畢業(yè)論文-關(guān)于降低船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施的探討

1、大連海事大學(xué)裝訂線畢業(yè)論文二一一年六月關(guān)于降低船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施的探討專(zhuān)業(yè)班級(jí)：輪機(jī)管理2007級(jí)1班姓 名： 指導(dǎo)教師： 輪機(jī)工程學(xué)院摘 要降低柴油機(jī)氮氧化物排放根據(jù)所采取的控制措施與柴油機(jī)工作過(guò)程的關(guān)系可分為機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)處理和機(jī)后處理三大類(lèi)。其中，機(jī)前處理包括燃油乳化和采用替代燃料如醇類(lèi)燃料和LNG等；機(jī)內(nèi)處理包括推遲噴油、稀薄燃燒、噴油器改進(jìn)、高壓噴射、直接噴水、進(jìn)氣加濕、蒸汽噴射和廢氣再循環(huán)（EGR）；機(jī)后處理包括選擇性催化還原（SCR）。本位著重介紹了廢氣再循環(huán)和選擇性催化還原技術(shù)。選擇性催化還原又稱(chēng)選擇性催化轉(zhuǎn)化，是目前大幅度降低NOX排放的最有效方法，其工作原理是使廢

2、氣中NOX在300-400OC的溫度下，以氨或尿素作為還原劑，在SCR反應(yīng)器中將廢氣中的NOX還原為N2,來(lái)達(dá)到減少NOX排放的目的。廢氣再循環(huán)（EGR）控制系統(tǒng)的作用就是將一部分排氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)和混合氣一起再進(jìn)入氣缸中燃燒。由于廢氣的摻入，能有效地抑制燃燒溫度的升高，而且由于惰性氣體的增加，是著火延遲期變長(zhǎng)，燃燒速度減緩，燃燒溫度下降，因而可以有效地抑制NOX的產(chǎn)生。關(guān)鍵詞：氮氧化物；排放；廢氣再循環(huán)；選擇性催化還原AbstractThe control methods of NOx emission include: Water emulsification, High-pressure

3、injection, Direct Water Injection(DWI), Scavenge Air Moisturising(SAM), Steam Injection, Exhaust Gas Re-circulation(EGR) and Selective Catalytic Reduction(SCR).With the Selective Catalytic Reduction(SCR) technique ,the exhaust gas is mixed with ammonia NH3 or urea(as NH3 carrier ) before passing thr

4、ough a layer of a special catalyst at a temperature between 300 and 400OC,whereby NOx is reduced to N2 and H2O.For Exhaust Gas Re-circulation(EGR) system, the NOx reducing effect is achieved by reducing the local maximum temperature in the combustion chamber, and by reducing the concentration of oxy

5、gen , adding inert media with a high specific heat capacity, i.e. exhaust gas CO2 and water vapour.Keywords: NOx emission, SAM, EGR, SCR, DWI目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295666414 第1章 緒論 PAGEREF _Toc295666414 h 1 HYPERLINK l _Toc295666415 1.1 船舶柴油機(jī)的排放與危害 PAGEREF _Toc295666415 h 1 HYPERLINK l

6、_Toc295666416 1.1.1柴油機(jī)排氣污染物的主要成分 PAGEREF _Toc295666416 h 1 HYPERLINK l _Toc295666417 1.1.2氮氧化物（NOx）的害 PAGEREF _Toc295666417 h 2 HYPERLINK l _Toc295666418 1.1.3氮氧化物（NOx）的理 PAGEREF _Toc295666418 h 2 HYPERLINK l _Toc295666419 1.2 控制船舶柴油機(jī)排放的有關(guān)法規(guī) PAGEREF _Toc295666419 h 3 HYPERLINK l _Toc295666420 1.2.1國(guó)

7、際海事組織(IMO)關(guān)于NOx限制的有關(guān)規(guī)定 PAGEREF _Toc295666420 h 3 HYPERLINK l _Toc295666421 1.2.2排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的影響 PAGEREF _Toc295666421 h 4 HYPERLINK l _Toc295666422 第2章 控制柴油機(jī)氮氧化物排放的措施 PAGEREF _Toc295666422 h 5 HYPERLINK l _Toc295666423 2.1選擇性催化還原（SCR） PAGEREF _Toc295666423 h 5 HYPERLINK l _Toc295666424 2.1.1選擇性

