1、1本科毕业论文（20 届）关于 “育鲲”轮主机 NOx排放控制的改进措施浅析所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期2内容摘要摘要: 船舶柴油机尾气中含有大量NO X，严重破坏生态环境，随着IMO和各港口国对NO X的排放限制日趋严格，如何更加有效地减少甚至消除船舶柴油机尾气中的NO X排放值得深入研究。本文着重阐述了NO X排放的反应原理和分析了处理NO X较为有效地措施，如燃烧过程的改进、加水处理、废气后处理等。在此基础上，浅析了有利于降低“育鲲”轮NO X排放的可行性措施及相关建议。关键字: 船舶柴油机；NO X排放；控制技术ABSTRACT: The exhaust gas
2、of marine diesel engine contains a great deal of NOx , which destroys the ecological environments. How to reduce and eliminate the NOx emitting from marine diesel engine is under discussion. This paper mainly introduces the reaction principal for NOx emission, and analyzes some effective measures fo
3、r reducing NOx, for example, improving of the burning process, adding water, exhaust gas recirculation,ect. On this base, the effective measures and relative suggestions for “yukun” are as followed.Keywords: Marine diesel engine; NOxemission; Control measures3目录0 引言51 船舶柴油机的排放与危害51.1 船舶柴油机排气产生的主要污染物
4、 NOx的生成机理51.2 船舶柴油机排气产生的主要污染物 NOx的危害62 国际海事组织（IMO）关于船舶柴油机排放的有关规定及对其发展产生的影响62.1 国际海事组织（IMO）关于 NOx排放控制的有关规定62.2 排放法规的实施对船舶柴油机发展的影响73 船舶柴油机 NOx排放控制技术现状介绍73.1 燃烧过程的改进73.1.1 推迟喷射83.1.2 改变喷油嘴的设计方法83.1.3 废气再循环（EGR）93.2 加水处理93.2.1 燃油乳化93.2.2 扫气加湿93.2.3 直接喷水（DWI）103.3 废气后处理103.3.1 选择性催化还原（SCR）104 船舶柴油机 NOx净化
5、措施的比较与技术展望114.1 船舶柴油机 NOx净化措施的比较114.2 船舶柴油机 NOx净化措施的技术展望135 关于降低“育鲲”轮 NOx排放控制有效措施的相关建议14参考文献15致谢164关于 “育鲲”轮主机 NOx排放控制的改进措施浅析0 引言众所周知，船舶柴油机的尾气含有大量有害气体。图 1 为船用低速柴油机排气成分的组成。二氧化碳（CO 2） 、水(H 2O)、氮气(N 2)、氧气(O 2)占到排气体积总量的 99.8%，在其他成分中，主要是 NOx污染物。NO x对生态环境造成了严重的损害，随着船舶吨位、功率和数量的增加，船舶所造成的空气污染愈来愈引起人们的关注，如何更加有效
