船舶柴油機有害排放及控制

1、 柴油機燃用HC化合物燃料完全燃燒時,只產(chǎn)生CO2、H2O,沒有其它有害產(chǎn)物。 由于可燃混合氣在燃燒前和燃燒中的極短時間完成的,混合氣不均勻程度較嚴(yán)重。 在高溫富氧環(huán)境下易生成NOx， 在高溫缺氧環(huán)境下不完全燃燒生成CO和炭煙粒子, 在低溫及混合氣過稀條件下易生成HC 。 燃油中的硫燃燒生成SO2 及SO3 。第第5章章 船舶船舶柴油機的有害排放及控制柴油機的有害排放及控制5.15.1船舶柴油機的船舶柴油機的排放排放與危害與危害5.25.2控制船舶柴油機控制船舶柴油機排放排放的有關(guān)法規(guī)的有關(guān)法規(guī) 5.35.3柴油機有害排放的控制措施柴油機有害排放的控制措施主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 一、柴油機排氣污

2、染物的主要成分無害成分無害成分： CO2、水蒸氣(H2O)、過量空氣、殘余氮氣(N2)等。(占總量的99.8） 有害成分有害成分： CO、NOx、HC、硫氧化物（SOx） 、顆粒等。5.1 5.1 船舶柴油機的船舶柴油機的排放排放與危害與危害排放物（排放）排放物（排放）： 我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把廢氣中有害成分及CO2和炭煙等統(tǒng)稱排放物排放物。二、柴油機排放物的危害二、柴油機排放物的危害1 1）氮氧化物）氮氧化物(NOx)： NO（90%以上）+NO2 =NOx ； NO是無色氣體,本身毒性不大,但在大氣中會緩慢氧化成NO2。 NO2是棕色刺激性氣體,對肺和心肌有很強的毒害作用。 NOx形成光化學(xué)煙霧。

3、2）碳氫化合物碳氫化合物(HC)： 燃油未完全燃燒產(chǎn)物的總稱。 烯烴烯烴： 略帶甜味,有麻醉作用,對粘膜有刺激,形成有毒的光化學(xué)煙霧。芳香烴芳香烴： 對血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害,多環(huán)芳香烴及其衍生物有致癌作用。 醛類醛類： 刺激性物質(zhì)，對眼、呼吸道、血液有毒害。3 3）顆粒）顆粒（PM） ： 是指用清潔過濾空氣稀釋，氣體溫度低于或等于325K(52)時，在規(guī)定的過濾介質(zhì)上所采集到的物質(zhì)。顆粒顆粒主要組分主要組分： 碳、凝結(jié)的碳氫化合物、硫酸鹽和締合水。 柴油機排出的顆粒大多小于0.3m，人呼吸時，被吸入肺部，在肺里滑動，造成肺組織的傷害。 另外，顆粒碳核在吸附的其它有毒物質(zhì)被吸入人體，也會對人體造成

4、損害4）一氧化碳（CO）： 無色、無嗅的有毒氣體。導(dǎo)致人體組織缺氧，嚴(yán)重時窒息死亡。 在柴油機的排氣中CO含量較少，只在高負荷運轉(zhuǎn)時排放量較高。 5）硫氧化物（SOx）： SOX是燃油中的硫分在燃燒中的產(chǎn)物，主要包括SO2和SO3。 SO2具有刺激性，與水結(jié)合后生成亞硫酸，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎癥。 另外，SO2進一步氧化的產(chǎn)物SO3與水分作用形成硫酸并形成酸雨。三、柴油機有害氣體排放物的生成機理三、柴油機有害氣體排放物的生成機理1 1NOx：指柴油機排氣中各種氮氧化物的總稱。 對柴油機來說要控制的氮氧化物主要是NO的排放量，而對人類直接造成危害的成分是NO2。 柴油機排氣中

5、的NOx主要是由空氣中的氮在高溫環(huán)境下氧化生成的，即“熱氮氧化物”。柴油機燃燒過程中決定柴油機燃燒過程中決定NOx生成率大小的三個主要因素是生成率大小的三個主要因素是： 高溫、富氧和在高溫下燃氣的停留時間。2. HC2. HC：包括燃油中的未燃烴類、裂解反應(yīng)和再化合反應(yīng)的產(chǎn)物、燃燒和氧化反應(yīng)的中間產(chǎn)物（如醛、醇等）所組成的，少部分產(chǎn)生于潤滑油。 HC的生成機理很復(fù)雜，由多種因素形成的。根本原因根本原因： 烴類在空氣中不能燃燒或不能完全燃燒，如在溫度或壓力過低；混合氣濃度過濃或過稀條件下都可能形成碳氫化合物。 柴油機在怠速或小負荷運轉(zhuǎn)時的HC排放大于高負荷時的HC排放。 3. CO3. CO C