8、催化還原系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc295666424 h 6 HYPERLINK l _Toc295666425 2.1.2選擇性催化還原系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc295666425 h 7 HYPERLINK l _Toc295666426 2.1.3選擇性催化還原反應(yīng)器在二沖程和四沖程柴油機(jī)系統(tǒng)中的位置 PAGEREF _Toc295666426 h 7 HYPERLINK l _Toc295666427 2.1.4選擇性催化還原系統(tǒng)的自動(dòng)控制 PAGEREF _Toc295666427 h 7 HYPERLINK l _Toc295666428 2.2 廢氣再循環(huán)（E

9、GR）技術(shù) PAGEREF _Toc295666428 h 9 HYPERLINK l _Toc295666429 2.2.1廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc295666429 h 9 HYPERLINK l _Toc295666430 2.2.2廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機(jī)上的測(cè)試結(jié)果 PAGEREF _Toc295666430 h 10 HYPERLINK l _Toc295666431 2.2.3除塵刷清潔廢氣 PAGEREF _Toc295666431 h 10 HYPERLINK l _Toc295666432 2.3小結(jié) PAGEREF _Toc295666432 h

10、11 HYPERLINK l _Toc295666433 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295666433 h 13 HYPERLINK l _Toc295666434 致謝 PAGEREF _Toc295666434 h 14 PAGE 14關(guān)于降低船舶柴油機(jī)NOX排放控制措施的探討第1章 緒論由于現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)大氣的污染日益嚴(yán)重，使人類(lèi)的生存環(huán)境日趨惡化。排氣污染物對(duì)大氣環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)煙霧；(2)酸雨；(3)臭氧層減?。?4)溫室效應(yīng)。但隨著人類(lèi)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，各種環(huán)保法規(guī)陸續(xù)出臺(tái)，對(duì)排放控制的要求也日益嚴(yán)格。以?xún)?nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ慕煌ㄟ\(yùn)輸業(yè)所產(chǎn)生的CO2

11、排放量占整個(gè)世界CO2排放量的14%，成為當(dāng)今世界的主要大氣污染源之一。船舶承擔(dān)著97%的世界貿(mào)易運(yùn)輸量,消耗世界能源的3%，其主要的動(dòng)力裝置船舶柴油機(jī)的排放數(shù)量也是非常巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)船舶柴油機(jī)的NOx排放約占全球NOx排放的7%，SOx排放約占全球SOx排放的4%。隨著海上運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，船舶保有量的增加，船舶造成的大氣污染也日益嚴(yán)重，對(duì)船舶柴油機(jī)的排放控制也勢(shì)在必行。1.1 船舶柴油機(jī)的排放與危害柴油機(jī)燃用碳?xì)浠衔锶剂贤耆紵龝r(shí)，如果不考慮燃料中的雜質(zhì)，將只會(huì)產(chǎn)生水蒸氣(H2O)和二氧化碳(CO2)。水在地球上大量存在，柴油機(jī)排出的水分不會(huì)對(duì)地球水循環(huán)構(gòu)成重大影響。二氧化碳過(guò)去并不認(rèn)為它是

12、一種污染物，但因?yàn)榛剂系拇罅渴褂?，使地球的碳循環(huán)失衡，加劇了“溫室效應(yīng)”，引起了全人類(lèi)的廣泛關(guān)注。根據(jù)柴油機(jī)燃燒的特點(diǎn)，我們知道，燃料在柴油機(jī)中的混合和燃燒是在極短時(shí)間內(nèi)完成的。燃料與空氣混合的不均勻程度比較嚴(yán)重，因此燃料不可能完全燃燒，在柴油機(jī)的排氣中會(huì)現(xiàn)一些不完全燃燒產(chǎn)物。如在高溫缺氧環(huán)境下燃油易發(fā)生裂解、脫氫生成炭煙粒子，發(fā)生不完全燃燒時(shí)生成一氧化碳（CO）,在低溫及混合氣過(guò)稀的條件下易生成未燃碳?xì)浠衔铮℉C）。而在高溫環(huán)境下會(huì)使空氣中的氮在高溫下氧化生成各種氮的氧化合物，一般用NOx表示。此外，燃油中含有的硫可使柴油機(jī)燃燒過(guò)程中生成硫氧化物(SOx)。1.1.1柴油機(jī)排氣污染物的

