劉鴻鋒 徐 灝 陳瑤姬 季經(jīng)偉

（浙江天地環(huán)保科技有限公司浙江杭州310003）

船舶柴油機(jī)排氣狀況及污染物治理探討

劉鴻鋒 徐 灝 陳瑤姬 季經(jīng)偉

（浙江天地環(huán)?？萍加邢薰菊憬贾?10003）

本文收集了船用柴油機(jī)排放現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)外關(guān)于船舶排放標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析。針對(duì)某萬噸級(jí)貨船，在其柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，對(duì)柴油機(jī)排氣進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOX和PM排放濃度較高。分析了船舶柴油機(jī)中SOX、NOX和PM三大污染物的生成機(jī)理，并就其控制技術(shù)分別進(jìn)行了研討。

船舶柴油機(jī)；排氣；污染物治理

1 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球80%的國(guó)際貿(mào)易都是通過船舶來運(yùn)輸完成的，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是全球船舶的推進(jìn)動(dòng)力及電力的主要來源。中國(guó)是一個(gè)造船大國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)內(nèi)河航運(yùn)資源比較豐富的國(guó)家，擁有大、小天然河流5800多條，河流總長(zhǎng)43×104km，其中流域面積在1000km2以上的有80多條。船舶的柴油消耗量約占非道路用途柴油的15%。柴油機(jī)排氣中的有害成分有CO、HC、NOX、CO2、SOX及顆粒物（PM）。根據(jù)中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院正在開展的《船舶和港口空氣污染防治研究項(xiàng)目》的初步研究成果，內(nèi)河船舶排入大氣的污染物（僅估算柴油機(jī)船舶部分），NOx排放81×104t/a，PM排放6.6×104t/a，SOX排放約10×104t/a。船舶排放的NOX和PM占整個(gè)非道路移動(dòng)源的大氣污染分擔(dān)率分別為13.32%和17.63%[1]。

目前，我國(guó)對(duì)大氣環(huán)境污染日益重視，并在《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中明確提出了船舶污染防治的要求，開展船舶大氣污染物排放控制技術(shù)的研究變得尤為重要。“選擇性催化還原法（SCR）船用低速柴油機(jī)尾氣氮氧化物(NOx)凈化裝置”以及“大功率柴油機(jī)接觸氧化還原法（SCR）脫硝裝備”已被列入“國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄（2014年版）”（工信部聯(lián)節(jié)[2014]573號(hào)）。

2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際海事組織（IMO）于1997年通過了MARPOL73/78公約附則Ⅵ——防止船舶造成大氣污染規(guī)則，該規(guī)則已于2005年5月19日正式生效。2008年10月，在MEPC58次會(huì)議上又討論通過了附則Ⅵ的修正案，該修正案對(duì)船舶NOX和SOX的排放提出了嚴(yán)格要求。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ中明確了氮氧化物排放限值的三個(gè)階段，即TierI、TierII和TierIII。各階段排放限值情況見圖1。其中，橫坐標(biāo)為船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（單位：rpm），縱坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放量（單位：g/kW·h）。

圖1 MARPOL73/78公約附則Ⅵ對(duì)NOX排放要求

限制船用柴油機(jī)排放的國(guó)際海事組織TierII標(biāo)準(zhǔn)于2011年1月起開始實(shí)施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約20%；Tier III標(biāo)準(zhǔn)于2016年實(shí)施，要求氮氧化物排放量比Tier I階段降低約80%。面對(duì)已經(jīng)生效的Tier III排放法規(guī)，各國(guó)船用柴油機(jī)制造商都在積極開展研究工作并制定應(yīng)對(duì)措施。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ中對(duì)于SOX按照控制區(qū)域范圍、實(shí)施時(shí)間進(jìn)行分類控制，總體趨勢(shì)是越來越嚴(yán)格，具體要求見表1。

表1 MARPOL73/78公約附則Ⅵ對(duì)SOX排放要求

2.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

由國(guó)家環(huán)保部科技標(biāo)準(zhǔn)司組織制定了《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第一、二階段)》（二次征求意見稿）。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了船舶裝用的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及氣體燃料（如：天然氣）點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法。適用于內(nèi)河船、沿海船、江海直達(dá)船和海峽[渡]船裝用的額定凈功率大于37kW的第1類和第2類船機(jī)（包括主機(jī)和輔機(jī)）的型式核準(zhǔn)、生產(chǎn)一致性檢查和耐久性要求。

該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)CO、HC、NOX和PM的要求分別見表2、表3。

表2 船機(jī)排氣污染物第一階段排放限值

表3 船機(jī)排氣污染物第二階段排放限值

其中，第一階段自2017年1月1日起執(zhí)行，第二階段自2020年1月1日起執(zhí)行。執(zhí)行日期之后12個(gè)月起，所有銷售、進(jìn)口和投入使用的船機(jī)（含作為配件的船機(jī)），其排氣污染物排放應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求。凡不滿足本標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)階段要求的船機(jī)不得銷售、進(jìn)口和投入使用。