6、地控制 NOx的排放己经越来越多地被人们所重视。1 船舶柴油机的排放与危害1.1 船舶柴油机排气产生的主要污染物 NOx 的生成机理通常提到柴油机的 NOx污染指的是 NO 及 NOx的污染,且以 NO 为主,只有少量的 NOx(约NO 的 5%)。柴油在燃烧过程中产生大量的热,燃烧室中的温度可高达 3000，在如此高温条件下，被吸入燃烧室的新鲜空气中含有的大量氮气以及燃油本身含有的氮就可以和氧气反应生成 NOx，它们化学反应方程式可表示如下：O2=2O (1)5O+N2=NO+N (2)N+O2=NO+O (3)N+OH=NO+H (4)上述反应中的氧原子是氧气在高温分解时所产生的，氧原子的
7、存在诱发了 NO 生成的连锁反应。由于整个反应过程中，式（1）起决定作用，所以氧原子浓度以及反应温度对 NO的生成最为重要。NO 生成量还与反应时间有关，如果燃气在富氧和高温条件下停留时间长，NO 生成量必然增加。因此，影响 NOx排量的诸多因素中，其中燃烧室内的最高燃烧温度和过量空气的多少是主要因素，燃烧温度越高，NO x产量越大，减少 NOx的关键在于降低燃烧温度和减少混合气在高温中的滞留时间。1.2 柴油机排气产生的主要污染物 NOx 的危害柴油机排出的 NOx中，NO 约占 90%，NO 2只是其中很少的一部分。NO 无色无味、毒性不大，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且 NO
8、 排入大气后会逐渐被氧化为NO2。NO 2是一种有刺激性气味、毒性很强(毒性大约是 NO 的 5 倍)的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度高达 10010-6体积浓度以上时，会随时导致生命危险。 NOx和 HC 在太阳光作用下会生成光化学烟雾，NO x还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。此外，NO x还对各种纤维、橡胶、塑料、电子材料等具有不良影响。2 国际海事组织（IMO）关于船舶柴油机排放的有关规定及对其产生的影响2.1 国际海事组织（IMO ）关于 NOx 排放控制的有关规定为防止船舶造成大气污染，1997 年 9 月 26 日，IMO 缔约
9、国大会批准了 1978 年议定书修订的 1973 年国际防止船舶造成污染公约(简称73/78 防污染公约)，MARPLO 公约新增了附则 VI防止船舶造成空气污染规则 ，并通了船舶柴油机 NOx排放控制技术规则 ，作为对船舶柴油机试验、检验和发证的强制性要求。MARPOL 公约附则 VI 规定所有安装在 2000 年 1 月 1 日或以后建造、重大改装后的船上的输出功率超过 130kW 的柴油发动机(应急发动机，应急用设备及装置除外)，其 NOx排放的最高限制标准见下表。表 1 MARPOL 公约附则 VI 关于 NOx 排放的规定转速（单位：r/min） 排放率（单位：g/KWh）n130
10、NOx17.0130n2000 NOx45n(0.2)n2000 NOx9.8作为 IMO 组织的缔约国，2005 年 3 月 28 日，中国船级社发布关于实施 MARPOL 公约附则 VI 的技术信息通报 ，标志着 MARPOL 公约附则 VI 在我国范围内的正式全面实施。62008 年 3 月 3 日至 4 月 4 日，IMO 海洋环境保护委员会（MEPC，Maritime Environment Protection Committee）第 57 届会议（MEPC57）于在伦敦召开。会上批准了对 MARPOL 附则 VI 新的修正案，并出台了修订的 NOx技术规则，分阶段减少船舶有害气体
11、的排放。Tier I 适用于 2000 年 1 月 1 日后至 2011 年 1 月 1 日前安装在船上的发动机，即 NOx的排放量为17g/(kWh)；Tier II 适用于 201 年 1 月 1 日后建造或装船的发动机，将 NOx的排放量减少到 14.4g/(kWh)；Tier III 适用于 2016 年 1 月 1 日安装在船上的发动机，将 NOx的排放量减少 3.4g/(kWh)，但仅在排放控制区（Emission Control Area）适用，在非排放控制区，等级 II 仍然适用。具体如下表所示：表 2 IMO 柴油机排放主要污染物控制标准Total Weight of NO2