13、主要成分柴油機(jī)排出的廢氣是由燃燒產(chǎn)物與剩余空氣組成的。主要包括水蒸氣(H2O)、過(guò)量氧氣(O2)、殘余氮?dú)?N2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)、硫氧化物(SOx)和顆粒等。船用低速柴油機(jī)上述排氣成分的組成如表1所示。表1 低速柴油機(jī)排氣組成其中水蒸氣(H2O)、過(guò)量氧氣(O2)、殘余氮?dú)?N2)屬無(wú)害成分，不會(huì)給人類(lèi)及環(huán)境帶來(lái)任何不良影響。二氧化碳(CO2)雖然不會(huì)對(duì)人類(lèi)和環(huán)境產(chǎn)生直接危害，但由于CO2的大量聚積會(huì)形成地球氣候的溫室效應(yīng)，也需要加以控制。二氧化碳（CO2）、水(H2O)、氮?dú)?N2)、氧氣(O2)占到排氣體積總量的99. 8%。

14、對(duì)大氣環(huán)境和人類(lèi)健康影響很大且已被各國(guó)排放法規(guī)限制的柴油機(jī)排放物是一氧化碳（CO）、氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)、硫氧化物(SOx)和顆粒等，這些物質(zhì)雖然只占排氣體積總量的0.2%，卻能對(duì)環(huán)境和人體造成巨大的危害。我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把廢氣中有害成分及CO2和炭煙等統(tǒng)稱(chēng)排放物，簡(jiǎn)稱(chēng)排放。 本文將著力介紹控制氮氧化物（NOx）排放的措施。1.1.2氮氧化物（NOx）的危害柴油機(jī)排氣中的氮氧化物絕大部分是NO，少量是NO2。NO是無(wú)色氣體，本身毒性不大，但在大氣中會(huì)緩慢氧化成NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，對(duì)肺和心肌有很強(qiáng)的毒害作用。NOx是在地面附近形成光化學(xué)煙霧的主要因素之一。1.1.

15、3氮氧化物（NOx）的生成機(jī)理柴油機(jī)排氣中的氮氧化物NOx是指各種氮氧化物的總稱(chēng)，其中包括NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等。在柴油機(jī)中，燃料經(jīng)燃燒后從排氣管排出的氮氧化物中有90%95%是NO，NO2有少量存在，其他成分則可以忽略不計(jì)。從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NO與大氣中的氧氣相遇后將進(jìn)一步氧化為NO2。對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)要控制的氮氧化物主要是NO的排放量，而對(duì)人類(lèi)直接造成危害的成分是NO2。NOx( NO +NO2)的生成來(lái)源有兩方面：其主要來(lái)源是參與燃燒的空氣中的氮?dú)?N2)，另一方面，在燃料中也可能存在微量的氮化物。前者產(chǎn)生的氮氧化物稱(chēng)為“熱氮氧化物”（Thermal NOx

16、），后者稱(chēng)為“燃料氮氧化物”（Fuel NOx）。由于柴油機(jī)燃油僅含微量氮，形成的NOx很少，不足以產(chǎn)生顯著的NOx排放。柴油機(jī)排氣中的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”。由空氣中的氮和氧在高溫燃燒過(guò)程中進(jìn)行反應(yīng)而生成的熱氮氧化物，因其形成的機(jī)理非常復(fù)雜，目前己被廣泛接受的理論稱(chēng)為采爾道維奇( Zeldovich)原理。NO的生成反應(yīng)可用以下化學(xué)方程式表示：O2=2OO+N2 =NO+NN+ON+OH=NO+氧氣在高溫分解時(shí)產(chǎn)生單氧原子(O)分子狀態(tài)的氮(N2)與原子狀態(tài)的氧碰撞，或氧分子與氮原子碰撞均可生成NO。NO的生成隨溫度的提高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。當(dāng)溫度