2016年3月30日，浙江省政府辦公廳印發(fā)《浙江省船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，宣布2016年4月1日起，船舶到控制區(qū)圖十個(gè)港區(qū)靠岸停泊期間（靠港后的1h和離港前的1h除外）應(yīng)使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。鼓勵(lì)船舶在靠岸停泊期間使用硫含量≤0.1%m/m的燃油，鼓勵(lì)船舶進(jìn)入排放控制區(qū)期間使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。

1.3 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)控制的內(nèi)河船機(jī)，除了要控制NOX，還要控制CO、HC和PM，控制要求比IMO TierII項(xiàng)目多，從NOX限值看，單缸排量小于20L的船機(jī)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的控制要求比IMO TierII嚴(yán)格；單缸排量大于20L小于30L的船機(jī)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的控制要求和IMO TierII的要求大致相當(dāng)。IMO TierII排放水平與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的比較見表4。

表4 IMO TierII排放水平與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的要求的比較

3 船舶柴油機(jī)排放測(cè)試

3.1 船舶基礎(chǔ)資料

為了解目前大功率低速船舶柴油機(jī)排放情況，以某貨船為研究目標(biāo)，對(duì)其柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣情況進(jìn)行實(shí)測(cè)。該船總噸位33147t，凈噸位18562t，結(jié)構(gòu)吃水時(shí)的載重量為56772.7t，滿載排水量68268.4t，空載排水量11495.7t。主發(fā)動(dòng)機(jī)為滬東重機(jī)有限公司生產(chǎn)的MAN B&W 6S50MC-C8型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)一臺(tái)，額定功率9960kW，額定轉(zhuǎn)數(shù)127r/min，6缸，缸徑500mm，沖程2000mm。燃料采用F0重柴油，燃油含硫量不大于0.504%。

3.2 測(cè)試儀器和測(cè)試點(diǎn)位置

表5 相關(guān)測(cè)試儀器

圖2 主煙道以及測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

共設(shè)置了A、B兩處測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)A位于船舶最上層煙囪一側(cè)，在該處用嶗應(yīng)3012H對(duì)主排氣管道出口處煙氣情況進(jìn)行檢測(cè)；測(cè)試點(diǎn)B位于主柴油機(jī)排氣總管溫度計(jì)螺口處，在該處德圖、熱電偶對(duì)柴油機(jī)排氣口處煙氣情況進(jìn)行檢測(cè)。主煙道及測(cè)試點(diǎn)位置示意圖如圖2。

3.3 測(cè)試結(jié)果

在船舶穩(wěn)定前進(jìn)工況下，其柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放測(cè)試結(jié)果具體見表6。

表6 測(cè)試結(jié)果匯總表

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該船舶煙氣污染物排放量大，其中在柴油機(jī)80%額定轉(zhuǎn)速工況下，排放較大的主要污染物為NOx、SO2、PM，其平均排放量分別為：19.05g/kW·h、5.06g/kW·h和200mg/Nm3，其中NOx排放高于Tier I標(biāo)準(zhǔn)所限定的排放值；在90%額定轉(zhuǎn)速工況下，PM排放急劇增加，污染嚴(yán)重。

由于該船發(fā)動(dòng)機(jī)功率和單杠容量都超過了國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)管理范疇，因此參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IMO TierIII的要求，即NOx排放應(yīng)小于3.4 g/kW·h，則船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的脫硝效率不低于82.2%。

4 船舶柴油機(jī)排氣污染物治理措施

根據(jù)對(duì)船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排氣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其尾氣中主要污染物為SOx、NOx、和PM。對(duì)這三種污染的治理技術(shù)和脫除措施分析如下[2][3][4][5][6]：

4.1 SOx脫除

SOx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。對(duì)SOx排放的控制主要分為前處理和后處理兩個(gè)途徑，其中前處理就是通過化學(xué)方法降低燃油的含硫量，后處理技術(shù)途徑就是通過尾氣后處理裝置。

在后處理技術(shù)控制SOx排放方式中，SOx洗滌器技術(shù)被認(rèn)為是最有效的方法之一。SOx洗滌技術(shù)主要分為兩種：干式洗滌和濕式洗滌。干式洗滌一般采用生石灰或熟石灰作為SOX的吸收劑，濕式洗滌是指使用海水或處理過的淡水作為吸收劑去除排氣中的SOx。濕式洗滌的脫硫效率普遍高于干式洗滌，如采用濕式洗滌，船舶燃用3%含硫的燃油也可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此對(duì)于船舶柴油機(jī)排氣中SOx推薦采用濕式洗滌技術(shù)。

4.2 NOX脫除

船舶柴油機(jī)中生成的NOX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。要控制NOX的排放，可以從其生成機(jī)理和性質(zhì)兩個(gè)方面進(jìn)行，可分為機(jī)內(nèi)燃燒控制和機(jī)外排氣凈化。

