船舶满足IMOTierⅢ技术探讨

罗志平，李聪玲

（广州广船国际股份有限公司，广州 511462）

1 前言

NO是无色无味、毒性不大的气体，但高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且NO排入大气后会逐渐被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿，甚至会导致生命危险。氮氧化合物NOX不仅造成一次污染，还会对环境造成二次污染，排放到大气中的NOX会形成光化学烟雾和酸雨，对人、植物、建筑物、水源等都有严重的污染和损害。可见，NOX对环境污染及人体健康的危害是极其严重的。大气中的NOX主要来自燃料燃烧，因此控制燃烧过程NOX的生成与排放是保护环境的根本方法。基于上述原因，柴油机排放物中的NOX对环境的严重污染引起了世界范围的普遍关注，因此限制其排放的法规亦越来越严格。

对于船舶，IMO TierⅢ氮排放标准将于2016在排放限制区进入强制实行阶段，TierⅢ对NOX排放将由TierⅡ的14.4 g /kWh下降为3.4 g /kWh，下降幅度之大前所未有。

目前NOX排放限制区有波罗的海、欧洲北海、北美洲沿海，未来可能增加墨西哥沿海、日本沿海、地中海、非洲南部沿海、澳大利亚沿海、加勒比海及马六甲海峡，这些区域都是航运要道，因此在2016年后全球大多数船舶都将要频繁穿越TierⅡ及TierⅢ区域，这就要求TierⅢ新技术必须能稳定及灵活运行。TierⅢ要求氮排放将比TierⅠ下降80%，而且TierⅢ要求监测主机运行区间内的每一点的NOX排放不能超过整个区间平均值的1.5倍，而通常为了减少微粒和黑烟的产生，低负荷运行区域的高NOX排放是允许的，因此这将对船舶行业造成严峻的挑战。

2 满足TierⅢ的技术手段

为满足TierⅢ要求，根据现有技术可以通过以下三种方式：主机技术、尾气后处理技术及选择合适的燃料及油品。

2.1 主机技术

2.1.1 NOX的生成机理

迄今为止，人们对NOX的生成机理进行了大量的研究，但尚未达成共识，比较容易接受的是前苏联科学家Zeldvich于1964年提出的机理：柴油机排放的NO并非来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气的反应，它是在氧气过剩的情况下由于燃烧室的持续高温而形成的，在膨胀和排气时有少量的分解，排到大气后遇氧形成NOX和其它氮氧化物。

按化学反应动力学方程和Zeldvich的实验结果可知：

NO生成速度与反应绝对温度（K）、T、N2的浓度（mol/cm3）[N2]及O2的浓度（mol/cm3）[O2]有关。由于燃料在空气中燃烧时，[N2]变化很小，故[N2]对NO生成速度影响很小； [O2]取决于燃烧过程中燃料与空气的当量比，所以燃烧过程的温度及当量比对NO的生成影响很大。因此，柴油机燃烧过程中喷射各区均可以生成NO，其生成浓度与局部温度、局部氮原子和氧原子的浓度、燃烧产物的冷却速度和滞留时间（即高温下所占燃烧循环的时间量）等因素有关。

从理论上讲，柴油机的NOX排放是无法避免的，但通过控制燃烧过程的最高温度和富氧空气在高温中的滞留时间等可以加以限制。根据NOX的生成机理，其相应的抑制手段有：

（1）降低燃烧温度，注意减少燃烧局部高温区；

（2）降低氧气浓度；

（3）使燃烧过程在远离理论空气比条件下进行；

（4）缩短烟气在高温区内的停留时间。

2.1.2 进气系统优化

对进气系统进行优化设计，主要目的是在提高充气效率的同时，降低燃烧温度，进而减少NOX的生成。本技术的根据是Miller循环在下止点前提前关闭进气阀，其显著效果是通过影响压缩比降低了在气缸压缩及膨胀阶段的温度，燃烧温度降低，NOX的生成自然减少。为了保持空气燃油比，即保持主机的热负荷，提高进气增压来补偿主机进气冲程提前关闭进气阀的进气损失。在Wärtsilä20的中速试验机上的双级进气增压系统上证明，在进气压缩率为9时，可以减少NOX排放约40%。

2.1.3 喷油系统的优化

喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOX排放的有效途径。

（1）优化喷油定时

NOX排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低NOX排放，但必须合理调整燃烧系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延迟喷油对经济性的不利影响，可采用较高的压缩比和较高的喷油压力。采用电控技术和根据运行工况调节喷油始点，可降低NOX的排放。

（2）优化喷油压力

提高喷油压力可有效地改善燃料的雾化性能，使燃烧过程得到改善，故可以补偿由于延迟喷油造成的油耗上升，但这又使延迟喷油以降低NOX排放的目的落空。为了减少NOX排放应该降低喷油压力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。

（3）优化喷油速度

当喷油提前角一定时，提高喷油速度，可以使柴油机产生的NOX较少。提高喷油速度与延迟喷油相结合亦可减少NOX的排放。另外，喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关，应综合权衡以谋求各参数的最佳值。

（4）优化喷孔结构

喷油器喷孔直径和数目对柴油机排放也有明显的影响。当循环供油量与启喷压力一定时，减少孔径会减少初期喷油量，抑制预混合燃烧和最高燃烧温度，以减少NOX的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情况下，增加喷孔直径或增加孔数，可降低流阻，改善燃油的雾化和分布，因而能降低NOX的排放。