17、低于1 800 K時(shí)，NO的生成速率極低；到2 000 K就達(dá)到了很高的速率。大致可以認(rèn)為溫度每提高100 K，NO的生成速率幾乎翻一番；氧濃度提高也使NO生成量增加，由于NO的生成反應(yīng)比燃料的燃燒反應(yīng)慢，所以只有很少一部分NO產(chǎn)生于很薄的火焰反應(yīng)帶中，大部分NO在火焰離開(kāi)后的已燃?xì)怏w中生成；如果反應(yīng)物在高溫環(huán)境停留時(shí)間不足，則NO達(dá)不到平衡含量，使NO排放減少。因此，柴油機(jī)燃燒過(guò)程中決定NOx生成率大小的三個(gè)主要因素是：高溫、富氧和氮與氧在高溫下停留的時(shí)間的長(zhǎng)短。燃燒室內(nèi)溫度升高，氧氣濃度增加，燃?xì)庠诟邷貐^(qū)停留時(shí)間增長(zhǎng)，均可使NO增加。如果參與預(yù)混燃燒的燃油量多，將因其較高的燃燒溫度和較長(zhǎng)的

18、焰后反應(yīng)時(shí)間使NO生成量增加。所以直噴式柴油機(jī)生成的NO濃度也明顯大于分開(kāi)式燃燒室。1.2 控制船舶柴油機(jī)排放的有關(guān)法規(guī)20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和人們對(duì)環(huán)境狀況的日益關(guān)注，內(nèi)燃機(jī)有害排放物對(duì)大氣造成的危害受到了人們的高度重視。各國(guó)際組織及世界各國(guó)和地區(qū)相繼以法規(guī)的形式對(duì)內(nèi)燃機(jī)排放物加以強(qiáng)制性限制。為限制和控制船舶向大氣排放有害物質(zhì)，國(guó)際海事組織( IMO) 1997年召開(kāi)締約國(guó)大會(huì)，會(huì)議形成大會(huì)決議。通過(guò)了修訂73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL公約）的1997年議定書(shū)。該議定書(shū)新增了73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約附則“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”。1.2.1

19、國(guó)際海事組織(IMO)關(guān)于NOx限制的有關(guān)規(guī)定“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”的第13條中規(guī)定了關(guān)于NOx排放的限制值，如圖1所示。圖 1 船用柴油機(jī)最大NOx排放量該規(guī)則適用于每一臺(tái)安裝在2001年1月1日或以后建造的船舶、輸出功率大于130 kW的柴油機(jī)，以及每一臺(tái)安裝在2001年1月1日或以后經(jīng)重大改裝的船舶、輸出功率大于130KW的柴油機(jī)。氮氧化物排放量的最高限制線，分別由三部分組成，NOx17 g/(kWh)n 130r/minNOx45.0n-0.2g/ g/(kWr/min n 2000 r/minNOx9.8 g/(kW n2000 r/min 這里的“重大改裝”系指下述三種情況之

20、一：（1）將柴油機(jī)換成2001年1月1日或以后制造的新柴油機(jī)；（2）柴油機(jī)的最大持續(xù)額定功率增加超過(guò)10%；（3）影響柴油機(jī)廢氣排放以至超出附則規(guī)定的排放限制值的任何實(shí)質(zhì)性改裝。該項(xiàng)決議已于2005年5月19日生效。1.2.2排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置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。影響氮氧化物(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。降低氯氧化物(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

