III船用柴油機(jī)氮氧化物的形成機(jī)理及排放控制技術(shù)分析摘要目前隨著全球工業(yè)的迅猛發(fā)展，伴隨的大氣污染給人類帶來(lái)的危害愈發(fā)嚴(yán)重，社會(huì)的環(huán)保意識(shí)也逐漸加強(qiáng)，船用柴油機(jī)尾氣污染引起了國(guó)際范圍內(nèi)的關(guān)注和重視，同時(shí)國(guó)內(nèi)減排的法規(guī)的逐漸完善，也將減排技術(shù)需求能更進(jìn)一步這點(diǎn)提上了日程。該文主要著筆于船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，并淺述論辯有關(guān)于船用柴油機(jī)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的法律法規(guī)及其變化趨勢(shì)和未來(lái)的適用場(chǎng)景。然后詳細(xì)著筆于幾種種船用柴油機(jī)氮氧化物排放技術(shù)，并通過(guò)對(duì)比不同技術(shù)的優(yōu)劣，提出不同要求下的船舶為了符合當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)法規(guī)的可采用的氮氧化物控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：選擇性催化還原系統(tǒng)；氮氧化物；廢氣再循環(huán)系統(tǒng)目錄第1章緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2第2章船用柴油機(jī)面臨的NOx減排形勢(shì) 32.1第一階段 32.2第二階段 42.3第三階段 42.4其他 5第3章船用柴油機(jī)NOx的形成及危害 53.1NO形成機(jī)理 53.1.1高溫NO的形成 63.1.2燃料NO的生成 73.1.3瞬發(fā)NO的生成 73.2NO2形成機(jī)理 83.3NOx的危害 8第4章船用柴油機(jī)主要NOx排放控制技術(shù) 94.1廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR） 94.2選擇性催化還原法（SCR） 134.3對(duì)比EGR與SCR性能及經(jīng)濟(jì)性 174.4其他控制技術(shù) 184.5使用LNG燃料等清潔燃料 19結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 21第1章緒論1.1課題研究背景及意義在現(xiàn)代背景下的繁榮國(guó)際貿(mào)易和國(guó)際物質(zhì)流通中，水運(yùn)憑借，價(jià)格便宜，運(yùn)貨量大等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成功占據(jù)了國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸方式中90%左右的市場(chǎng)份額。二戰(zhàn)之后，得益于科技發(fā)展和國(guó)際社會(huì)總體安穩(wěn)，國(guó)際貿(mào)易分量開始急速拓張，隨之而來(lái)便是帶動(dòng)全球航運(yùn)業(yè)的欣欣向榮。但在實(shí)際運(yùn)行和具備遠(yuǎn)洋資格的全球數(shù)量龐大的船舶中，消耗的燃油數(shù)量增速也是巨大。并且相較于陸上的汽車燃油、柴油等燃油，船用柴油機(jī)的燃油普遍品質(zhì)較低，也就引發(fā)了船用柴油機(jī)尾氣直接排放到大氣中所造成的大氣污染也愈加嚴(yán)重的局面，最終人類社會(huì)開始重視起了船用柴油機(jī)造成的大氣污染。IMO(國(guó)際海事組織，InternationalMaritimeOrganization)是聯(lián)合國(guó)為了國(guó)際海事安全和船舶對(duì)環(huán)境的污染專門設(shè)立的一個(gè)機(jī)構(gòu)，截至2020年5月一共有174個(gè)成員國(guó)加入了IMO。在1973年，中國(guó)恢復(fù)了正式成員身份并于1998年成為了A類理事會(huì)成員且延續(xù)至今；1988年，IMO面對(duì)日益嚴(yán)重的船舶海洋污染通過(guò)會(huì)議等方式商討最終提出《1973年防止船舶污染國(guó)際公約之1978年議定書》（簡(jiǎn)稱MARPOL73/78公約），后來(lái)該公約成為了世界上對(duì)海洋環(huán)境影響力最大的公約之一，后來(lái)IMO在各次會(huì)議中又推出了排放標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的修正案；并且有136個(gè)成員國(guó)加入該公約之中；1997年議定書納入了“防止船舶造成大氣污染規(guī)則”，并使之成為公約的附則6[1]。2008年10月，IMO通過(guò)會(huì)議頒布三個(gè)階段的船用柴油機(jī)尾氣控制標(biāo)準(zhǔn)。即Tier、TierⅡ、TierⅢ這三個(gè)計(jì)劃中的階段性的減排標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是以2008年5月份的MEPC58會(huì)議為基礎(chǔ)，并采用了部分附則Ⅵ和NOx技術(shù)規(guī)則中的觀點(diǎn)進(jìn)行修改得出的。作為世界航運(yùn)大國(guó)，我國(guó)港口的基本設(shè)備及建筑還有船舶總數(shù)量以及載貨量等都是在全世界范圍內(nèi)極其靠前的存在。同時(shí)船舶運(yùn)輸在我國(guó)運(yùn)輸業(yè)中占據(jù)極其重要的地位，截至2018年底，中國(guó)民用運(yùn)輸船舶和水運(yùn)運(yùn)貨量分別達(dá)到13.70×104艘和70×104t；全國(guó)港口貨吞吐量更是高達(dá)143.51×108t，牢牢站穩(wěn)了世界第一的地位；全世界的排名前十的港口中有7個(gè)在我國(guó)[2]。