12、 Emission (g/ kWh)RPMn130 130n2000 n2000Relative NO2 Reduction from TierTier 17.0 45n(0.2) 9.8 CurrentTier 14.4 45n(0.23) 7.7 15.5%21.8%Tier 3.4 9n(0.2) 2.0 80%新规定的 NOx排放量要比现行标准 15.3%22.16%，2016 年后新安装的柴油机实行Tier标准，规定的 NOx排放量比现行标准低 80%。2.2 排放法规的实施对船舶柴油机发展的影响随着排放法规的实施以及排放法规的逐步严格，将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响
13、，甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。影响 NOx生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程，它和柴油机的结构、工作过程参数、运行工况、各辅助设备和系统的工作质量都有关系。降低 NOx排放的方法主要是机内处理和机后净化。机内处理方法的关键是有效的控制燃烧过程，目前的主要途径是推迟喷射、废气再循环（EGR）以及加水处理等方法，目前都可以满足规定的排放标准，但会使柴油机的热效率下降，运行经济性变差。采用机后处理方法虽然不会影响柴油机的热效率，但设备的增加必然引起船舶初造价的提高和船员维护管理工作的增加。3 船舶柴油机 NOx 排放控制技术现状介绍3.1 燃烧过程的改进研究表明在柴油机燃烧过程中，N
14、O x在燃烧温度大于 2300K 的富氧条件下生成，为了降低 NOx的排放，必须降低燃烧温度，这可通过在预混合燃烧阶段将可燃混合气量减少到最小程度来实现。因此，实践证明推迟喷射、改变喷油嘴的设计方法、废气再循环（EGR）措施是有效的。3.1.1 推迟喷射燃烧气体的后压缩是燃烧过程中影响 NOx生成的一个重要因素。当油和空气燃烧后，7达到高温，如果这些气体进一步被压缩就会达到更高的压力和温度，导致更多的 NOx生成。这个问题可以通过推迟喷油的办法来解决。这种方法可能是已知的最好的机内改造减氮方法，为了在大洋到沿海及港内区航行进行操纵转换方便(从节能态到环保态)，许多柴油机装备了燃油凸轮轴调节装置
15、。推迟喷油导致最高压力降低，最高燃烧温度下降，减少了燃烧之后的压力。但同时最高压力的降低意味着柴油机效率的降低，耗油率增加。针对二冲程机，比如 4RTA58T ,喷油每延迟 2曲柄转角就会导致大约 10bar 气缸最高压力的下降，10% NOx排气量的减少，耗油量将提高 3g/(kWh)。通过这种方法可获得的最大 NOx降低量为 25%左右。从耗油率增加的角度看，NO x的减少量是有限的，因为过高的废气能量也会导致透平超速。3.1.2 改变喷油嘴的设计方法喷嘴的设计对燃烧过程和 NOx排量有着明显的影响，喷嘴孔的朝向和尺寸决定了油雾的位置和弥漫度，以及蒸发、扰动、与空气的混合和燃烧的效果。各柴
16、油机设计者都进行了试验，设计了各种低 NOx的油阀和油嘴。见表 3：表 3 不同的油嘴和油阀形式在试验机上对 NOx 的影响12K90MC 在 90%负荷下燃油阀形式对 NOx 和 SFOC 的影响(1998)单位 标准喷油器 6-孔油嘴 滑式油阀NOx ppm 1594 1494 1232SFOC g/bhph 0.0 +0.4 +1.83.1.3 废气再循环（EGR）废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)，是指让发动机一部分排气引回到进气管，与新鲜空气混合后进入汽缸，作为工质参加汽缸内的热循环。EGR 作为控制 NOx排放的一项有效措施，越来越受到重视，对