21、理方法的關(guān)鍵是有效的控制燃燒過(guò)程，目前的主要途徑是開(kāi)發(fā)低排放的直噴式燃燒室，以同時(shí)滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)和提高柴油機(jī)的熱效率，另外，推遲噴射、廢氣再循環(huán)（EGR）以及缸內(nèi)噴水等方法也能達(dá)到目前規(guī)定的排放標(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。第2章 控制柴油機(jī)氮氧化物排放的措施大量的研究表明，要有效的控制氮氧化物的排放，必須從柴油機(jī)的燃燒過(guò)程的改進(jìn)、排氣后處理以及改善燃油品質(zhì)入手，根據(jù)所采取的控制措施與柴油機(jī)工作過(guò)程的關(guān)系可分為機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)處理和機(jī)后處理三大類(lèi)，如圖2所示。圖 2 柴油機(jī)氮

22、氧化物排放的控制措施機(jī)前處理主要是采用清潔燃料，在燃燒過(guò)程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生有害排放物，這涉及新型燃料和燃料處理問(wèn)題，不在這里做詳細(xì)討論；機(jī)內(nèi)處理是在有害排放物質(zhì)生成之前采取措施，通過(guò)改變柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)或運(yùn)行參數(shù)控制柴油機(jī)的燃燒過(guò)程來(lái)減少缸內(nèi)有害排放的生成量；機(jī)后處理則是在有害排放生成之后對(duì)廢氣進(jìn)行物理、化學(xué)處理。以降低有害物質(zhì)的排放量，也稱(chēng)為排氣后處理方法。2.1選擇性催化還原（SCR）用氨做還原劑對(duì)含NOX的廢氣進(jìn)行催化還原處理，使氨能有選擇地與廢氣中的NOX進(jìn)行反應(yīng)，而不與氧反應(yīng)，稱(chēng)為選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）法，又稱(chēng)催化轉(zhuǎn)化

23、法。選擇性催化還原法已作為一般技術(shù)用于近海平臺(tái)固定柴油機(jī)裝置，而在實(shí)際船舶上尚處于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用階段。圖 3 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，垂直立于柴油機(jī)旁并通過(guò)排氣總管和閥件與之連接。另一種布置方式是水平設(shè)置SCR反應(yīng)器，將其置于增壓器之上，該方式更利于機(jī)艙的布置。圖 3 船用低速柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的布置示意圖2.1.1選擇性催化還原系統(tǒng)組成圖4選擇性催化還原系統(tǒng)示意圖如圖4所示，選擇性催化還原系統(tǒng)有過(guò)程控制計(jì)算機(jī)、蒸發(fā)器、氨柜、反應(yīng)器、混合器和NOX和O2分析器等組成。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)以柴油機(jī)負(fù)荷為依據(jù)控制廢氣中氨的加入量；蒸發(fā)器用于液氨的蒸發(fā)裝置以獲取氨氣

24、；氨柜則用于貯存液氨；反應(yīng)器為氨氣和廢氣中的氮氧化物反應(yīng)的場(chǎng)所，是該系統(tǒng)最主要的組成部分；混合器使得氨氣和廢氣中的氮氧化物能夠良好的混合；NOX和O2分析器則是用于分析廢氣中NOX和O2 的含量，將信號(hào)輸入過(guò)程控制計(jì)算機(jī)以控制氨氣的加入量。2.1.2選擇性催化還原系統(tǒng)工作原理利用選擇性催化還原技術(shù)，廢氣和氨氣或者尿素混合后通過(guò)一層300-400OC的特殊催化劑時(shí)就會(huì)和NH3反應(yīng)生成N2和H2O。其理論化學(xué)反應(yīng)方程式如下：4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O6NO2 + 8NH3 7N2 + 12H2O通過(guò)選擇性催化還原法降低NOX排放只有在特定的溫度范圍內(nèi)才有效，否則：如果溫度