6、O是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之一。 一般來說，如果達到一定的反應(yīng)溫度，并在氧化劑存在的條件下，CO將繼續(xù)進行反應(yīng)，而生成燃燒產(chǎn)物CO2。 如果燃燒過程中局部空間或瞬時存在下列條件之一，則CO不能繼續(xù)燃燒而被排出機外： 1）反應(yīng)著的氣體溫度突然過低；2）反應(yīng)著的氣體突然缺氧；3）反應(yīng)物停留在適合反應(yīng)條件的時間過短。 在燃燒室中，生成CO的主要部位是富油區(qū)、稀熄火焰和火焰淬熄區(qū)。4.4.顆粒顆粒:也稱微粒（Particulate Matter:PM） 柴油機PM的組成取決于運轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。 當(dāng)排氣溫度較高時，它主要是碳質(zhì)微球的聚集體，一般稱之為碳煙（Dry Soot:DS），

7、它主要是柴油機在高壓燃燒條件下，局部高溫、缺氧、裂解并脫氫而生成的以碳為主要成分的固體微小顆粒。 當(dāng)排氣溫度較低時，碳煙會吸附和凝聚多種有機物，稱為有機可溶成份（Soluable Organic Fraction:SOF）,它是重質(zhì)有機化合物從氣缸內(nèi)排出并被空氣稀釋時凝結(jié)并被碳粒所吸附的。 若排氣成份中HC含量高，則冷凝作用就更強烈。5.2 5.2 控制船舶柴油機控制船舶柴油機排放排放的有關(guān)法規(guī)的有關(guān)法規(guī) 上世紀(jì)70年代以來，由于環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和人們對環(huán)境狀況的日益關(guān)注，內(nèi)燃機有害排放物對大氣造成的危害受到了人們的高度重視。 各國際組織及世界各國和地區(qū)相繼以法規(guī)的形式對內(nèi)燃機排放物加以強制

8、性限制。主要內(nèi)容主要內(nèi)容：一一國際海事組織（國際海事組織（IMOIMO）的有關(guān)規(guī)定）的有關(guān)規(guī)定二其它國家和地區(qū)的有關(guān)排放法規(guī)二其它國家和地區(qū)的有關(guān)排放法規(guī)三排放法規(guī)的實施對船舶柴油機動力裝置的影響三排放法規(guī)的實施對船舶柴油機動力裝置的影響一一國際海事組織（國際海事組織（IMOIMO）的有關(guān)規(guī)定）的有關(guān)規(guī)定 為限制和控制船舶向大氣排放有害物質(zhì)，IMO1997年通過了修訂73/78國際防止船舶造成污染公約（MARPOL公約）的1997年議定書。該議定書新增了MARPOL公約附則VI “防止船舶造成空氣污染規(guī)則”。其中第13條、第14條分別對柴油機NOxNOx排放和SOxSOx排放作出了相應(yīng)的規(guī)定。

9、1 1）關(guān)于）關(guān)于NOxNOx限值限值排放量的最高限制線，由三部分組成， （1）NOx17 g/(kWh)低速機 n130 r/min；（2）NOx45.0n-0.2 g/(kWh)中速機 130 r/minn2000r/min；（3）NOx9.8g/(kWh)高速機 n2000r/min 。 圖5-2 船用柴油機最大NOx排放量2 2）關(guān)于）關(guān)于SOSO2 2限值限值 船舶柴油機使用的任何燃料的硫含量不得超過4.5%m/m； SOSOx x排放控制區(qū)域排放控制區(qū)域：波羅的海，英吉利海峽和北海。船舶在SOSOx x排放控制區(qū)域，排放控制區(qū)域，應(yīng)滿足下列條件之一：(1)燃油的硫含量不超過1.5m

10、/m；(2)采用認(rèn)可的廢氣濾清系統(tǒng)把船舶的SOx排放總量減少至6.0g/kWh或更少；(3)采用核實和可行的任何其他技術(shù)把船舶的SOx排放總量減少至6.0g/kWh或更少。 目前船舶多采用第(1)種措施來保證硫化物排放達到標(biāo)準(zhǔn)，此時船舶的燃油注入、駁運系統(tǒng)應(yīng)滿足在SOx 排放控制區(qū)內(nèi)進行低硫燃油的轉(zhuǎn)換作業(yè)。 除國際海事組織73/78國際防止船舶造成污染公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”外，美國、歐洲等國家和地區(qū)也制定了本國或本地區(qū)的排放法規(guī)，這類排放法規(guī)雖然只在本國或本地區(qū)內(nèi)適用，但往往比國際法規(guī)更加嚴(yán)格。美國將IMO的73/78污染公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”定為第一級的排