朱逸凡[3]等學(xué)者的研究表明，在以長(zhǎng)江江蘇段為研究區(qū)域，基于AIS系統(tǒng)(AutomaticIdentificationSystem,船舶自識(shí)別系統(tǒng))數(shù)據(jù)等方法，得出了2017年長(zhǎng)江江蘇段區(qū)域內(nèi)船舶排放的各類船舶大氣污染物中，SO2，NOx排放量較多，VOCs排放量最小的結(jié)果，并且普通的船舶排放量占比達(dá)到了60%以上。因船用柴油機(jī)排放的污染源對(duì)居民的健康影響不容忽視，在近些年，我國(guó)也就開始陸陸續(xù)續(xù)地頒布和制定船舶對(duì)大氣污染相關(guān)的法律法規(guī)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)際上，MARPOL73/78附則Ⅵ修正案確定TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)從2016年起實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)要求在2016年后的130KW及以上的船機(jī)應(yīng)該符合Ⅲ級(jí)限制的標(biāo)準(zhǔn)（《國(guó)際防止船舶造成污染公約》氮氧化物排放Ⅲ級(jí)限制要求），而相對(duì)于國(guó)際，國(guó)內(nèi)限制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間稍微緩慢，計(jì)劃于2022年才對(duì)接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。至此，國(guó)內(nèi)的船用柴油機(jī)氮氧化物控制排放技術(shù)研究稍微落后于國(guó)外。而后，各種技術(shù)研究進(jìn)展加速，目前市面上正式商用且符合TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)主要為EGR和SCR兩種，且大多實(shí)現(xiàn)了電氣自動(dòng)化功能。但船用柴油機(jī)尾氣排放中，NOx僅為大氣污染源的其中之一，其他污染物的控制也需占據(jù)了船舶有限空間的設(shè)備。所以如何在船舶內(nèi)部有限的空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多種污染物的控制需要行業(yè)仍需研究的重點(diǎn)方向。

第2章船用柴油機(jī)面臨的NOx減排形勢(shì)船用柴油機(jī)NOx排放控制標(biāo)準(zhǔn)在變得更為嚴(yán)格。從TierⅠ階段起到TierⅢ階段，NOx的減排控制愈發(fā)嚴(yán)峻，國(guó)內(nèi)也隨著全球化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，相關(guān)法律法規(guī)不斷頒布和完善。2.1第一階段為有效防止船舶污染，早在1973年IMO（國(guó)際海事組織）就頒布了具有強(qiáng)制性的MARPOL公約（《國(guó)際防止船舶造成污染公約》）[4]。最初的MARPOL公約包含了5個(gè)附則，后來(lái)增加了一個(gè)附則Ⅵ。這幾個(gè)附則對(duì)于船舶尾氣排放的污染源含量都作了較為科學(xué)且嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，是世界上有關(guān)船舶與海洋環(huán)境最重要的協(xié)定之一。在該公約的科學(xué)的劃分中，其分別對(duì)不同類型的船舶會(huì)產(chǎn)生的污染都作了對(duì)應(yīng)的規(guī)范和控制標(biāo)準(zhǔn)，2005年5月確立的附則Ⅵ，對(duì)船舶排放的SOx、NOx、PM等船舶尾氣的污染源正式提出限制排放的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)最初的階段性限制排放標(biāo)準(zhǔn)，被稱為TierⅠ階段，附則里面對(duì)船用柴油機(jī)NOx排放限制標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定如下：排放含量額定轉(zhuǎn)速n/rpm排放含量g/Kw·hn<13017.0g/KW·h130>n<200045.0*nN-0.2g/KW·hn>20009.8g/KW·h如今，TierⅠ已經(jīng)失效，取而代之的是更為嚴(yán)格的TierⅡ2.2第二階段第二個(gè)階段為TierⅡ，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2011年到2016年安裝到船舶上的所有柴油機(jī)和柴油機(jī)安裝于2016年之后的船舶但在ECA控制區(qū)外的航線，這兩者都需要符合的排放標(biāo)準(zhǔn)。以下為對(duì)柴油機(jī)不同的額定轉(zhuǎn)速有不同的標(biāo)準(zhǔn)：排放含量額定轉(zhuǎn)速n/rpm排放含量g/Kw·hn<13014.4g/KW·h130>n<200044.0*nN-0.23g/KW·hn>20007.7g/KW·h目前TierⅡ適用的地域較多，但未來(lái)的趨勢(shì)是TierⅢ階段的控制標(biāo)準(zhǔn)。2.3第三階段TierⅢ的限制是對(duì)于那些會(huì)在2016年之后在特定區(qū)域航行的船舶。該區(qū)域稱為NOx排放控制區(qū)域。NOx排放控制區(qū)（NECA）包含了北美區(qū)域、美國(guó)加勒比區(qū)域、波羅的海區(qū)域（2021年實(shí)施）和北海區(qū)域（2021年實(shí)施）[5]排放含量額定轉(zhuǎn)速n/rpm排放含量g/Kw·hn<1303.4g/KW·h130>n<20009.0*nN-0.23g/KW·hn>20001.96g/KW·h相比于TierⅡ，第三階段的控制標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格，所以在選擇氮氧化物控制技術(shù)時(shí)，應(yīng)盡量往三能實(shí)現(xiàn)第三階段凈化效果的技術(shù)靠攏。