25、過(guò)高，NH3就會(huì)直接燃燒而不會(huì)與NO和NO2反應(yīng)。如果溫度過(guò)低，反應(yīng)速率就會(huì)非常慢而且還會(huì)產(chǎn)生硫氨酸鹽破壞催化劑。若超出了此溫度范圍，則排氣管路的尺寸就需要根據(jù)廢氣的成分、粉塵的含量和經(jīng)過(guò)選擇性催化還原反應(yīng)器的允許壓降做出相應(yīng)調(diào)整，而且還會(huì)堵塞催化劑通道。然后，選擇性催化還原系統(tǒng)不久就會(huì)停止運(yùn)行。由此可見(jiàn),該過(guò)程必須得有氧參與,而且要求溫度適中。溫度過(guò)高,氨會(huì)被燒掉而不與氮氧化物發(fā)生反應(yīng);溫度太低,反應(yīng)會(huì)很慢,并且會(huì)冷凝生成硫酸氨,硫酸氨會(huì)損壞催化器。2.1.3選擇性催化還原反應(yīng)器在二沖程和四沖程柴油機(jī)系統(tǒng)中的位置由于二沖程柴油機(jī)排氣溫度較低，在渦輪增壓器前的溫度只有450OC左右，而且通過(guò)增

26、壓器后廢氣的溫度還將進(jìn)一步降低，只有2700C左右。而四沖程柴油機(jī)的排氣溫度較高，而且廢氣渦輪增壓器消耗的廢氣能量較小，廢氣通過(guò)增壓器后溫度降低的程度很小，仍然可達(dá)350OC左右。為了保證催化劑的工作溫度在允許范圍內(nèi)，二沖程柴油機(jī)系統(tǒng)中選擇性催化還原裝置的催化劑應(yīng)該至于排氣總管和渦輪增壓器之間，以承受增壓器進(jìn)口處的壓力（即廢氣通過(guò)增壓器時(shí)沒(méi)有壓降）。而在中高速四沖程柴油機(jī)系統(tǒng)中其位置可在渦輪增壓器之前，也可在其后，安裝的靈活性就好很多。而且由于該系統(tǒng)進(jìn)口壓力較高，所以可以適當(dāng)減小選擇性催化還原裝置的體積。2.1.4選擇性催化還原系統(tǒng)的自動(dòng)控制廢氣中氨的加入量控制是由一個(gè)程序控制器以柴油機(jī)負(fù)荷為

27、依據(jù)進(jìn)行的,由于柴油機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物的量與柴油機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系可以在試車(chē)臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中獲得,這種關(guān)系可以用程序描述給控制器。這之后對(duì)氨的加入量還要作進(jìn)一步修正,依據(jù)反饋系統(tǒng)測(cè)得的廢氣中的氮氧化物含量進(jìn)行。 控制的基本依據(jù)所以選擇柴油機(jī)負(fù)荷而非廢氣出口處的氮氧化物含量是因?yàn)?如果以氮氧化物含量為基準(zhǔn),會(huì)因系統(tǒng)的響應(yīng)速度太慢而引起反應(yīng)器出口處的氮氧化物和(或)氨的含量超標(biāo)。 氮氧化物的測(cè)量?jī)x器是集成在氨的加入控制設(shè)備中的,所有的儀器都裝在集控室內(nèi)的獨(dú)立的控制板上,帶有記錄打印機(jī)的氧分析儀和氨報(bào)警裝置組合在一起,持續(xù)不斷地提供系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。 氮氧化物的去除程度取決于氨的加入量(即NH3/NOX的

28、比值),在氨的加入量相對(duì)多時(shí)(即NH3/NOX的比值比較高時(shí)),可使氮氧化物的去除率較高,但同時(shí)煙氣中所含的未參與反應(yīng)的氨的量(且稱(chēng)之為氨的無(wú)效損耗)也會(huì)增加。無(wú)疑我們期望氨的無(wú)效損耗率越低越好,否則這些煙氣流經(jīng)鍋爐或其它熱交換器時(shí)會(huì)與SO3進(jìn)一步反應(yīng)生成硫酸氨,腐蝕這些熱交換器表面。 氨可以來(lái)自加壓的無(wú)水液氨,也可以使用常壓的氨的水溶液。在船舶環(huán)境下，采用尿素較合適，因?yàn)槠浒踩乙子谔幚?，使用前將其在水中分解即可?由于氨是可燃的,因此必須使用雙層管壁的管子運(yùn)送,并要透氣,還要在周邊裝上泄漏檢測(cè)器。氨首先被從掃氣總管引來(lái)的掃氣空氣稀釋,接著進(jìn)入第一個(gè)靜態(tài)混合器。氨和空氣的混合物被噴入從廢氣總

