船舶柴油机NOx排放特性分析.docx
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船舶柴油机NOx排放特性分析
本科毕业设计（论文）
船舶柴油机NOx排放特性分析
AnalysisofCharacteristicsofNitrogenOxidesEmissionfromMarineDieselEngine
摘 要
摘要：
为了了解在不同运转条件下船舶柴油机氮氧化物排放的特性，通过查阅文献的方式比较已有的各种典型技术，分析其特点并提出一种能够较好的限制船舶柴油机氮氧化物排放量的方案。
研究的结果表明：
从降低氮氧化物排放的效果看，燃料转换+双燃料操作技术对降低氮氧化物排放量的效果最为明显，而低氮氧化物燃烧调整技术对降低氮氧化物排放量的作用最为微弱；从投入安置维护设备的资金来看，高压涡轮增压（二级增压）技术最具有经济性，而燃料转换+双燃料操作技术则需要花费巨额的资金。
从研究的结果来看，各个技术均有优势和缺点，因此综合技术本身对氮氧化物的减排效果和投入安置维护资金的多少两方面的因素，发现废气再循环系统与高压涡轮增压技术相结合的方案和废气再循环系统与增湿技术相结合的方案是目前适合推广的方案。
关键词：
氮氧化物；排放特性；船舶柴油机；减排
AnalysisofCharacteristicsofNitrogenOxidesEmissionfromMarineDieselEngine
Abstract
Abstract:
InordertounderstandthecharacteristicsunderdifferentoperatingconditionsofmarinedieselengineNitrogenOxidesemissionsbywayofcomparativeliteraturetypicallyhaveavarietyoftechniquestoanalyzeitscharacteristicsandproposeamarinedieselenginecanbetterlimitnitrogenoxideemissionssolution.Resultsofthestudyshowedthat:
reducenitrogenoxideemissionsfromtheeffect,fuelswitching+dual-fueloperationofthetechnicaleffectofreducingnitrogenoxideemissionsofthemostobvious,andlowNitrogenOxidescombustiontechnologytoreducenitrogenoxideadjustemissionstheroleofthemostfeeble;fundsplacedintoservicetheequipment,thehigh-pressureturbo（twosupercharger）technologythemosteconomical,andfuelswitching+dual-fueloperationtechniquesyouneedtospendhugeamountsofmoney.Judgingfromtheresultsofthestudy,varioustechniqueshaveadvantagesanddisadvantages,sotheintegratedeffectstechnologyitselftoreduceemissionsofnitrogenoxidesandhowmuchmaintenancefactoroftworesettlementfunds,andfoundthehigh-pressureexhaustgasrecirculationsystemandturbochargertechnologycombinationofprogramsandexhaustgasrecirculationsystemwithhumidificationtechnologycombinedsolutionissuitableforthepromotionoftheprogram.
KeyWords:
NitrogenOxides;EmissionCharacteristics;MarineDieselEngine;Reduction.
1引言
1.1问题的提出