2.1.4 燃烧室喷水冷却技术

水具有较高的比热，在燃烧过程中吸热可降低燃烧最高温度；水与油混合喷入燃烧室还可以降低燃油密度，从而使燃烧温度进一步降低。该技术在降低NOX排放的同时，还有利于改善燃油经济性和排气烟度，并有降噪的作用。喷水冷却有如下形式：湿化，使压缩空气成含水量饱和状态，可以减少NOX排放约40%；用超声波将燃油与水乳化后喷入燃烧室，这种方法可以减少NOX排放20%；通过附加喷嘴把水直接喷入燃烧室；在喷嘴的两个燃烧层之间填充水，并分层喷入燃烧室，可以减少NOX排放约50%。但如何控制喷水的时机、数量和喷嘴的腐蚀等问题还有待于进一步研究。

2.1.5 采用废气再循环技术

采用废气再循环(EGR)是降低NOX排放的一项极为有效的措施。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOX排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOX的生成。大约60%～70%的NOX是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOX是很有效的。废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上；废气再循环率为25%时，NOX排放可减少80%以上。但随着废气再循环率的增加，发动机燃烧速度变慢，燃烧稳定性变差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“热EGR”还可以同时减少HC和PM的排放，并且不会增加油耗，且在中、低负荷时净化效果更佳。由于EGR气门的升程信号会因气门座积碳而不能正确反映EGR量，其响应速度较慢，所以废气再循环量应通过进气流量和EGR气门的升程信号相结合来反映。

EGR系统在MAN4T50MEX试验机进行测试，可以减少超过85%的氮氧化物排放。采用EGR需要增加一些如下设备：氢氧化钠柜（2.0 m3/MW）、杂质柜（1.5 m3/MW）水处理系统（1.0 m3/MW）、收集柜（0.2 m3/MW）、接线箱（0.2 m3/MW）

2.2 尾气后处理技术

2.2.1 选择非催化还原（SNCR）

SNCR技术只能在一定的温度区间(800℃～1000℃)使用。而柴油机排气不可能达到这样高的温度，只能通过在柴油机膨胀过程中向气缸中喷入氨水来实现，但效果不很理想。该技术只是在发电厂得到了广泛应用，在柴油机上尚未应用。

2.2.2 非选择催化还原（NSCR）

NSCR技术是将还原剂(如氨气、尿素、HC)喷入排气管中，在催化转换器的作用下与废气中的NOX进行反应。由于废气中含氧量较高，还原剂很容易直接被氧化，故消耗量极大。

2.2.3 选择催化还原（SCR）

SCR的原理与NSCR相似，也是将NH3加入到高温废气中与NOX发生反应生成N2和H2O，只是催化剂配方不同。NOX的还原反应在选择性催化转化器中被加速，还原剂的氧化反应被抑制，这种方式被证明可以减少NOX排放达到90%以上。

尾气处理技术比较成熟，对于船舶来说，因为机舱空间的限制，最大的挑战是额外增加的尺寸、运行成本（尿素的消耗）及尾气温度的控制（接触氧化还原的温度要求）。发展趋势是和洗涤塔（S处理）统筹考虑，主机做成一体化，减少安装尺寸。

2.3 选择合适的燃料及油品

2.3.1 提高燃油十六烷值

十六烷值在柴油机燃料参数中对NOX排放影响最大。十六烷值较高时，由于其稳定性变差，极易裂解为碳烟。柴油机排气烟度较高，但其发火性能好，柴油机点火延迟期缩短，缸内温度与压力降低，NOX排放亦降低。当十六烷值从40提高到50时，NOX排放可降低10%左右。

2.3.2 使用柴油添加剂

在柴油中添加适量的硝酸盐、亚硝酸盐和各种过氧化物，可以提高燃料的十六烷值，缩短着火延迟期，使得NOX排放减少。但使用添加剂会导致二次污染。

2.3.3 使用代用燃料

可以采用醇类、氢气和天然气等代替柴油。柴油机燃用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，在中、低负荷时NOX的排量也很低。近年来可以作为柴油机代用燃料的醇类燃料很多，其中甲醇是目前应用最广的内燃机代用燃料。但如果不采用适当措施，柴油机排放的HC、甲醛将成为重要的排气污染物；以氢作为柴油机代用燃料时，NOX和其它污染物的排放都很低；燃用压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)，NOX和微粒排放可同时减少75%～80%；二甲基乙醚作为最新出现的液体燃料，其燃烧后无微粒产生且NOX的排放亦很低。目前Wärtsilä在其实验机上证明，使用双燃料技术，可以使NOX降低85%以上。

因此，对于船舶上的应用最可能的是选择压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)，但应用的挑战是燃气压缩至350bar的技术突破及民用普及。

3 结语

各种技术对减少NOX排放的效果，如图1所示。

综上可知，目前大多数NOX降低技术均不能充分达到IMO TierⅢ的要求，仅有废气再循环(EGR)、选择性催化还原（SCR）及双燃料技术能达到。但是由于尚不确定未来的燃油品质及尿素价格，现在还不能确定哪种技术最优。

IMO TierⅢ排放标准是极具挑战性的，根据现有的知识，高增压技术、混合燃料、尾气后处理技术将是未来技术的关键，是值得船舶行业重点关注的技术动向。

[1]MARPOL73/78防污公约附则Ⅵ[S].IMO.2005.

[2]MAN.二冲程机销售及市场广西北海研讨会.MAN（中国）.2012.

[3]周龙宝主编.内燃机学[M].北京:机械工业出版社.2006(1).