29、管出來(lái)的煙氣中,再進(jìn)入第二個(gè)靜態(tài)混合器。為保證還原反應(yīng)的充分進(jìn)行,降低氨的無(wú)效損耗,煙氣和氨混合物的均勻程度至關(guān)重要。 催化還原反應(yīng)器由幾個(gè)催化器層組成,催化器的容積,也就是催化器的尺寸取決于催化器的活性、希望獲得的氮氧化物的還原程度、氮氧化物的濃度、煙氣的壓力和可接受的氨的無(wú)效損耗率。催化器的數(shù)量可以用空間速度這樣的術(shù)語(yǔ)(縮寫(xiě)為NHSV)來(lái)表達(dá),它是按照每立方米的催化反應(yīng)器體積所處理的煙氣的體積數(shù)來(lái)定義的。廢氣從排氣總管排出后，通過(guò)一套雙層管系將尿素或者氨水注入混合器中，當(dāng)廢氣與反應(yīng)介質(zhì)混合后通入廢氣渦輪的廢氣端。另外，該系統(tǒng)需要裝設(shè)高效的渦輪增壓器和輔助風(fēng)機(jī)以補(bǔ)償廢氣流過(guò)選擇性催化還原反應(yīng)

30、器時(shí)引起的壓降。因?yàn)榘彼蚰蛩卦谶x擇性催化還原反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出熱量，所以其廢氣溫度會(huì)比沒(méi)有裝設(shè)選擇性催化還原系統(tǒng)的柴油機(jī)的廢氣溫度稍高。而且，無(wú)論柴油機(jī)裝沒(méi)裝設(shè)選擇性催化還原裝置，其工作性能和熱平衡效果都是一樣的，所以在安全性、可靠性和可行性方面，二者的效果基本相同。選擇性催化還原法不會(huì)對(duì)柴油機(jī)工作性能造成太大影響，適用于二沖程柴油機(jī)，但同時(shí)也受到柴油機(jī)負(fù)荷、燃油含硫量、汽缸油品質(zhì)及過(guò)量氨水或尿素等因素的限制。盡管選擇性催化還原技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但其在二沖程柴油機(jī)上的應(yīng)用數(shù)量仍然十分有限?，F(xiàn)今的柴油機(jī)裝設(shè)的選擇性催化還原系統(tǒng)都是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，而且是事先裝設(shè)好的。為了避免化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)堵塞選擇性

31、催化還原反應(yīng)器，裝設(shè)SCR系統(tǒng)的主機(jī)對(duì)所使用燃油含硫量的控制和對(duì)廢氣在主機(jī)進(jìn)口處溫度的最低限制同樣重要。而且，廢氣中的部分NOX會(huì)在SCR催化劑作用下生成SO3,還會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)煙霧。裝設(shè)SCR催化劑的時(shí)候，應(yīng)牢記要盡量設(shè)法采取相應(yīng)的措施以補(bǔ)償排氣管和支持機(jī)構(gòu)的震動(dòng)和溫度變化。2.2 廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù) 2.2.1廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的工作原理廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Re-circulation,簡(jiǎn)稱(chēng)EGR）是指讓柴油機(jī)的一部分排氣引回進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合后作為工質(zhì)參加汽缸內(nèi)的熱循環(huán)。廢氣再循環(huán)之所以能使廢氣中NOX的濃度下降，是因?yàn)椋海?）柴油機(jī)排出的廢氣中，由于含氧量少，在其再循