据统计，船舶承担着近97%的世界贸易运输量，并消耗世界能源的3%，而柴油机作为现代船舶主要的动力装置，每年向大气排放的氮氧化物的量是非常大的。
随着海上运输量的不断发展，船舶的保有量逐渐增加，由船舶排出的氮氧化物严重的污染了大气环境。
与此同时，世界各国人民的环保意识不断增强，国际社会对氮氧化物排放量的限制标准越来越严苛，这就要求人们必须深入地研究船舶柴油机氮氧化物的排放特性，根据氮氧化物的排放特性提出一套合适的技术方案来，进而减轻氮氧化物对大气环境的污染程度。
这种治理船舶氮氧化物的要求促使了这一课题的产生。
1.1.1研究的背景
2008年，发生了全球范围的经济危机，全球航运业均受到很大的挫折，经过数年的努力，各国的航运业开始有了复苏的迹象，各个船舶公司的船舶开始运营起来。
与此同时，由国际海事组织制定的船舶柴油机氮氧化物第二阶段排放标准已于2011年1月1日的生效，它的生效标志着国际社会对氮氧化物排放量的要求更加严苛。
而这不仅仅是限制氮氧化物排放的最高标准，而是最低标准，同时随着时间的推移，更加严苛的氮氧化物排放标准也将生效。
实际上，国际海事组织已经制定了三级标准，于2011年1月1日生效的控制氮氧化物排放标准是Tier
标准,第三级的标准将于2016年生效，而表1
即是3级标准。
表1
船舶建造日期
排放标准
对应的氮氧化物极限值（g/kWh）
（按二氧化氮总加权排放量计算）
n<130rpm
130rpm≤n<2000rpm
n≧2000rpm
2000.1.1—2011.1.1
Tier
17.0
45×n（-0.2）
9.8
2011.1.1—
Tier
14.4
44×n9-0.23）
7.7
2016.1.1—
Tier
3.4
9×n（-0.2）
2.0
在这种背景下，似乎是经济的发展与氮氧化物的减控是十分矛盾的，然而有了矛盾才会有解决矛盾的方法，因此，着重研究氮氧化物的不同排放特性就显得尤为重要了。
1.1.2研究的目的以及意义
研究船舶柴油机氮氧化物的排放特性的目的是为了在深入了解船舶柴油机的排放特性的基础上，结合氮氧化物排放特性和经济性两方面的因素，提出一套适合大面积推广的技术方案，为减轻船舶排气污染大气的程度作出贡献。
这不仅有利于人们了解当前所存在的各种减排方法进而正确认识当氧化物的排放特性，而且运用提出的降低排放的方案也对大气环境污染程度的减轻发挥出重要的作用，同时也引导船舶营运单位选择合适的技术方案，减轻自身的资金周转压力，促进航运业的发展。
1.2研究的现状及存在的问题
根据船舶柴油机氮氧化物产生的机理以及氮氧化物自身的物理化学性质，并通过大量的研究表明，要想有效地控制船舶柴油机氮氧化物排放量必须从改善燃烧过程、对尾气进行处理和改善船舶柴油机燃油的理化性质三个方面入手。
研究者通常依据降低氮氧化物所采用的措施与船舶柴油机工作的关系将这些技术归为三大类，即机前处理、机内处理和机后处理。
机前处理就是通过对将要进入船舶柴油机内的燃料油进行处理，从而达到降低氮氧化物排放量的技术方法。
而机后处理则是在氮氧化物生成之后，通过一系列的措施改变氮氧化物本身的物化性质的技术方法。
机前处理与机后处理在降低船舶柴油机氮氧化物排放量上起到了一定的作用，但由于受到能源危机加重的影响以及氮氧化物自身理化性质的限制，这两大类技术逐渐不被研究者重视，研究者们越来越多的在机内处理方面进行深入的探讨。
而所谓的机内处理，就是依靠改变船舶柴油机的结构参数或者运行参数影响船舶柴油机中氮氧化物的生成。
研究者在近几年讨论较多的降低氮氧化物排放量的技术有高压涡轮增压（二级增压）、低氮氧化物燃烧调整技术、废气再循环系统（EGR）技术、增湿技术、燃油乳化技术、直喷水技术、选择性催化还原技术（SCR）以及燃料转换+双燃料操作技术等。
由于机前处理、机后处理在船舶营运中实际使用的并不多，因此研究机内处理对柴油机的氮氧化物排放特性的影响就显得尤为重要了，因此，本篇文章就是研究在不同的机内处理技术下，柴油机的氮氧化物排放特性有什么不同，并找出合适的技术方案予以推荐应用。
虽然有许多研究者对降低氮氧化物排放量进行了深入的研究，并提出了一些比较好的方案，但是任何单一的方案总是有些瑕疵。
因此，作者在总结前人研究成果的基础上，结合实际情况，通过分析船舶柴油机的排放特性，进而分析不同的技术方案的优劣并提出一套可行的技术方案来。
2氮氧化物的认识
2.1氮氧化物的危害
船舶柴油机排放的氮氧化物包括一氧化氮、二氧化氮、三氧化氮、一氧化二氮三氧化二氮、四氧化二氮、五氧化二氮等几种成分，但其主要成分是一氧化氮，占氮氧化物的百分之九十以上。