11、放控制標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上又制定了另一套更嚴(yán)格的船用柴油機排放的限制標(biāo)準(zhǔn)。 歐盟規(guī)定自2006年5月起，所有船舶必須使用硫含量1.5%以下的燃油；在歐洲固定航線的客輪應(yīng)使用硫含量1.2%以下的燃油；所有在歐洲港口停泊的船舶使用燃油的硫含量應(yīng)低于0.2%，到2010年1月后使用燃油的硫含量應(yīng)低于0.1%；或使用排氣后處理措施達到相應(yīng)的SOx排放水平。歐洲各國如瑞典、挪威等還制定了不同的排放收費標(biāo)準(zhǔn)，其基本原則是以IMO的73/78污染公約附則VI“規(guī)則”所規(guī)定的限制指標(biāo)為基準(zhǔn)制定港口、航道費用的收費標(biāo)準(zhǔn)，對于排放量低的船舶予以減免，而對于排放量高的船舶予以重罰。 二其它國家和地區(qū)的有關(guān)排放法規(guī)二其它

12、國家和地區(qū)的有關(guān)排放法規(guī)隨著排放法規(guī)的實施以及排放法規(guī)的逐步嚴(yán)格，將對柴油機的研制開發(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)著柴油機的發(fā)展方向。三排放法規(guī)的實施對船舶柴油機動力裝置的影響三排放法規(guī)的實施對船舶柴油機動力裝置的影響1.1.對船舶柴油機發(fā)展的影響對船舶柴油機發(fā)展的影響 影響氮氧化物(NOx)生成的主要因素是柴油機氣缸中的燃燒過程，它和柴油機的結(jié)構(gòu)、工作過程參數(shù)、運行工況、各輔助設(shè)備和系統(tǒng)的工作質(zhì)量都有關(guān)系。降低氮氧化物降低氮氧化物(NOx )(NOx )排放的方法排放的方法主要是機內(nèi)處理和機后凈化。 機內(nèi)處理機內(nèi)處理方法的關(guān)鍵方法的關(guān)鍵是有效的控制燃燒過程； 采用機后處理

13、機后處理方法方法雖然不會影響柴油機的熱效率，但設(shè)備的增加必然引起船舶初造價的提高和船員維護管理工作的增加。2.2.對船用柴油機燃油的影響對船用柴油機燃油的影響 SOx排放物的多少主要是由燃油中的硫分所決定的。MARPOL公約附則VI對燃料含硫量的規(guī)定對目前主要以低質(zhì)燃料油為主要燃料的船舶柴油機來說將存在重大的影響。 中東地區(qū)石油儲量占世界石油儲量的66.4%，以其為原料生產(chǎn)的低質(zhì)燃料油的含硫量較高，甚至可能高達6%，為了滿足要求，特別是在SOx控制區(qū)內(nèi)，降低燃料含硫量是減少廢氣中氧化硫產(chǎn)物的唯一有效方法。 脫硫處理后，燃料的價格也會上升，燃料費用增加。 另外一種除去廢氣中氧化硫的方法是水洗。但

14、是在每一條船上裝設(shè)龐大的氧化硫處理設(shè)備，不論從經(jīng)濟角度還是從環(huán)保角度都存在一定的問題。 柴油機排放物控制的重點柴油機排放物控制的重點：NOx與顆粒，其次是SOx。 研究表明，有效地控制柴油機有害物的排放，必須從柴油機的燃燒過程的改進、排氣后處理以及改善燃油品質(zhì)入手。有害排放的控制措施有害排放的控制措施： 機前處理，機內(nèi)處理和機后處理機前處理，機內(nèi)處理和機后處理。5.3 5.3 柴油機有害排放的控制措施柴油機有害排放的控制措施 機內(nèi)處理機后處理機前處理催化轉(zhuǎn)化SCR廢氣再循環(huán)蒸汽噴射進氣加濕直接噴水高壓噴射噴油器改進稀薄燃燒推遲噴油燃油乳化LNG醇類燃料代用燃料改進燃燒加水處理改進循環(huán)一、燃燒過