32、環(huán)回氣缸內(nèi)后，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。燃燒和爆炸過(guò)程中NO的生成反應(yīng)速度與氧濃度的平方根成正比，因此，NO的生成反應(yīng)速度降低，廢氣中的NOX濃度也相應(yīng)下降。（2）廢氣中含有較多的水蒸氣和CO2,在高溫下，水蒸氣和CO2的比熱比空氣大得多。若燃油的燃燒熱值一定，燃燒混合氣比熱大者，會(huì)使燃燒過(guò)程所達(dá)到的火焰溫度較比熱小者低。由于在燃燒和爆炸過(guò)程中，NO的生成速度與燃燒絕對(duì)溫度成指數(shù)關(guān)系，因此，燃燒溫度的降低會(huì)導(dǎo)致廢氣中NOX的濃度降低。當(dāng)然，由于廢氣的溫度比較高，引入再循環(huán)的廢氣均需要冷卻處理，使其溫度降至160-1800C范圍后，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾等清潔處理，方允許引入氣

33、缸再循環(huán)使用。在MAN柴油機(jī)公司的二沖程柴油機(jī)上所做的廢氣再循環(huán)的測(cè)試所用的是一套非常簡(jiǎn)單的裝置，該系統(tǒng)由一根煙管從排氣總管接至掃氣空氣冷卻器之后、水霧捕集器之前的位置，這樣就可以完全避免各種靈敏部件的臟污。其簡(jiǎn)潔性在于該系統(tǒng)不需要裝設(shè)刷子以清潔再循環(huán)的廢氣。之前就已證實(shí)，廢氣的清潔可以很大程度上防止空冷器和掃氣箱部件的臟污和損壞。第一個(gè)簡(jiǎn)易的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括一套兩級(jí)噴水裝置，其后裝設(shè)除水裝置。第一級(jí)噴水采取海水加濕的方法，以確保第二級(jí)淡水噴射不再消耗淡水。海水經(jīng)過(guò)第一級(jí)后其溫度可達(dá)將近100OC,該級(jí)設(shè)有的簡(jiǎn)易的多噴嘴噴頭。2.2.2廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在柴油機(jī)上的測(cè)試結(jié)果測(cè)試通過(guò)改變廢氣再循環(huán)

34、量測(cè)量排放參數(shù)的變化。隨著廢氣再循環(huán)量的增加，HC和PM的含量會(huì)隨著柴油機(jī)排出廢氣量的減少而減少。該測(cè)試顯示，不管廢氣再循環(huán)量占多大的比例，柴油機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生相同量的HC和PM，而產(chǎn)生的HC和PM還會(huì)通過(guò)燃燒消除。隨著再循環(huán)廢氣量的增加，廢氣中CO的含量也會(huì)稍有增加，這與預(yù)期的結(jié)果是相同的。由結(jié)論可以看出，再循環(huán)廢氣量的增加會(huì)引起氣缸過(guò)量空氣系數(shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室中更大的區(qū)域缺氧，所以會(huì)產(chǎn)生更多的CO。同時(shí)，氮氧化物排放降低量也達(dá)到了預(yù)期的水平。測(cè)試結(jié)果顯示，通過(guò)除塵刷可以降低20-25%（低負(fù)荷為25%，高負(fù)荷為20%）的固體顆粒物的排放。而且，HC和CO流經(jīng)刷子時(shí)幾乎不會(huì)受到影

35、響。正如預(yù)期的一樣，氮氧化物中的NO2溶于水中，NO也不會(huì)受到影響。由測(cè)試得出結(jié)論，該方法可以有效的降低氮氧化物的排放，但是再循環(huán)的廢氣在進(jìn)入空冷器和掃氣系統(tǒng)之前能否有效清潔的問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。最近，MAN柴油機(jī)公司測(cè)試的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)均帶有除塵裝置和水處理裝置。該系統(tǒng)可降低70%的氮氧化物排放，但相應(yīng)地會(huì)增加燃油消耗。隨著再循環(huán)廢氣量的增加，廢氣中CO的含量也會(huì)稍有增加，這與預(yù)期的結(jié)果是相同的。由結(jié)論可以看出，再循環(huán)廢氣量的增加會(huì)引起氣缸過(guò)量空氣系數(shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室中更大的區(qū)域缺氧，所以會(huì)產(chǎn)生更多的CO。同時(shí)，氮氧化物排放降低量也達(dá)到了預(yù)期的水平。2.2.3除塵刷清潔廢氣在上面提及的對(duì)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)