虽然船舶柴油机产生的氮氧化物绝大部分是一氧化氮，但是这种无色的气体本身的毒性并不大，因此对人体不会造成太大的伤害。
一氧化氮在氧化环境下会逐步氧化成二氧化氮，而二氧化氮作为一种对肺和心肌毒害性都很强棕色气体，是威胁人类健康的主要恶魔之一。
由于大气中存在氧气的缘故，从船舶柴油机排放出来的一氧化氮很快被氧气氧化成二氧化氮，因此，降低船舶柴油机氮氧化物排放的主要任务就是降低一氧化氮的排放量。
2.2氮氧化物的生成机理
船舶柴油机排放的氮氧化物两个生成的来源有：
一、来自空气中的氮气在高温高压下被氧化生成一氧化氮或者二氧化氮；二、船舶柴油机所使用的燃料中可能存在少量的氮化物，经过燃烧后，氮元素与氧元素相结合形成氮氧化物。
根据氮元素不同的来源，可将生成的一氧化氮等氮氧化物划分成热氮氧化物和燃料氮氧化物两种，其中由空气中氮气转化生成的一氧化氮属于热氮氧化物，而船舶柴油机燃油中含有的氮氧化物则转化为燃料氮氧化物。
由于船舶柴油机在运转情况下，柴油机内部燃烧环境复杂多变，致使当氧化物产生的机理极为复杂，但在不影响柴油机实际运转状况下，将柴油机的运转情况抽象理想化可使得氮氧化物形成的机理变得简单一些。
基于上面的理论，研究者们对氮氧化物的形成机理普遍倾向于采尔道维奇（ZeIdovich）在20世纪40年代提出的方程式，即在油气的燃烧过程中氮分子被氧化成一氧化氮，其公式
如下：
如上面所列出的四个化学方程式所示，柴油机内的氧气在高温高压下首先分解成两个游离的氧原子，然后这种氧原子与柴油机内的氮气分子发生“碰撞”，形成一氧化氮和游离的氮原子，而游离的氮原子与氧气分子继续发生反应形成一氧化氮和游离的氧原子，在这种高温高压下形成一种循环，使得一氧化氮源源不断的产生。
而
式则表示燃料自身裂解和其他中间反应产生的氢氧基团和游离的氮原子之间的化学反应,这种反应印证了燃烧区域内的燃料过浓、氧浓度较低这一实际情况。
由上述分析可知，由于发生反应的氮元素浓度不变，因此影响一氧化氮生成量的主要因素则是温度、氧气浓度以及高温期滞留时间。
3机内处理对氮氧化物排放特性的影响
3.1改进柴油机燃烧工况对氮氧化物排放特性的影响
改进燃烧就是通过改变燃料油进入内燃机时的喷射压力、喷油提前角以及喷油质量三个方面来改善燃料油的燃烧，从而降低氮氧化物的生成量的技术方法。
从目前来看，高压喷射技术、推迟喷油技术以及改进喷油的质量三种技术在实际中运用的比较成熟，除此以外电控喷射以及引导喷射技术在实际运用中的比例逐步加大，更值得一提的是近年来出现了一种新型的燃烧方式——稀薄燃烧有望成为一种新的适合大面积推广的技术方案。
3.1.1高压喷射对氮氧化物排放特性的影响
顾名思义，高压喷射技术就是一种采用较常规的喷射压力高的很多的喷射压力，通过小直径的喷孔，较大的燃烧室开口，并在短时间内喷入柴油机气缸的技术。
现代船舶柴油机的喷射系统主要有柱塞泵式喷射系统和高压共轨两种。
柱塞泵式喷射系统是现代船舶柴油机最基本的一种燃油喷射系统，其基本组成是高压油泵、喷油器和高压油管，通过高压油泵，它一般可产生60-300MPa的高压。
而高压共轨系统在苏尔寿RT-F1ex型柴油机上体现的淋漓尽致，高压共轨最大特点是燃油喷入气缸内的顺序是由电子计算机程序控制的。
苏尔寿RT-F1ex型柴油机高压共轨系统的运行原理是燃料油在公共油路内被加压到1000bar高压后，随着受程序控制的喷油电磁阀的开闭喷入各汽缸。
近年来。
MANB&W公司开发的ME型电子控制柴油机也是用了高压共轨系统，其燃油喷射压力也达到了800bar。
高压喷射技术对降低船舶柴油机氮氧化物的排放量是十分重要的。
虽然喷油压力的提高会提高燃油雾束的贯穿长度，从而导致燃油雾束卷入的空气量得到提高，由此增加了柴油机内氮氧化物的生成量，随着喷油压力的提高，导致初燃期会燃烧掉更多的燃油，而这样的结果便是燃烧室的最高温度和压力都将升高，同时生成的氮氧化物也就更多。
但另一方面，随着喷油压力提高，燃油雾束的雾化效果变得更好，燃烧速度也变得更加快，并且喷油压力的提高可以实现喷油定时的滞后，根据大量的研究结果综合起来看，提高柴油机的喷油压力将使得船舶柴油机氮氧化物排放量降低。
3.1.2喷油定时对氮氧化物排放特性的影响
改变喷油定时的实质就是改变供油提前角。
供油提前角是指柴油机喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点这段时间对应的曲柄转角；而喷油提前角则是指柴油机内的喷油器开始喷油的瞬时到活塞上止点这段时间对应的曲柄转角。