2.4我國(guó)相關(guān)規(guī)定我國(guó)ECA對(duì)船用柴油機(jī)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接國(guó)際ECA為：2000-2010年滿足國(guó)際TierⅠ；2011-2021年滿足國(guó)際TierⅡ；2022年往后滿足TierⅢ[2]。環(huán)境保護(hù)部對(duì)船舶引起的環(huán)境污染組織行業(yè)相關(guān)并頒布了《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）》，該方法明確了船舶大氣污染物排放實(shí)施所需的嚴(yán)格限制數(shù)值[6]；交通運(yùn)輸部于2015年8月發(fā)布了《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案（2015—2020年）》，即GB15097-2016，提出船舶與港口對(duì)污染的防治具體目標(biāo)和實(shí)施方法等[7]，標(biāo)準(zhǔn)自2018年7月1日實(shí)施；隨后還有確定我國(guó)ECA區(qū)域和給出具體目標(biāo)的《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》方案、《中華人民共和國(guó)防治船舶污染內(nèi)河水域環(huán)境管理規(guī)定》（2015年第25號(hào)）更是規(guī)定燃料成分的具體數(shù)據(jù)。而后2018年12月，交通運(yùn)輸部針對(duì)日益嚴(yán)重的污染和環(huán)境需求發(fā)布了新的《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，在已有的ECA區(qū)域上增加ECA區(qū)域覆蓋面，而且對(duì)船舶的排放限制提出更高的要求。在我國(guó)，開展船舶大氣污染治理行動(dòng)已成大勢(shì)所趨。

第3章船用柴油機(jī)NOx的形成及危害3.1NO形成機(jī)理柴油機(jī)中的燃油含氮成分以及空氣氣中的氮?dú)庠诟邷丨h(huán)境下氧化產(chǎn)生的NOx是船舶排放NOx的主要來(lái)源，生成的氮氧化物中NO的比例占比最大，占據(jù)了95%以上[8][9]，其他的為NO2。學(xué)界普遍認(rèn)為船舶排放的NOx大致可以分為三類，熱力型NO或稱為高溫NO、瞬發(fā)NO和燃料NO[10]，分類標(biāo)準(zhǔn)為生成的機(jī)理。其中，高溫NO的生成主因是燃燒室內(nèi)的混合氣體中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻牡趸?；燃料NO是來(lái)源于燃料的含氮成分在較低溫度的環(huán)境中發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)形成的氮氧化物；瞬發(fā)NO便是除開前兩者的其他反應(yīng)生成的氮氧化物了，一般認(rèn)為其主要成因是氮?dú)夂腿剂现性訄F(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成，而且這類反應(yīng)不受溫度以及燃油燃燒情況控制，反應(yīng)速率也極快。這三種來(lái)源的NO，高溫NO產(chǎn)量占比超過(guò)一半，故考慮NOx的減排技術(shù)中，主要是出于思考如何控制高溫NO的生成。3.1.1高溫NO的形成NO的反應(yīng)原理被提出于1946年，在當(dāng)年澤爾多維奇提出了分子氮發(fā)生氧化反應(yīng)然后生成，后來(lái)，后繼學(xué)者們又對(duì)這個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。如下所示三個(gè)方程式為目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為的反應(yīng)過(guò)程，其也被稱為擴(kuò)展的澤爾多維奇機(jī)理。N+O2=NO+OO+N2=NO+NN+OH=H+NO從研究[10]中的計(jì)算結(jié)果可得出結(jié)論：決定其生成的因素是含N濃度（固定不變）、O濃度、發(fā)生反應(yīng)時(shí)的溫度、高溫持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短,因而，降低燃?xì)馊紵龝r(shí)的溫度，把氧氣濃度壓低與縮短高溫持續(xù)時(shí)間可以有效控制NO的生成量。3.1.2燃料NO的生成燃料NO是由于含氮燃油的燃燒而產(chǎn)生的[11]?！捌毡樾远裕貌裼蜋C(jī)使用的燃油多為較為劣質(zhì)化石燃料中的重油，其含氮部分為瀝青殘?jiān)?、煤、重質(zhì)餾份油及原油，各組分物質(zhì)中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.3%，1%-2%，1.4%，0.65%，且這些氮元素成分容易在燃燒過(guò)程中分解為NH、HCN、CN等分子質(zhì)量相對(duì)較低的含氮化合物[10]”。且有經(jīng)驗(yàn)研究[12]表明，燃料NO一開始在溫度還沒(méi)上升到一定程度時(shí)，其生成量大于高溫NO，但是當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)水平的時(shí)候，高溫NO的生成量便會(huì)猛的增加最終占據(jù)NO生成量的最大比重，所以溫度并不是燃料NO的主要成因。