17、柴油机采用 EGR 的研究已取得了一定的成果。废气循环之所以能使排气中 NOx浓度下降，研究认为是由于以下的因素：（1）柴油机排出的废气中，由于燃烧的消耗使氧含量减少，废气循环到气缸内，使燃烧时反应混合物中的氧含量与不循环时相比，有显著降低。由于燃烧和爆炸过程中，NO 的生成反应速度是与氧的浓度的平方根成正比，因此，NO 的生成反应速度降低，于是废气中NOx浓度也相应下降。（2）在废气中含有较多量的水蒸汽和 CO2。在高温下，水蒸汽和 CO2的比热比空气大得多。若燃料油的燃烧热值一定，燃烧混合气比热大者，会使燃烧过程达到温度(火焰温度)较比热小者要低。由于在燃烧和爆炸过程中，NO 的生成速度与
18、燃烧温度(绝对温度)成指数关系，因此燃烧温度的降低，导致废气中 NOx的浓度降低。如 4T50MX 柴油机，EGR 试验的结果表明：如果 15%的废气再循环，将导致发动机进口空气氧气浓度由 21%降至 18%，对 NOx的形成产生较大的影响。8图 2 为 EGR 系统布置，例 1、例 2 及例 3 分别为不同的布置方案。从原理上讲，废气既可在增压器前循环，也可在增压器后循环，但不论是哪种情况，引入再循环的废气，均需冷却(温度降到 160180)和清洁。废气循环法有这样一些特点：对废气的净化效率高，能有效地降低 NOx的排放；简单经济，便于应用；操作方便，易于控制；但如使用不当，也会招致冒烟和其
19、他有害排放物的增加；其次在船上使用时，含有未加处理的硫和未燃烧完的 HC、烟灰等污染物的冷却水排出液的处置，再循环废气对润滑油的污染，以及发动机的磨损等问题，仍需作进一步试验和研究。3.2 加水处理加水处理的原理是通过采取措施使一定量的水进入气缸，由于水的汽化潜热很高，可以在燃烧过程吸收大量的热量，从而降低最高燃烧温度，减少 NOx排放量，加水的方式主要有以下几种：3.2.1 燃油乳化研究证明，燃油掺水乳化能较大幅度地减少 NOx。标准设计的发动机，可以在满负荷时加入 20%的水。曾经试验过，油和水的比例可达到 1:1。实际使用时，如加到这样的水量，则需要对机器作一些改造。使用乳化燃油对发动机
20、工作性能的影响，随着机器型号不同而变化，但在一般情况下，增加一个百分点的水，将减少一个百分点的 NOx。燃油的乳化，必须在其进入燃油系统的循环回路前完成。水的增加量，根据排气中测得的 NOx来决定，因此需要对 NOx进行连续监测。对于采用燃油乳化措施的船舶，燃油系统应设置一个特殊设计的安全系统，当船舶失电时，将不会影响油及水乳化的稳定性。这样，机器再启动时，仍可使用稳定的乳化燃油，而无需切换到纯燃油状态。由于发动机是专门设计以水和重油乳化来工作的，所以采用一台大的燃油喷射泵和经改善的喷油嘴。为了防止燃油系统中低压部分的气化或气蚀，采用封闭的加压系统，还设置了定量给水系统和燃油均质器，其他和普通
21、发动机完全一样。使用中采用 22%的水与重油乳化，最高压力降低了 0.5MPa，满足了 EPA 关于 NOx排放的规定。对柴油机工作状况的调查结果发现，气罐磨损率(包括磨合期)在0.010.06 mm/1000h，平均为 0.03 mm/1000h，相当于缸套寿命为 120000h，排气阀、燃9油喷射泵和喷油器等部件的工作状况良好。燃油乳化技术也有其局限性，水和重质燃油的乳化比较容易取得，并且较稳定。但水与柴油、轻质柴油的乳化就困难了。当沿海航行需要强制采用低硫燃油时，若采用上述燃油掺水技术时，需设置专门的乳化装置。3.2.2 扫气加湿扫气加湿系统（Combustion Air Saturat
