李少珍

（廣東省環(huán)境保護(hù)基金會(huì) 廣東廣州 510660）

引言

目前，船舶大氣污染控制已列為國(guó)務(wù)院和省關(guān)于大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的重要措施之一。在這個(gè)提倡環(huán)境友好型社會(huì)的時(shí)代，為避免一大批排放超標(biāo)的船舶遭強(qiáng)制淘汰，造成資源浪費(fèi)，需要一種能有效降低排放，符合中國(guó)國(guó)情需要的船用節(jié)能減排處理裝置。[1]特別在廣東省，河流星羅密布，船運(yùn)行業(yè)規(guī)模宏大。所以強(qiáng)化移動(dòng)源污染防治，推進(jìn)船舶港口及其它機(jī)械設(shè)備的減排，實(shí)施遠(yuǎn)洋船舶和內(nèi)河船舶污染控制是大氣污染防治行動(dòng)的近期工作重點(diǎn)。

1 船舶柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)現(xiàn)狀

目前降低柴油機(jī)排放的主要措施分為機(jī)前處理、機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)后尾氣處理。機(jī)前處理主要是改善柴油品質(zhì)；機(jī)內(nèi)凈化則以改善燃燒過(guò)程為主，如增壓中冷、廢氣再循環(huán)、電控高壓燃油噴射、雙燃料以及均質(zhì)壓燃等。[2]由于柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)本身設(shè)計(jì)的改進(jìn)進(jìn)一步降低污染物排放有一定限度，而機(jī)后尾氣處理技術(shù)仍具有很大研究空間。國(guó)際研究發(fā)現(xiàn)顆粒物捕集器DPF是解決柴油機(jī)顆粒排放最有效的后處理技術(shù)。

顆粒捕捉器DPF（Diesel Particulate Filter）是用過(guò)濾器過(guò)濾尾氣中所含的顆粒物并進(jìn)行收集，顆粒物達(dá)到一定量后就進(jìn)行燃燒并將之轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸寂懦?。DPF技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于重型柴油機(jī)車輛和非道路移動(dòng)機(jī)械，但是船舶柴油機(jī)的尾氣排放環(huán)境十分復(fù)雜，直接將車用移植到船用，有許多關(guān)鍵技術(shù)需要研究解決。首先是船舶柴油機(jī)尾氣的氣體溫度高，排放量大，同時(shí)船舶的振動(dòng)和噪音也會(huì)使機(jī)器、儀表工作失常、失靈與損壞，因此消化吸收該技術(shù)，并移植應(yīng)用于船舶柴油機(jī)作尾氣后處理的關(guān)鍵技術(shù)是要解決尾氣高溫和抗振問(wèn)題，重點(diǎn)是解決過(guò)濾材料間接高溫及熱沖擊，具有足夠的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱裂、及抗熔融等問(wèn)題，最終將柴油車用排放控制催化技術(shù)移植至船舶柴油機(jī)上，且以多項(xiàng)技術(shù)集成于一套裝置內(nèi)，如DOC+CSF+DPF等，全面解決船舶柴油機(jī)的CO、HC、NOX和PM等尾氣減排和凈化問(wèn)題。

現(xiàn)研究對(duì)象主要為廣東省內(nèi)河的全部船舶，數(shù)量巨大，規(guī)模不同，種類繁多，在進(jìn)行DPF系統(tǒng)設(shè)計(jì)前有必要對(duì)船舶柴油機(jī)的類型進(jìn)行調(diào)研，研究適合于不同柴油機(jī)的DPF系統(tǒng)。[3]根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)不同的船舶類型、船齡、噸位、價(jià)格等信息，選取數(shù)量最多，經(jīng)濟(jì)性最高的柴油機(jī)類型作為主要研究對(duì)象。考慮到經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，適當(dāng)淘汰一部分船齡較大、運(yùn)行成本高、收益低、經(jīng)濟(jì)性差的船舶。根據(jù)選取的不同類型研究設(shè)計(jì)適合于它們的不同的DPF系統(tǒng)。

本文旨在探討一種新型船用柴油機(jī)DPF尾氣處理裝置，即DOC+DPF系統(tǒng)。DOC系統(tǒng)加入催化劑進(jìn)行被動(dòng)再生，除去尾氣中的可溶性氣體HC、CO等，以及碳煙中大部分顆粒物。將DOC系統(tǒng)和DPF系統(tǒng)組合起來(lái)作為一個(gè)DPF系統(tǒng)來(lái)降低船舶柴油機(jī)尾氣排放，從而實(shí)現(xiàn)DPF的集成優(yōu)化。

2 新型船舶柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)分析

最近幾十年內(nèi)，柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性得到了快速的發(fā)展，然而其排放控制卻一直是其最大的難題。因此對(duì)船用DPF尾氣處理裝置進(jìn)行如下幾項(xiàng)研究。

2.1 對(duì)DPF系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)DOC、DPF結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

