船舶柴油機的有害排放及控制

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5章船舶柴油機的有害排放及控制§5.1船舶柴油機的排放與危害§5.2控制船舶柴油機排放的有關(guān)法規(guī)§5.3柴油機有害排放的控制措施主要內(nèi)容：

一、柴油機排氣污染物的主要成分無害成分：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：CO、NOx、HC、硫氧化物（SOx）

、顆粒等?！?.1船舶柴油機的排放與危害排放物（排放）：我國有關(guān)標準把廢氣中有害成分及CO2和炭煙等統(tǒng)稱排放物。二、柴油機排放物的危害1）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形成光化學煙霧。2）碳氫化合物(HC)：燃油未完全燃燒產(chǎn)物的總稱。

烯烴：略帶甜味,有麻醉作用,對粘膜有刺激,形成有毒的光化學煙霧。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：刺激性物質(zhì)，對眼、呼吸道、血液有毒害。黑煙：燃油不完全燃燒生成的炭煙影響視線，危害呼吸系統(tǒng)，炭煙微粒吸附有SO2和多環(huán)芳烴，有致癌的危險藍煙和白煙：燃油或潤滑油的微粒藍煙：粒徑在0.5μm以下白煙：粒徑在1μm以上4）一氧化碳（CO）：無色、無嗅的有毒氣體。導致人體組織缺氧，嚴重時窒息死亡。5）二氧化硫（SO2）：燃油中的硫分在燃燒中的產(chǎn)物有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎癥。形成酸雨。3）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0.3μm，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，也會對人體造成損害4）一氧化碳（CO）：

無色、無嗅的有毒氣體。導致人體組織缺氧，嚴重時窒息死亡。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1．NOx：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NOx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.HC：包括燃油中的未燃烴類、裂解反應和再化合反應的產(chǎn)物、燃燒和氧化反應的中間產(chǎn)物（如醛、醇等）所組成的，少部分產(chǎn)生于潤滑油。HC的生成機理很復雜，由多種因素形成的。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.COCO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溫度，并在氧化劑存在的條件下，CO將繼續(xù)進行反應，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）反應著的氣體溫度突然過低；2）反應著的氣體突然缺氧；3）反應物停留在適合反應條件的時間過短。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.顆粒:也稱微粒（ParticulateMatter:PM）柴油機PM的組成取決于運轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。當排氣溫度較高時，它主要是碳質(zhì)微球的聚集體，一般稱之為碳煙（DrySoot:DS），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（SoluableOrganicFraction: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?！?.2控制船舶柴油機排放的有關(guān)法規(guī)上世紀70年代以來，由于環(huán)境污染的日益嚴重和人們對環(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性限制。主要內(nèi)容：一．國際海事組織（IMO）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)三．排放法規(guī)的實施對船舶柴油機動力裝置的影響一．國際海事組織（IMO）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NOx排放和SOx排放作出了相應的規(guī)定。1）關(guān)于NOx限值排放量的最高限制線，由三部分組成，

（1）NOx≤17g/(kW·h)低速機n＜130r/min；（2）NOx≤45.0×n-0.2g/(kW·h)中速機130r/min＜n≤2000r/min；（3）NOx≤9.8g/(kW·h)高速機n＞2000r/min。

圖5-2船用柴油機最大NOx排放量2）關(guān)于SO2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；SOx排放控制區(qū)域：波羅的海，英吉利海峽和北海。船舶在SOx排放控制區(qū)域，應滿足下列條件之一：(1)燃油的硫含量不超過1.5％m/m；(2)采用認可的廢氣濾清系統(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準，此時船舶的燃油注入、駁運系統(tǒng)應滿足在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”定為第一級的排放控制標準，在此基礎(chǔ)上又制定了另一套更嚴格的船用柴油機排放的限制標準。

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低于0.2%，到2010年1月后使用燃油的硫含量應低于0.1%；或使用排氣后處理措施達到相應的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準，其基本原則是以IMO的《73/78污染公約》附則VI“規(guī)則”所規(guī)定的限制指標為基準制定港口、航道費用的收費標準，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)隨著排放法規(guī)的實施以及排放法規(guī)的逐步嚴格，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1.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(NOx)排放的方法主要是機內(nèi)處理和機后凈化。機內(nèi)處理方法的關(guān)鍵是有效的控制燃燒過程；采用機后處理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.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：NOx與顆粒，其次是SOx。