15、程的改進一、燃燒過程的改進1)1)高壓噴射高壓噴射 噴射高壓和短噴油持續(xù)期,改善霧化質(zhì)量,加大噴油速率,卷入油束空氣量增加,燃油與空氣混合和燃燒速度加快,顆粒排放降低。2 2）推遲噴射推遲噴射 增大噴油提前角，發(fā)火前噴入氣缸的燃油量多，爆燃嚴(yán)重，最高燃燒溫度較高，NOX的生成量較多； 反之，NOX的生成量較少。 因此，推遲噴射可減小缸內(nèi)NOX的生成量。3)3)電控噴射及引導(dǎo)噴射電控噴射及引導(dǎo)噴射 實現(xiàn)高壓噴射和引導(dǎo)噴射,根據(jù)工況變化對噴油規(guī)律最優(yōu)控制，既保證柴油機性能又抑制NOx與顆粒。4)4)排氣再循環(huán)排氣再循環(huán)(EGR) EGR是使部分排氣再次進入氣缸進行循環(huán)，一般可使約10%20%的廢氣

16、再次進入發(fā)動機氣缸。 采用EGR后，由于進氣中氧濃度降低和熱容量的增加，可獲得較低的燃燒速度從而降低Nox生成（降低3040） 。5)噴油器結(jié)構(gòu)的改進噴油器結(jié)構(gòu)的改進 不同的噴油器型式和結(jié)構(gòu)對NOx形成有著重大的影響，燃油的噴射強度也有影響。 現(xiàn)代柴油機平均有效壓力的提高要求增加噴油器的流通面積，導(dǎo)致噴油器壓力室的容積增加，噴油結(jié)束時殘存在壓力室中的燃油會滴入燃燒室，如果滴油較多，這些油不會完全燃燒，則可能形成碳煙、HC、增大NOx排放并在燃燒室形成沉積。 目前，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)噴油器的壓力室容積都相當(dāng)大，對于HC和顆粒排放都會造成負面的影響。 解決這一問題的措施是開發(fā)一種“小壓力室（mini-sac

17、）”的噴油器，如MAN B&W的“小壓力室”噴油器的壓力室只有正常壓力室的15%，而最新開發(fā)的滑動型噴油器則基本消除了壓力室，采用這種噴油器，可以減少NOX、CO、HC和碳煙并能大大減輕燃燒室的沉積。6)6)新型燃燒方式新型燃燒方式 “兩階段燃燒系統(tǒng)”和“稀薄燃燒系統(tǒng)”等。尚未實用。二加水處理二加水處理 加水處理的原理是通過采取措施使一定量的水進入氣缸，由于水的汽化潛熱很高，可以在燃燒過程吸收大量的熱量，從而降低最降低最高燃燒溫度，高燃燒溫度，減少減少NOxNOx排放量排放量. 1 1、燃油乳化、燃油乳化 是將燃油摻水形成乳化油在柴油機中進行燃燒，當(dāng)向柴油機噴入乳化油時，乳化油中的水被蒸發(fā)，使

18、燃燒溫度峰值下降，能較大幅度地減少NOX排放。 在一般情況下增加一個百分點的水將減少一個百分點的NOX，通常乳化油中含有10%的水，可使NOX下降612，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的發(fā)動機可以滿負荷時加入20%的水，此時燃油消耗率幾乎沒有變化。當(dāng)水含量再增加時，燃油消耗量會稍有增加。 燃油乳化可降低NOX排放3050。 使用乳化油還可以改善發(fā)動機的排煙，尤其在低負荷時更為明顯。加水的方式主要有以下幾種加水的方式主要有以下幾種：2 2進氣加濕進氣加濕 是將水以高壓水霧的形式，在壓氣機后噴入增壓空氣中的。為防止水霧凝結(jié)，有時要通過加熱提高增壓空氣的溫度，加熱是利用空氣冷卻器來完成的。 這種方法可使NOx排放減少5060而不會提高燃油消耗率。同時還可以降低主機的熱負荷并改善缸套清潔條件。 進氣加濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低和不增加燃油消耗率；但對所噴水的質(zhì)量要求比較高。3 3直接噴水直接噴水（DWI） DWI技術(shù)采用雙噴嘴油頭，一個噴油，一個噴水。 水在燃油噴射之前噴入缸，可以降低燃燒室溫度從而降低NOx。在噴水結(jié)束之后開始噴油，對燃油的著火和燃燒過程不會造成影響。油、水兩個系統(tǒng)是相互獨立的。 該方法可降低NOX排放5060。隨著噴入氣缸水量的增加，NOX排放量隨之減少，最大的水油比例為50，NOX排放量降低60。 4