采用DOC、DPF結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過(guò)DOC將柴油機(jī)排放出的CO、HC轉(zhuǎn)化成無(wú)害的水和二氧化碳。DOC里的載體孔道暢通，所以尾氣可以很順暢的通過(guò)孔道，此時(shí)PM中的可溶性有機(jī)物，及HC、CO在催化劑的作用下被快速氧化，含量有效地降低。再通過(guò)陶瓷壁流式顆粒捕集器DPF，將PM捕集在DPF內(nèi)，達(dá)到減少污染氣體及碳煙顆粒物排放的目的，使排除的尾氣達(dá)到歐Ⅳ的排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 對(duì)過(guò)濾器材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，研發(fā)高效過(guò)濾器

2.2.1 過(guò)濾器材料的研究

微粒過(guò)濾器不僅經(jīng)常處于溫度變化的排氣中，而且在進(jìn)行再生處理時(shí)，微粒的燃燒要釋放出大量的熱，溫度可高達(dá)1000℃以上。因此，過(guò)濾材料應(yīng)能承受高溫及熱沖擊，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱裂及熔融等性能。過(guò)濾材料損壞的主要形式是材料軟化、局部因高溫融粘及產(chǎn)生裂紋。[4]對(duì)過(guò)濾體材料研究的對(duì)象有壁流式蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維氈、泡沫合金、金屬纖維氈。綜合以上對(duì)各種過(guò)濾體材料的性能分析，壁流式蜂窩陶瓷擁有更高的過(guò)濾效率且化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿及有機(jī)溶劑，有極好的耐急熱急冷性能；工作溫度可高達(dá)1000℃；抗菌性能好，不易被細(xì)菌降解，不易堵塞且易再生；較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，孔徑分布狹窄，滲透率高?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，本文推薦采用壁流式蜂窩陶瓷作為過(guò)濾體材料。

2.2.2 對(duì)過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的研究

過(guò)濾器需要具備能夠完全過(guò)濾大小不一的微細(xì)顆粒物的結(jié)構(gòu)，它在排氣管路中，要受到熱膨脹、振動(dòng)以及由此產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，所以它必須有可靠性。過(guò)濾器的成本高，應(yīng)有足夠的壽命及較好的再生技術(shù)措施，在長(zhǎng)期的使用后，仍能保持較高的過(guò)濾效率。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮以上因素的同時(shí)要盡可能減小捕集器的外形尺寸，并使其具有一定的通用性。為保證后處理系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)的良好匹配，除了良好的材料性能外，還可以通過(guò)過(guò)濾通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低背壓，提高顆粒捕捉效率，增強(qiáng)整套系統(tǒng)的耐久能力，提升系統(tǒng)性價(jià)比。

可對(duì)船舶尾氣處理裝置之中過(guò)濾體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化研究，其中ACT孔道過(guò)濾體可以在不增加顆粒捕集器裝置尺寸的條件下，擁有比傳統(tǒng)過(guò)濾體更低的氣流阻力，結(jié)合過(guò)濾體的對(duì)PM顆粒捕集和再生的關(guān)系，提高過(guò)濾效率，對(duì)過(guò)濾體單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。

2.2.3 對(duì)再生技術(shù)進(jìn)行研究

現(xiàn)有的DPF技術(shù)主要由顆粒物捕集和顆粒再生兩部分組成。

微粒捕集器的捕集機(jī)理是主要利用過(guò)濾器過(guò)濾尾氣中所含的顆粒物并進(jìn)行收集。顆粒物達(dá)到一定量之后，就進(jìn)行燃燒將之轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸迹–O2）排出。過(guò)濾體不會(huì)自動(dòng)清除捕集到的微粒物質(zhì)，隨著沉積微粒量的增加，會(huì)造成排氣背壓的升高，從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。所以當(dāng)過(guò)濾體內(nèi)的微粒達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行清除，該過(guò)程被稱為微粒捕集器的再生過(guò)程。

捕獲的顆粒物的燃燒方法大致分為兩類。分別為“捕獲再生切換式”及“連續(xù)再生式”。利用2個(gè)過(guò)濾器交替進(jìn)行PM捕獲及燃燒（再生），交替進(jìn)行該方式被稱為“捕獲再生切換式”。采用催化劑技術(shù)的連續(xù)再生式顆粒捕捉器，在過(guò)濾器的尾氣流入孔內(nèi)壁上，涂布貴金屬催化劑及基礎(chǔ)金屬，一邊捕獲顆粒物，一邊使用尾氣進(jìn)行連續(xù)燃燒?；蛘咴谶^(guò)濾器前方設(shè)置白金類氧化催化劑層，利用尾氣中的氮氧化物（NOx）經(jīng)過(guò)催化劑層生成二氧化氮，在過(guò)濾器內(nèi)捕獲顆粒物，同時(shí)使用生成的二氧化氮燃燒顆粒物，最大的特點(diǎn)在于，“不是用氧燃燒。

結(jié)語(yǔ)

船舶柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)是當(dāng)今的一個(gè)重大課題。通過(guò)研究，采用DPF+DOC系統(tǒng)的船舶柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)，可使尾氣中的污染物大幅度降低，可為全國(guó)船用柴油機(jī)尾氣處理裝置的研究提供有益經(jīng)驗(yàn)和借鑒。