燃油中的含氮化合物在燃燒室內(nèi)燃燒時(shí)會(huì)被分解成低分子質(zhì)量的活潑原子團(tuán)（HCN、CN等），經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，然后與含氧化合物結(jié)合，最終生成NO：NH+O=N+ONNH+O=ON+HHCN+O=NCO+HCN+O2=NCO+ONCO+O=NO+CONCO+O2=NO+CO+O由上述化學(xué)方程式可知，氧元素和氮元素的含量會(huì)直接影響燃料NO的產(chǎn)量。另外，因燃油燃燒時(shí)的火焰溫度一般高于含氮物質(zhì)的分解溫度，故燃料NO的生成只要達(dá)到某溫度即會(huì)生成，而不會(huì)因溫度的升高隨之產(chǎn)量增加。所以燃料NO的產(chǎn)量隨著燃油中的含氮量增加而增長(zhǎng)。3.1.3瞬發(fā)NO的生成研究表明，瞬發(fā)NO主要成因是燃油在燃燒室燃燒時(shí)，碳?xì)湓訄F(tuán)、碳原子團(tuán)等與空氣中的N2反應(yīng)生成氮化物，而后又被含氧化合物氧化生成NO，且反應(yīng)速度極快，故稱為瞬發(fā)NO。而影響其產(chǎn)量的主要因素主要有：CH等原子團(tuán)的含量以及反應(yīng)速率，又因?yàn)樗舶l(fā)NO生成速度極快，所以高溫滯留時(shí)間也不是影響其產(chǎn)量的主因，故其產(chǎn)量與燃料類型、混合程度、溫度等條件都不存在相關(guān)性[10]。3.2NO2形成機(jī)理船用柴油機(jī)生成的NOx中，NO占據(jù)了高達(dá)90%以上的生成量，剩下的少部分為NO2。NO2的形成反應(yīng)過(guò)程極為復(fù)雜，不過(guò)一般認(rèn)為對(duì)生成量影響最重要的反應(yīng)是NO與HO2原子團(tuán)的快速反應(yīng)。NO+HO2=NO2+OH研究實(shí)驗(yàn)表明，即使是相對(duì)低溫的條件下，該反應(yīng)依然會(huì)有較快的反應(yīng)速率，且隨著NO2的生成還伴隨著新NO的生成，即NO2+O=NO+O23.3NOx的危害船用柴油機(jī)產(chǎn)生的NOx主要成分NO和NO2中，常溫常壓下，NO為無(wú)色無(wú)味，毒性不大的氣體。但當(dāng)濃度較大時(shí)，會(huì)使人體的神經(jīng)麻痹以及讓中樞神經(jīng)受到一定干擾，同時(shí)NO和血紅蛋白的結(jié)合能力甚至還強(qiáng)于CO。但在大氣中，NO容易被氧化為NO2，NO2在常溫常壓下是紅褐色氣體，有刺激性臭味，被人體吸入肺部時(shí)候，會(huì)在水環(huán)境下形成可溶性硝酸，對(duì)器官產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激，程度嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致肺氣腫。同時(shí)，NO2在太陽(yáng)光強(qiáng)烈的光照下會(huì)發(fā)生光化學(xué)煙霧，造成大氣污染。NOx在大氣中還會(huì)于水蒸氣結(jié)合，是產(chǎn)生酸雨的污染源之一。任由NOx在大氣中排放會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷人類身體健康和破壞生態(tài)環(huán)境。

第4章船用柴油機(jī)主要NOx排放控制技術(shù)4.1廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）該技術(shù)的基本思路通俗地說(shuō)就是柴油機(jī)排放的尾氣再次返回到柴油機(jī)中并參與下一次燃燒。EGR系統(tǒng)可分為內(nèi)外部EGR系統(tǒng)兩種，不過(guò)內(nèi)部EGR系統(tǒng)控制難以實(shí)現(xiàn)，而且NOx的減排效果也不見(jiàn)得十分優(yōu)秀，所以目前一般都是外部EGR系統(tǒng)存在于船舶中。而外部EGR系統(tǒng)的控制則是通過(guò)控制EGR率來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，其計(jì)算公式為：EGR(%)=(mEGR/mi)*100%其中mi=ma+mEGR;ma是新鮮空氣質(zhì)量，mEGR是EGR系統(tǒng)返回的廢氣質(zhì)量。EGR系統(tǒng)中，在通過(guò)引入一定的冷卻過(guò)的廢氣和新鮮空氣壓縮混合之后，在燃燒室內(nèi)參與燃油的燃燒。引入的廢氣可以起到延遲點(diǎn)火、反應(yīng)物的熱容量上升、因各種氣體的混合稀釋了氧氣的含量占比而降低了峰值溫度等能降低NOx的生成的作用。然后再通過(guò)反饋調(diào)節(jié)調(diào)整EGR率，對(duì)NOx的排放精確控制，這樣通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整EGR率，可以實(shí)現(xiàn)NOx凈化率達(dá)到80%及以上的目的，氮氧化物減排效果十分顯著。有實(shí)驗(yàn)[13]表示，當(dāng)EGR率分別為15%和25%時(shí)，可以減排50%以上和80%以上的NOx。其系統(tǒng)主要構(gòu)成如下圖4.1.1所示；圖4.1.1高壓EGR系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成外置EGR系統(tǒng)大體上能分為高壓EGR系統(tǒng)(也叫文丘里管式EGR系統(tǒng))和低壓EGR系統(tǒng)，低壓EGR系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致零件壽命減短，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)成本反而較大，故應(yīng)用較少；高壓EGR系統(tǒng)中，尾氣從排氣管排出后，一些高壓廢氣會(huì)進(jìn)入EGR冷卻器中冷卻后再通過(guò)EGR閥的控制通過(guò)量，再與新鮮空氣、燃?xì)饣旌喜⑶易罱K再次進(jìn)入燃燒室，EGR閥控制EGR率。