船舶柴油机的排放污染 (1)

关于船舶柴油机的排放污染
新乡海运学校
袁洪岩
柴油机排放论文
分类:轮机教研室论文
摘要：通过对船舶柴油机排放污染物及其危害介绍，并对其控制措施进行简要分析，为控制船舶柴油机的排放污染提供了一个较为有效的途径。

关键词：排放；船舶柴油机；污染；
一引言
随着船舶运输业的发展，船舶柴油机的排气对大气环境的污染日益加剧。

据瑞典资料导报统计，一台船用中速柴油机，以每年运转4000小时计算，月产生1500吨的NO x。

在全球范围内，船舶柴油机的排气引起的大气污染约占5～10%，局部地区（如挪威）已达30～40%。

国际海事组织（IMO）在1997年9月审议通过了《MARPOL73/78公约》的新增附则Ⅵ《防止船舶造成大气污染规则》，对船舶柴油机的排放提出了严格的限制。

因此，控制船舶柴油机的的排气污染已刻不容缓。

二、船舶柴油机的排放污染及其危害
1、废气的有害成分
柴油机排出的废气是由燃烧产物与剩余空气组成的。

可分为有害成分和无直接危害（简称无害）成分两类，无害成分有二氧
化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）、过量空气以及残余氮（N2）等；有害成分又称污染物，包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO x）、碳氢化合物（HC）、二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）、臭氧和微粒物质等。

我国有关标准把废气中的有害成分及CO2和碳烟等统称为排放物，简称排放。

2、柴油机排放物的危害
（1）氮氧化物（NO x）：柴油机排气中的氮氧化物90％以上是NO，少量是NO2，因此用NO x表示。

NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中会缓慢氧化成NO2，NO2是一种棕色的刺激性气体，对肺和心肌有很强的毒害作用。

NO2是在地面附近形成光学烟雾的主要因素之一。

（2）碳氢化物（HC）：HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化的产物，如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等数百种成分。

烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。

烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，它是与氮氧化物一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的光化学烟雾的罪
魁祸首之一。

芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃（PAH）及其衍生物有致癌作用。

醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。

（3）微粒：柴油机排出的微粒物质主要有黑烟、蓝烟和白烟。

黑烟是燃油不完全燃烧生成的碳烟。

黑烟不但影响视线，对人的呼吸系统产生危害，而且由于在碳烟微粒的孔隙中吸附有SO2和
多环芳香烃，有致癌的危险。

蓝烟和白烟往往发生在柴油机起动和低负荷运转时，它们都是燃油或润滑油的微粒，但粒度不同，蓝烟颗粒更细小。

在蓝烟和白烟排出的同时，由于有燃烧中间生成物（如甲醛等）排出，故有刺激性与臭味。

（4）一氧化碳（CO）：CO是无色无嗅的有毒气体。

吸入人体后能与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白，导致人体组织缺氧，发生恶心、头晕等，严重时窒息死亡。

在柴油机的排气中CO含量较少，只在高负荷运转时排放量较高。

（5）二氧化硫（SO2）：SO2是燃油中的硫分在燃烧时的产物。

它具有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎症。

另外，它进一步氧化的产物SO 3与水分作用产生硫酸并形成酸雨。

三船舶柴油机排放污染的控制措施
柴油机排放污染的控制，重点是NO x与颗粒，其次是HC 。

但NO x与颗粒之间存在相互关联的关系，即在一方改善的同时另一方会恶化，这就为柴油机的排放控制造成了特殊的困难。

大量研究表明，要有效地控制柴油机有害物的排放，必须从柴油机燃烧过程的改进、排气后处理及改善燃油品质入手。

1、燃烧过程的改进
研究表明，在柴油机燃烧过程中，碳粒在燃烧温度大于1500K，过量空气系数小于0.6的过浓混合气中形成，NO x在燃烧
温度大于2300K 的富氧条件下生成。

因此，要同时降低 NO x和颗粒排放，需寻找一个同时满足限制NO x和颗粒生成的条件。

为了降低NO x 排放，必须降低燃烧温度，这可以通过在预混合燃烧阶段将可燃混合气量减到最小程度来实现。

为了降低颗粒排放物，在扩散燃烧阶段必须保持良好的燃油和空气的混合以及高的火焰温度来实现。

为了达到上述目的，在柴油机中，采用高压喷射、引导喷射、电控喷射、废气再循环、直接喷水等证明是有效的。

1）高压喷射：高压喷射对控制排放是极其重要的。

高压喷射采用较常规高得多的喷射压力（大于150MPa ），小喷孔直径，较大的燃烧室开口，短的喷油持续期。

研究表明，高压喷射改善了雾化质量，加大了喷油速率，增加了卷入油束的空气量，燃油与空气的混合和燃烧速度加快，颗粒排放显著降低。

高喷射压力和短喷油持续期可在喷油终点保持不变的情况下推迟喷油定时，从而在保证燃油消耗率和颗粒排放不变的情况下使最高燃烧压
力和NO x排放量降低。

2）电控喷射及引导喷射：既保证发动机性能又抑制NO x和颗粒的生成。

3）废气再循环：废气再循环是实现低NO x排放的重要措施。

采用废气再循环后，由于进气中氧浓度降低而使其热容量增加，以获得较低的燃烧温度从而降低NO x的生成。

但随着废气再循环量的增加，燃烧过程会变慢以致使颗粒排放和油耗率增加。

电控
废气再循环和高压喷射是解决NO x和颗粒之间矛盾的有效措施之一。

4）直接喷水：直接喷水技术采用双喷嘴油头，一个喷油，一个喷水，水油比为0.4-0.7 ，将油水分层喷入气缸，这可以降低燃烧温度从而降低NO x。

喷水系统可以随时开关而不影响柴油机的运转。

5）新型燃烧方式：柴油机缸内混合气的不均匀性必然产生高的NO x排放，这主要是由于柴油机燃烧的主体是扩散燃烧，火焰前锋实际上是α≈1.0 的扩散火焰，其温度高达 2700K，极有利于NO x的生成。

为解决这一问题，近年来出现了许多新型燃烧方式，如“两阶段燃烧系统”和“稀薄燃烧系统”等。

2、排气后处理
排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。

柴油机排气后处理，一方面是对碳烟等微粒的捕集，如水洗法、静电分离法、离心分离法以及微粒过滤法等，另一方面是通过催化转化的方法使NO x还原为N2和O2。

即用来降低 NO X 的选择性还原催化转化器(SCR, Selective Catalytic Reduction)。

这是目前可以大幅度降低NO x 排放的最有效方法。