機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)是指在可燃混合氣體燃燒之前采取的降低污染物排放的措施，主要包括直接噴水法（DWI）、廢氣再循環(huán)（EGR）、增壓中冷技術(shù)、濕空氣動(dòng)力系統(tǒng)（HAM）、水乳化燃料（FWE）、液化天然氣（LNG）、燃油電噴技術(shù)（FAI）、集成排氣歧管（IEM）等。機(jī)外排氣凈化技術(shù)是在機(jī)內(nèi)控制的基礎(chǔ)上為了進(jìn)一步降低排放量采取的措施，包括選擇性催化還原技術(shù)(SCR)、廢氣洗滌法等。各種減排技術(shù)的潛力對(duì)比見圖3。

圖3 船舶主要的NOX減排技術(shù)及減排潛力

根據(jù)國(guó)外權(quán)威柴油機(jī)廠商研究，依據(jù)目前的技術(shù)水平和狀況，僅僅憑借直接噴水法（DWI）、增壓中冷等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已很難滿足MARPOL公約附則Ⅵ的要求，機(jī)外控制技術(shù)的應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)。SCR作為排氣后處理技術(shù)在工業(yè)中已廣泛應(yīng)用，可有效去除NOX高達(dá)90%，是目前降低NOX排放的最有效方法，也是為數(shù)不多能夠使船舶柴油機(jī)滿足MARPOL公約附則Ⅵ中TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)的減排技術(shù)?？紤]到日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，建議采用SCR技術(shù)對(duì)船舶柴油機(jī)排氣中NOX進(jìn)行高效脫除。

4.3 PM脫除

柴油機(jī)排放的PM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。燃油乳化和顆粒捕集器技術(shù)是目前降低柴油機(jī)PM排放的主要技術(shù)。

燃油乳化是將燃油摻水形成乳化油在柴油機(jī)中進(jìn)行燃燒，乳化油噴入氣缸后，一方面由于水的比熱容較大，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，抑制了NOX的生產(chǎn)。另一方面，霧化的燃油噴入氣缸后，形成了油包水的油水乳化液。微爆效應(yīng)使油和水獲得了二次霧化、擴(kuò)散和均化，燃料油在空氣中分布更加均勻，空氣利用率高。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放也得到了有效降低。國(guó)外研究表明，使用含水量40%的乳化油，可同時(shí)降低30%的NOX排放和80%的PM排放。

顆粒捕集器安裝在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中，通過過濾來降低排氣中PM排放。其捕集效率主要受到過濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)、柴油機(jī)運(yùn)行工況、柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間等因素影響。隨著過濾體內(nèi)顆粒不斷積累，排氣背壓升高，發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，所以必須適時(shí)清除過濾體中沉積的顆粒，使排氣阻力恢復(fù)到或接近原來的水平，即實(shí)現(xiàn)過濾體的再生。

5 結(jié)語

（1）船舶柴油機(jī)排氣中有大量污染物，隨著國(guó)內(nèi)外航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶柴油機(jī)排氣污染物治理顯得非常重要。（2）針對(duì)某萬噸級(jí)貨船的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示排氣中的NOX和PM排放較高，污染嚴(yán)重。（3）通過對(duì)船舶柴油機(jī)中SOX、NOX和PM三大污染物的生成機(jī)理進(jìn)行分析，分別提出了相應(yīng)的控制措施。

[1]船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）標(biāo)準(zhǔn)編制組.船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）:（二次征求意見稿）編制說明.

[2]楊極,程釗.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放后處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī),2007,(4):45-48.

[3]趙明哲,張躍文,仉大志,等.SCR技術(shù)在船舶柴油機(jī)上的應(yīng)用[J].船舶工程,2013,(1):51-54，67.

[4]吳金源,董以敏.船用大功率柴油機(jī)排放凈化和控制[J].鐵道機(jī)車車輛,2003,(23):105-108.

[5]龐海龍,鄧成林,姚廣濤,等.船用柴油機(jī)有害物排放控制技術(shù)[J].船舶工程,2011,(33):21-24,32.

[6]周松,肖友洪,朱元清.內(nèi)燃機(jī)排放與污染控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.

劉鴻鋒（1988—），男，浙江溫嶺人，助理工程師，從事煙氣環(huán)保工藝設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

徐灝（1978—），男，河南安陽人，高級(jí)工程師，從事環(huán)保設(shè)計(jì)與新技術(shù)研發(fā)工作。

陳瑤姬（1984—），女，浙江玉環(huán)人，工程師，從事環(huán)保設(shè)計(jì)和新技術(shù)研發(fā)工作。

季經(jīng)偉（1991—），男，助理工程師，從事環(huán)保項(xiàng)目管理與技術(shù)研發(fā)工作。