圖4.1.1中的廢氣流量計(jì)作用是通過(guò)已設(shè)定好的程序計(jì)算由傳感器傳回來(lái)的信息從而得出信息化信號(hào)并返回到電子控制單元以及屏幕顯示，EGR閥通過(guò)開度控制柴油機(jī)機(jī)的廢氣流量；EGR冷卻器是降低再次進(jìn)入燃燒室的廢氣溫度，并避免燃?xì)夂托迈r空氣混合氣體被加熱，最終達(dá)到避免柴油機(jī)發(fā)生爆震，燃燒惡化等事故的目的。EGR技術(shù)已經(jīng)成為目前最有效的NOx減排控制技術(shù)之一，該技術(shù)廣泛用于二沖程、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)尾氣循環(huán)，雖然能顯著降低NOx的排放，但是也帶來(lái)了一些弊端。這些弊端是使用EGR系統(tǒng)的船舶需要去解決的。因尾氣的再次進(jìn)入柴油機(jī)內(nèi)部參與燃燒，導(dǎo)致高負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)燃燒室內(nèi)部的含氧量下降，進(jìn)而帶來(lái)的結(jié)果是柴油機(jī)的功率下降，消耗燃油量增加，同時(shí)含碳污染源尾氣(CO、HC、炭煙等)排放增加。也因此活塞環(huán)、氣缸套的磨損情況會(huì)進(jìn)一步加劇，損傷柴油機(jī)壽命，進(jìn)氣系統(tǒng)的腐蝕和污染程度會(huì)上升，潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果下降。因此，如果能解決這些弊端的同時(shí)還能有效地利用好熱EGR，是研究的重點(diǎn)。因此為了洗去再循環(huán)尾氣中的SOx和顆粒物以防止對(duì)柴油機(jī)主機(jī)造成損害，再后來(lái)研究出來(lái)的EGR系統(tǒng)會(huì)加設(shè)洗滌塔，其結(jié)構(gòu)需要有足夠優(yōu)秀的氣液接觸通道設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)備零件材料需要耐腐蝕，因?yàn)樗?nèi)的環(huán)境較為復(fù)雜，酸、堿和海水同時(shí)存在裝置內(nèi)。柴油機(jī)的工況和NOx的排放息息相關(guān)，在中速的范圍內(nèi)，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整EGR率，能使得NOx的產(chǎn)量即使在不同負(fù)荷下也能有所減少。當(dāng)工況為大負(fù)荷時(shí)，NOx的排放量會(huì)隨著EGR率的上升而快速下降。所以在高負(fù)荷（低速）的工作環(huán)境中，因空燃小的原因，所以往往不會(huì)用到EGR系統(tǒng)；而在空載運(yùn)行時(shí)，能使EGR率高達(dá)50%來(lái)降低NOx的排放。尾氣再循環(huán)過(guò)程中，因?yàn)槲矚獾臏囟容^高，所以在與新鮮空氣混合壓縮前還需要冷卻過(guò)后再進(jìn)行壓縮混合，EGR系統(tǒng)中也需要散熱裝置，而為了減輕冷卻器的熱負(fù)荷，往往安裝時(shí)會(huì)在距離冷卻器較遠(yuǎn)的位置安裝，同時(shí)散熱裝置只需對(duì)尾氣進(jìn)行冷卻即可，經(jīng)過(guò)了冷卻器冷卻的新鮮空氣，在此便可以不再考慮新鮮空氣的冷卻。EGR系統(tǒng)中對(duì)EGR率的控制，可分為前饋控制和反饋控制。前饋控制即MAP通過(guò)測(cè)試分析混合氣的成分，然后選取最佳的EGR率實(shí)現(xiàn)排放的標(biāo)準(zhǔn)，其根據(jù)是不同負(fù)荷中的進(jìn)氧濃度和排氧濃度。反饋控制則是通過(guò)使用排氧傳感器或者排氣背壓控制所獲得的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。圖4.1.2為EGR電氣控制系統(tǒng)策略的簡(jiǎn)圖[14]；圖4.1.2EGR系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)圖另外在EGR率的計(jì)算公式中，新鮮空氣的占比系數(shù)，是可以通過(guò)檢測(cè)新鮮空氣的占比系數(shù)從而確定NOx的排放量，同時(shí)還能作為EGR閉環(huán)操控的反饋信號(hào)。利用柴油機(jī)工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行環(huán)境中的閉環(huán)操控，實(shí)現(xiàn)NOx的減排變得極為顯著。但同時(shí)因前饋控制的特性注定瞬發(fā)NO的生成控制效果不佳。從測(cè)試結(jié)果而言基于新鮮空氣的占比系數(shù)的控制也是個(gè)比較實(shí)用方法。EGR系統(tǒng)的存在使得NOx排放減少，但船用柴油機(jī)的排放尾氣中的其他污染源微粒生成量會(huì)增加，同時(shí)瞬發(fā)NO的生成不好控制，為了優(yōu)化EGR系統(tǒng)，目前在瞬時(shí)狀態(tài)的工況下，主要利用計(jì)算機(jī)控制的EGR閥來(lái)優(yōu)化EGR量，柴油機(jī)的排氣再循環(huán)閥分為電磁式和氣電式。目前EGR系統(tǒng)的研究方向則是在達(dá)到NOx凈化率達(dá)到TierⅢ的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還能減少黑煙等的排放。EGR系統(tǒng)在優(yōu)化弊端之后的投資成本比較高，單位投資成本為60～80美元/kW，運(yùn)行成本一般為船舶在ECA中航行時(shí)燃料成本的4%～６%[8]。4.2選擇性催化還原法（SCR）SCR系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)是目前最有效且成熟的柴油機(jī)氮氧化物凈化技術(shù)。這種技術(shù)能比較容易實(shí)現(xiàn)NOx減排80%以上的目標(biāo)，可以滿足TierⅢ的排放標(biāo)準(zhǔn)，也是目前市面上應(yīng)用覆蓋面最廣的技術(shù)。因其出色的氮氧化物凈化率，相關(guān)的研究也較為豐富。