穸仍诖髿庵刑岣吡藥妆?從而能有效減少NOX達(dá)70%~80%,同時(shí)不會(huì)引起二次污染.瑞典的MuntersEuroform公司在一臺(tái)6000kW的12PC2.6V型船用中速柴油機(jī)中采用HAM技術(shù),能使NOX的排放量降低了74%.除此之外,HAM系統(tǒng)可以利用海水作為水蒸氣的來源,用廢氣鍋爐加熱或柴油機(jī)冷卻水加熱.2.2.5dwi技術(shù)采用復(fù)合噴油器的前景DWI(DirectWaterInjection)技術(shù)是采用同時(shí)噴水和噴油的復(fù)合型噴油器,在燃油噴射階段,按水-燃油重量比0.4~0.7將高壓水噴入氣缸內(nèi),完成水與燃燒的混合氣混合,進(jìn)而降低燃燒溫度,降低NOX排放可達(dá)50%~60%.這種復(fù)合型噴油器的噴水系統(tǒng)與噴油系統(tǒng)完全獨(dú)立,因此終止噴水系統(tǒng)不會(huì)影響柴油機(jī)工作.DWI技術(shù)除降低NOX的排放外,還降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷,并提高柴油機(jī)運(yùn)行的清潔性,淡水消耗量較少.但DWI技術(shù)會(huì)導(dǎo)致燃油消耗率略有提高,在使用含硫量較高的燃油時(shí)更需考慮燃燒室材料和采用特殊的噴嘴.該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上并不需要額外的空間也不用增加額外成本,一般可用在中速類型的船用發(fā)動(dòng)機(jī)上,安裝費(fèi)用約為25$/kW,運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用大約為燃料費(fèi)用的4%~5%.另外,日本三菱重工還開發(fā)了添加水降低柴油機(jī)NOX排放的新技術(shù)——油水分層噴射(StratifiedFuel-waterinjection,SFWI).在噴油階段,使油和水分層噴入氣缸,降低火焰溫度.經(jīng)過連續(xù)試運(yùn)行,工況穩(wěn)定,對(duì)低速柴油機(jī)NOX可降低50%,高速柴油機(jī)降低70%.2.2.6scr系統(tǒng)的應(yīng)用選擇性催化還原法(SelectiveCatalyticReduction,SCR)是指溫度在290℃~350℃下,利用還原劑(如氨氣、尿素溶液等)“有選擇性地”與NOX在催化劑涂層上進(jìn)行催化還原反應(yīng)(而不與氧發(fā)生反應(yīng))生成無毒無污染的N2和H2O.主要發(fā)生以下反應(yīng):芬蘭W?rtsil?公司的V6R32E型中速柴油機(jī),采用SCR系統(tǒng)后NOX降低85%、CO和HC均降低70%;MANB&W公司的6S35MC型柴油機(jī)應(yīng)用SCR系統(tǒng)后,脫硝率在90%以上;此外還有德國西門子公司的SINOX技術(shù)、美國RJM公司的SCR系統(tǒng)、加拿大DCL公司的SCR系統(tǒng)等.由此可見,SCR技術(shù)具有很高的NOX凈化效率,能夠達(dá)到TierII和TierIII的排放要求.此外,使用該技術(shù)還可以在反應(yīng)器中氧化去除部分煙氣和碳?xì)浠衔?不會(huì)造成油耗率和排氣黑煙的增加.當(dāng)然,SCR裝置也存在尺寸大、初投資高的問題.基礎(chǔ)型SCR體積與發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)其投資費(fèi)用是船舶的5%~8%,是船舶柴油機(jī)的50%.盡管如此,因?yàn)镾CR技術(shù)可以非常有效地降低船舶柴油機(jī)NOX排放,所以還是成為降低NOX排放的首選技術(shù)方案.2.3機(jī)外凈化技術(shù)柴油機(jī)排放的顆粒物組成較為復(fù)雜,但主要因素有燃油不完全燃燒產(chǎn)生的微小碳煙、潤(rùn)滑油組分不充分燃燒、燃油和氣缸潤(rùn)滑油中的灰分含量、燃油中未燃燒部分、燃燒產(chǎn)物以及潤(rùn)滑油中的硫酸鹽和水分.船舶排放的顆粒物多數(shù)都小于10μm,能夠進(jìn)入人體肺部的深處且對(duì)人體健康造成傷害.目前,對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的顆粒物凈化就機(jī)內(nèi)控制來說,可以從提高噴油壓力,改善油氣混合質(zhì)量入手.而機(jī)外凈化技術(shù)當(dāng)屬微粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF),它可將排氣中微粒捕捉不使其排出機(jī)外,再利用催化劑、氧化器、燃燒器等進(jìn)行分解、燃燒.這種裝置可將船舶柴油機(jī)排氣中有害物微粒減少70%~90%.用來捕集微粒的過濾器的材料和結(jié)構(gòu)有許多種,常用的有整體式陶瓷、金屬絲網(wǎng)、紡織纖維圈、陶瓷纖維、泡沫陶瓷等.排氣系統(tǒng)中安裝DPF后將會(huì)使船舶柴油機(jī)的排氣背壓提高,功率下降.DPF上沉積的微粒越多,排氣背壓越高.因此,必須定期清除沉積在DPF上的微粒(稱為DPF再生).DPF再生有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩種技術(shù),將二者結(jié)合起來應(yīng)用,效果顯著.另外,旋風(fēng)分離器也可減少顆粒物的排放,它能將顆粒物中粒徑大于0.5μm的顆粒分離出去;還可采用靜電沉淀分離器,可減少99%顆粒物的排放,但設(shè)備造價(jià)較高.當(dāng)然還有其它新技術(shù),如船舶廢氣反應(yīng)器(IESI)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物凈化率可達(dá)到80%以上.2.4dwi與廢氣再循環(huán)技術(shù)隨著IMO的TierII和TierIII階段排放限制執(zhí)行日期的日益臨近,對(duì)于不同階段的NOX排放規(guī)定應(yīng)當(dāng)采取不同的解決方案,即由過去的應(yīng)用單一機(jī)內(nèi)或機(jī)外凈化技術(shù)發(fā)展為將機(jī)內(nèi)與機(jī)外控制技術(shù)聯(lián)合使用,共同凈化柴油機(jī)排氣.W?rtsil?已將DWI和廢氣再循環(huán)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,稱為殘氣水冷法(WaterCooledResidualGas,WaCoReG),獲得70%以上的NOX脫除率,這將使NOX的排放下降到5g/kWh,遠(yuǎn)低于IMO的TierII排放限值.其特點(diǎn)主要是再循環(huán)通常提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷,而噴水可以降低其溫度并保持發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷與沒有EGR時(shí)的相同;另外,使用WaCoReG后,在壓縮行程中的噴水時(shí)刻比單獨(dú)使用DWI時(shí)的早.另外,馬明志針對(duì)NOX不同階段的排放限制規(guī)定,提出不同的技術(shù)解決方案.對(duì)于IMOTierⅡ的要求,