22、ion System）是一种向扫气中喷水的方法，水随着温度较高的压缩空气进入汽缸，水汽化吸热，降低了燃烧温度，从而减少 NOx的生成，其结构图 3 所示，利用这种方法最高可以减少接近 50%的 NOx排放，水的消耗量约为燃油消耗量的两倍。但是，因为在冷的扫气空气中，水不能完全蒸发，水珠打在气缸套内壁，容易造成其表面油膜的破坏和硫酸腐蚀。图3 CASS 原理图3.2.3 直接喷水（DWI）向燃烧室直接喷水是为了降低最高燃烧温度。由于烧用乳化油会产生乳化不稳定、影响喷油装置的可靠性和在“无水工作”时柴油机性能恶化等问题，所以 DWI 成为柴油机设计者集中采用的减少 NOx的方法。DWI 法包括并列
23、喷嘴式(油嘴和水嘴在同一喷射器上) 和双喷射器式(两个单独的喷射器)，根据 SULZER 的研究结果,并列喷嘴式的减 NOx效率更高。DWI 系统只需要纯净水和几个额外的设备装在柴油机上,即可满足 NOx的限量要求。其技术的关键是具有喷水功能的喷油器，喷水嘴置于喷油器之内,工作时按 0.40.7 的水油比一同喷入燃烧室中。喷水过程是先于喷油过程的，以便于有效地降低燃烧室中的温度,喷水过程也是先于喷油过程而停止的，这样自燃和燃烧过程将不会受到影响。此过程对柴油机各部件没有任何损害作用,柴油机也可以在需要时停止喷水，而只喷油工作，在任何负荷下均可进行无水喷油工作。DWI 具有以下优点:可在不影响功
24、率输出和各零件工作的情况下将NOx排量减少 50%60%,典型的 NOx排量为 46g/kWh(WDO)，57g/kWh(HFO)；它只需要很少的空间；安装成本也较低；在紧急情况下，可以迅速切断水进入，而不影响柴油机的工作。103.3 废气后处理废气后处理是对排出的废气在进入大气环境前进行处理，使废气中的有害成分的含量进一步降低。在此类方法中，通过催化转化技术降低 NOx的排放已经日趋成熟。3.3.1 选择性催化还原法（SCR）用氨作还原剂对含 NOx的气体进行催化还原处理，使氨能有选择地和气体中的 NOx进行反应，而不和氧发生反应，称为选择性催化还原法。利用选择性催化还原法来降低废气中的 N
25、Ox，废气在通过一层特殊的催化剂之前与氨相结合，温度为 300400，NO x还原为N2和 H2O。用 SCR 法净化 NOx时，主要发生以下反应：4NO 4NH3O 2=4N26H 2O （1）6NO28NH 3=7N212H 2O （2）图4为船用低速柴油机SCR系统的布置示意图。SCR的反应器为一个独立的装置，垂直于机旁，通过排气管和阀件与之连接。另一种可供选择的布置方式，是水平设置SCR反应器，置于增压器之上，对机舱的布置更方便。液氨、氨水、尿素都可用作还原剂。对于船用柴油机来说，需要安全且容易处理，采用尿素最合适。不论采用哪种还原剂，运行费用和贮存柜容量都是船舶设计和运行时所需考虑的
26、重点。NH 3是可燃性气体，因而其输送管路采用双层管壁并设有必要的透气装置。环形空间中置有NH 3漏泄监测器。喷入排气管中的氨量，由一台程序计算机控制，使氨的喷射量与发动机产生的NO x成比例。NO x的产生量与发动机负载的关系，在试验台试验时进行了测量。所取得的关系编入程序计算机，用来控制氨的剂量。氨的剂量随后按反馈系统基于所测得的NO x出口信号的偏压来进行调节。如果仅仅按NO x排出信号来控制氨喷射量，反应器调节NH3 剂量的响应太慢，会导致NO x和氨出口浓度的波动太大。SCR 反应器含有多层催化剂。催化剂的容量以及反应器的尺寸取决于催化剂的活性、所期望的 NOx 净化程度、NOx 的浓度、烟气压力和可接受的 NH3 溜失量等因素。船用 SCR 在较严峻的条件下工作，如采用低硫燃油、机器负载频繁迁移等影响因素较多。催化剂的耐用性，对维修时间和运行费用有重要的影响。SCR 系统利用选择性催化还原技术，对柴油机的废气作后处理，可降去高达 95%的