在各種各樣的NOx減排控制技術(shù)中，對(duì)于柴油機(jī)的改造都有一定的需求，但目前柴油機(jī)的構(gòu)造零件等相關(guān)技術(shù)成型已久，對(duì)元件進(jìn)行優(yōu)化改造的操作空間并不大。所以通過(guò)在柴油機(jī)排氣后的位置增設(shè)新設(shè)備進(jìn)行尾氣處理便成為了業(yè)內(nèi)新思路。因此便出現(xiàn)了SCR系統(tǒng)，在新設(shè)備SCR裝置中，NH3在催化劑和一定溫度的條件下可以與柴油機(jī)尾氣中的NOx進(jìn)行選擇性化合反應(yīng)，并生成氮?dú)夂退?。因?yàn)槭褂肧CR裝置能有效地避免改造柴油機(jī)結(jié)構(gòu)或元件的弊端，并且SCR裝置去除NOx的效果極為顯著，最終船舶排放尾氣中，NOx凈化率能達(dá)到85%～90%，可以輕松達(dá)到TierⅢ的標(biāo)準(zhǔn)。SCR后處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖4.2.1所示。圖4.2.1SCR后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置示意圖[15]SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括空氣壓縮機(jī)、空氣罐、尿素箱、尿素泵、控制單元、SCR催化器、尿素水溶液的溫度和液位傳感器、進(jìn)氣流量計(jì)、排氣溫度傳感器、NOx傳感器和各種管道。柴油機(jī)產(chǎn)生的尾氣在排氣管的收集下進(jìn)入排氣管，同時(shí)尿素泵將尿素箱提供的尿素水溶液和空氣混合后通過(guò)噴嘴噴灑到排氣管中，而回流管可以回收多余的尿素水溶液并進(jìn)行重復(fù)利用，進(jìn)入排氣管的混合氣體則最終進(jìn)入SCR催化劑所在的SCR催化器中發(fā)生反應(yīng)，然后凈化過(guò)的尾氣最終被排放?？刂茊卧ㄟ^(guò)安裝在催化劑設(shè)備前的NOx傳感器和排氣傳感器傳回來(lái)的信號(hào)與SCR催化劑設(shè)備后面的NOx傳感器和排氣傳感器傳回來(lái)的信號(hào)對(duì)比，然后輸出到顯示器上并通過(guò)程序判定實(shí)時(shí)調(diào)整尿素水溶液的噴射流量。在自動(dòng)化的趨勢(shì)下，SCR系統(tǒng)也隨著大勢(shì)實(shí)現(xiàn)了電控系統(tǒng)的自動(dòng)化管理，研究[15]基于飛思卡爾16位高性能控制芯片MC9S12χEP100實(shí)現(xiàn)并開發(fā)了尿素噴射量控制、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障自診斷等功能的電控系統(tǒng)。SCR技術(shù)也被稱為選擇性催化還原技術(shù)，通過(guò)裝置收集排氣管排出的柴油機(jī)尾氣，然后在裝置中使用32.5%或40%的尿素水溶液，并在精準(zhǔn)控制好的溫度300～450℃和催化劑的條件下，發(fā)生以下反應(yīng)：CO(NH2)2+H2O＝2NH3+CO24NH3+2NO2+O2＝3N2+6H2O4NH3+4NO+O2＝4N2+6H2O2NH3+2NO+NO2＝2N2+3H2OSCR系統(tǒng)的性能與催化劑息息相關(guān)，通過(guò)測(cè)試和研究，在眾多催化劑中，V-W-Ti體系的催化劑效果和經(jīng)濟(jì)效益在權(quán)衡之后最為適合作為催化劑，當(dāng)前國(guó)際商業(yè)用船使用催化劑的趨勢(shì)是V2O5-WO3-TiO2。另外，催化劑的活性對(duì)吸附尿素水溶液在一定溫度下水解的NH3有著極大的影響，催化劑的表面是尿素水溶液水解反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)換工況時(shí)，這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡會(huì)被打破，此時(shí)會(huì)造成NH3的逃逸，這稱之為NH3逃逸率，同時(shí)逃逸的NH3會(huì)對(duì)大氣造成二次污染，而業(yè)內(nèi)雖無(wú)NH3限制排放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但普遍認(rèn)為NH3逃逸率平均不應(yīng)該超過(guò)10ppm，瞬時(shí)不應(yīng)超過(guò)25ppm。所以控制好NH3逃逸率也是必須的。而為了優(yōu)化這個(gè)弊端，從原理上對(duì)癥下藥，可以提高催化劑的活性，讓NH3附著更多；可以優(yōu)化SCR催化劑結(jié)構(gòu)尺寸，使得NH3與氮氧化物延長(zhǎng)接觸時(shí)間從而使得反應(yīng)能夠更加完全；在催化器前增設(shè)混合器使得NH3和NOx混合充分而能更好反應(yīng)；或者在催化器后增設(shè)混合器，吸附反應(yīng)之后剩余的NH3。但這些方法并不適用無(wú)限制地使用，因?yàn)榇吧系目臻g是有限的，增加SCR系統(tǒng)本就已經(jīng)很吃力了，再無(wú)限制增大催化器的體或者增設(shè)各種設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)，所以采用適合設(shè)備體積和尿素噴射控制策略來(lái)找到利弊間的平衡點(diǎn)。尿素噴射量能直接影響到NOx的轉(zhuǎn)化率和NH3逃逸率，尿素噴射量如果過(guò)大，會(huì)引起NH3逃逸率的上升，結(jié)果就是NH3會(huì)造成大氣環(huán)境的二次污染，從結(jié)果而言反而得不償失；而過(guò)小且保守的尿素噴射量又會(huì)導(dǎo)致SCR系統(tǒng)凈化能力大大降低不符合預(yù)期，所以在考慮設(shè)計(jì)SCR系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選取適宜合理的尿素噴射控制策略，一舉兩得地實(shí)現(xiàn)低NH3逃逸率，同時(shí)又能提高NOx的轉(zhuǎn)化率的結(jié)果。為此業(yè)界便引出了氨氮比這個(gè)比值概念，該比值是尿素噴射策略的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即尿素水溶液水解后的NH3與尾氣中生成的NOx的比值。實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)氨氮比在0.6-1.2之間時(shí)，可得利弊之間的平衡點(diǎn)。在0.6-1的范圍內(nèi)時(shí)，可知NOx的轉(zhuǎn)化率隨著氨氮比增大而增大，但NH3逃逸率的變化并不劇烈；當(dāng)?shù)醣仍?-1.2范圍時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化率增大的趨勢(shì)反而隨著氮氨比增大而趨于平緩，但NH3逃逸率出現(xiàn)極為明顯上漲幅度。催化劑作為SCR系統(tǒng)的核心，催化劑的活性參數(shù)基本決定著SCR系統(tǒng)的性能；溫度是通過(guò)影響催化劑的活性成為了SCR系統(tǒng)性能的主要外因，溫度同時(shí)也是影響尿素水溶液水解成NH3速率的主要因素，所以必須考慮到溫度對(duì)整個(gè)SCR系統(tǒng)性能的影響。為了能使得尿素水解反應(yīng)速率足夠快速以及避免柴油機(jī)排出的廢氣中的部分成分變得鈍化或者形成硬塊的污垢，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出最小的進(jìn)氣溫度不應(yīng)該低于300℃，但也不能高于500℃，溫度太高會(huì)使得催化劑活性下降，NH3逃逸率上升；溫度低于300℃會(huì)容易堵塞管道，廢氣中形成污垢在管道中。所以目前SCR技術(shù)的溫度控制在300℃～500℃之間工作，利用尿素水溶液（32.5%或40%濃度）作為還原劑，再兼顧了催化劑后，便可以將氮氧化物還原為氮?dú)?。SCR技術(shù)出色的性能和其他諸如系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，適應(yīng)船舶范圍廣等優(yōu)點(diǎn)成為了目前國(guó)際公認(rèn)的唯一一項(xiàng)可應(yīng)用于各類型船機(jī)和船型的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx減排技術(shù)。雖然還有低溫易結(jié)晶，在我國(guó)大多為富含硫的燃油環(huán)境內(nèi)催化劑會(huì)被毒化，因而推廣受到制約，但這些缺點(diǎn)依然不能否認(rèn)SCR技術(shù)是一門優(yōu)異的技術(shù)方案。4.3對(duì)比EGR與SCR性能及經(jīng)濟(jì)性SCR和EGR技術(shù)對(duì)NOx凈化率都能達(dá)到80%以上，可以滿足TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)，在船舶空間中，SCR系統(tǒng)包括管系、控制系統(tǒng)、尿素儲(chǔ)存和噴射系統(tǒng)、反應(yīng)器、吹灰系統(tǒng)，同時(shí)布局較為松散，管路較多；EGR系統(tǒng)包含閥門及控制系統(tǒng)、NaOH儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、冷卻器、洗滌系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)，同時(shí)EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般較為緊湊，管路少；相比之下，SCR系統(tǒng)構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，操作方便，但占據(jù)空間較大；耗材的對(duì)比中，SCR的耗材較為單一，只需要消耗尿素，EGR需要消耗NaOH、淡水、海水；從耗能角度看，SCR系統(tǒng)尿素泵和吹灰機(jī)合計(jì)2kW，附加燃料消耗2%；EGR系統(tǒng)風(fēng)機(jī)6～18kW、污水處理需4～10kW,附加燃料消耗2～5%；SCR適用于所有船用燃油類型，EGR僅適合含0.1%S以下的燃油類型[5]；從經(jīng)濟(jì)性上對(duì)比，SCR新裝的成本比EGR低30%，同時(shí)可以在已有的柴油機(jī)上加裝；EGR不便在已有柴油機(jī)上加裝；加裝系統(tǒng)后，SCR基本對(duì)柴油機(jī)性能和熱效率無(wú)影響，EGR會(huì)降低柴油機(jī)熱效率，缸套磨損加重，排煙中CO和PM增加，還伴隨廢水處理問(wèn)題，廢氣鍋爐熱能衰減40%。從各種對(duì)比之中，SCR技術(shù)是船舶控制柴油機(jī)減排氮氧化物污染物的最佳技術(shù)，但該技術(shù)還需進(jìn)一步研究，SCR技術(shù)仍然在高硫燃油船舶中存在催化劑易失活的弊端，需要不斷優(yōu)化。4.4其他控制技術(shù)從燃燒的角度出發(fā)控制NOx排放的手段來(lái)看，大致可以分為燃料替換、燃燒過(guò)程控制和尾氣脫銷三大類控制手段。燃料替換技術(shù)方案里，燃油乳化可達(dá)到降低NOx產(chǎn)量20%～50%的目標(biāo)，一般而言，摻水量每增加1%的水可以降低1%的NOx生成量，如MANB&W公司12V48/60柴油機(jī)上運(yùn)用了FEW技術(shù)，可使NOx排放量下降54%；但該技術(shù)局限于重油乳化，而輕質(zhì)柴油、柴油等乳化較為困難。另外，LNG燃料也是一大熱門重點(diǎn)研究，其NOx凈化率可達(dá)到TierⅢ階段，是一個(gè)發(fā)展?jié)摿薮蟮募夹g(shù)方向。燃燒過(guò)程控制的方案中，根據(jù)柴油機(jī)NOx的生成原理，其主要來(lái)源是高溫NO，故只要降低燃油燃燒時(shí)的最高溫度即可在一定程度上內(nèi)控制NOx的生成。通過(guò)燃油燃燒時(shí)進(jìn)水氣從而降低最高溫度，這類技術(shù)普遍能達(dá)到IMO的TierⅡ的標(biāo)準(zhǔn)，但距離TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)有一定差距。其NOx凈化率大致為30%～70%。原理是用水的比熱容較大的性質(zhì)降低燃燒室的峰值溫度，雖然有一定的效果，但因?yàn)樾枰黾硬簧佥o助設(shè)備，且該類技術(shù)通常會(huì)侵蝕發(fā)動(dòng)機(jī)零件，并存在破壞潤(rùn)滑系統(tǒng)的可能，同時(shí)會(huì)使得汽缸內(nèi)的磨損率增加，降低柴油機(jī)壽命和可靠性，因此應(yīng)用受到限制。且該類技術(shù)主要是用來(lái)完成第一、二階段的控制。其代表性技術(shù)有：直接噴水技術(shù)，Wartsila公司9L46中速柴油機(jī)所采用的直接噴水技術(shù)，可使NOx減排效果達(dá)50%～60%；有實(shí)驗(yàn)表明[16]，HAM(humidairmotor)技術(shù)，當(dāng)工況在超過(guò)額定工況的50%時(shí)HAM技術(shù)僅能使NOx凈化率為46%；以及在進(jìn)氣階段加入臭氧[17]，改變缸內(nèi)油氣混合狀況，從而縮短燃燒期且凈化一定的NOX；還有比如DWI技術(shù)、燃油-水分層等技術(shù)方案也可以實(shí)現(xiàn)NOx一定程度的減排效果，但大多都不能達(dá)到TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)，只能適用于過(guò)渡技術(shù)手段。優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)從而控制氮氧化物的排放手段，其實(shí)就是通過(guò)改善柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)NOx的減排。其中比較有代表性的技術(shù)有改進(jìn)燃燒室形狀、延遲噴油定時(shí)、低NOx噴射器等。其中延遲噴油定時(shí)可以提高噴嘴工作時(shí)的速率，降低缸內(nèi)峰值溫度、減少混合氣體中氮元素和氧元素的滯留時(shí)間，從而達(dá)到減排NOx的目的，而該方法可以將廢氣排放中NOx含量降低10%～15%[16]；改進(jìn)燃燒室形狀則如Oros新型的燃燒室結(jié)構(gòu)，可在保持原柴油機(jī)油耗率水平不變的情況下減少NOx的排放量[18]，該方法如果能再配合合適的延遲噴油定時(shí)，能更有效地控制NOx的排放。4.5使用LNG燃料等清潔燃料測(cè)試研究表明[19]，從船舶尾氣污染物的排放因數(shù)來(lái)看，LNG燃料是減少船舶尾氣排放的有效能源之一。液化天然氣也稱為L(zhǎng)NG（LiquefiedNaturalGas），作為船舶的燃料動(dòng)力的研究早有實(shí)行，但出于經(jīng)濟(jì)成本等各種因素未能出現(xiàn)商用船舶使用，后來(lái)，隨著清潔能源越來(lái)越受到世界各國(guó)的青睞以及尾氣排放限制法規(guī)的頒布，面對(duì)LNG潛力巨大的前景，我國(guó)甚至出臺(tái)了LNG燃料動(dòng)力船舶的相關(guān)規(guī)范以及政策，如《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》等。然而實(shí)際上LNG燃料動(dòng)力船舶依然比較少，截至2018年3月，僅有279艘LNG燃料動(dòng)力船舶，而海船僅有3艘[20]。在測(cè)試研究中[19]，基于LNG動(dòng)力船舶尾氣在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可得出以液化天然氣為燃料的船舶，尾氣排放值均較低，NOx的排放量更是幾乎沒(méi)有，排放因數(shù)僅為1.916g/kg，其他污染源的排放值也很低，綜上所述，液化天然氣作為船舶動(dòng)力燃料，其發(fā)展?jié)摿κ欠浅？捎^的。

結(jié)論目前船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)各有優(yōu)劣之處，各種技術(shù)的使用需要權(quán)衡，并且現(xiàn)在也有其他更為先進(jìn)且效果顯著的技術(shù)在被研發(fā)出來(lái)，如等離子還原技術(shù)更是能使得NOx的凈化率達(dá)到90%以上，并具有成本低，占用空間小等優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)還處于研究階段。所以為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限制指標(biāo)，使用多種技術(shù)組合也不妨是一個(gè)新思路。另外在目前替換燃料和直接改造發(fā)動(dòng)機(jī)成本都較高的限制之下，船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的技術(shù)還是以尾氣治理最為適合。但目前普遍采用的是單一污染源治理控制技術(shù)，而尾氣需要處理控制排放的成分較多，在多種不同污染源控制技術(shù)組合下，船舶的空間占用面積較大，系統(tǒng)復(fù)雜，所以如何在船舶內(nèi)部有限的空間中實(shí)現(xiàn)多種污染源治理控制技術(shù)的裝置也還是我們還需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。而制造清潔的新能源柴油機(jī)動(dòng)力船舶，可以大幅度減少各種污染物的排放，這也不妨為一個(gè)防治大氣污染的方向。各種氮氧化物排放控制技術(shù)中，SCR技術(shù)應(yīng)用占據(jù)了主導(dǎo)地位，適用于所有的船舶，但EGR技術(shù)也有適用的船舶，同時(shí)在國(guó)內(nèi)，SCR技術(shù)因?yàn)楦缓虻娜加铜h(huán)境不是那么容