但在实际的使用中，由于供油提前角容易测量而基本上供油压力不会存在过大的波动，所以可以用供油提前角粗略的代替喷油提前角。
喷油定时的早晚是相对于活塞的上止点来说的，喷油定时之所以会影响柴油机氮氧化物的排放特性，是因为喷油定时会影响船舶柴油机在燃烧的滞燃期内喷入气缸的燃油量的量，进而影响到燃烧的爆压和最高温度。
一般来说，喷油提前角较大会导致船舶柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃油量增多，这些燃油一旦发火燃烧，将使得气缸内的压力与温度急剧的上升，进而使得气缸燃烧的最高温度大大增高，促进氮氧化物的生成量以及排放量。
因此，要想降低柴油机内氮氧化物的排放量，就必须降低喷油提前角。
与大的喷油提前角引起的结果相反，小的喷油提前角因为在发火后，柴油机的活塞将越过上止点而下行，使得气缸的容积增大。
因此即便燃烧发生后的压力和温度急剧上升，但由于气缸容积的增大，气缸内的爆压和最高温度会大大降低，进而抑制、减少氮氧化物的生成量以及排放量。
3.1.2稀薄燃烧对氮氧化物排放特性的影响
稀薄燃烧是匀质燃烧的一种，具有匀质燃烧的共性。
利用稀薄燃烧技术的柴油机在结合传统的汽油机和柴油机两者优点的基础上，还能获得几乎与船舶柴油机一样高的热效率。
不仅在热效率上能够取得良好的期望，同时稀薄燃烧使得柴油机内的燃烧温度较常规燃烧温度低，因此一氧化氮的排放量很低。
大量研究结果确认，稀薄燃烧是受到燃烧反应化学动力学的控制，其着火时刻主要是由混合气的成分、温度以及压力的变化历程决定，所以只能通过间接方式控制其着火、燃烧时刻。
不仅控制十分复杂，稀薄燃烧在适用工况上也有不小的问题，实际上的船舶发动机需要较宽的工况范围，而稀薄燃烧几乎是同步进行的，柴油机在大负荷工况下过快的燃烧速度会引起爆震燃烧。
3.2加水处理对氮氧化物排放特性的影响
利用水可以减少氮氧化物的排放。
主要是通过水三个方面的作用达到降低氮氧化物排放量的目地的。
第一个作用是水在燃烧室内汽化要吸收热量从而使得燃烧室温度降低
；第二个作用是水对油粒有溶解作用，在燃烧时细化燃油微粒，使之与空气均匀混合，使得燃烧趋于均匀、平稳
；第三个作用则是水蒸汽能起到温度阻尼和稀释燃烧空气中氧气浓度的作用。
通过水的以上三种功能从而降低了柴油机氮氧化物的生成量。
增湿技术、燃油乳化技术以及直喷水技术是用水降低氮氧化物排放的具体方面的细化技术，其本质是一致的。
但因为加入水的缘故，应特别当心不要使得系统处于无水状态或者气缸进水量过多，严重时，两者的发生均会导致柴油机的损伤。
3.2.1进气加湿系统对氮氧化物排放特性的影响
进气加湿系统是将高压水雾在柴油机压气机后喷入到增压空气的一种空气加湿装置，通过这种装置，大大增加了空气中的含湿量，进而利用空气中的水汽可大大的减少柴油机内氮氧化物的排放量，并且降低了主机的热负荷以及改善了气缸套的清洁条件。
进气加湿系统具有结构简单、成本低廉以及不增加燃油消耗率等优点，但是所喷水的质量要求比较高。
该方法可降低氮氧化物排放量额50%—60%，同时燃油消耗率增长并不大，故此方法适用于船用大型低速柴油机。
3.2.2直接喷水技术对氮氧化物排放特性的影响
直接喷水技术与进气加湿有着明显的不同，它是通过使水和燃油经过不同的喷嘴直接喷入气缸内的方法使得燃油颗粒与小水珠混合，进而达到降低柴油机氮氧化物排放量的目的的。
直接喷水技术能够降低主机的热负荷并且改善气缸套的清洁条件，与其他喷水加湿技术相比较，直接喷水法降低了水的消耗。
在二冲程柴油机上，直接喷水技术对降低氮氧化物的排放比较有潜力，但是在四冲程柴油机上，则必须要考虑气缸套的材料问题，特别是当燃油中含有高比例的硫分时，喷入的水便与生成的硫氧化物形成具有腐蚀性的酸，引起低温腐蚀。
直接喷水技术可使得氮氧化物的排放降低50%—60%，但是由于水直接喷入气缸，燃油消耗率增加较大。
3.2.3燃油乳化对氮氧化物排放特性的影响
由于燃油的乳化必须在其进入燃油系统的循环回路前完成，因此严格意义上讲，燃油乳化技术属于机前处理方式的一种，但由于与其他加水减排技术容易比较，这里将它列为机内处理的方式进行介绍。
大量的实践证明了掺水乳化后的燃油燃烧时能较大幅度地减少氮氧化物的生成量。
虽然使用乳化后的燃油对柴油机工作性能的影响会随机器的型号不同而不同，但一般情况下，使用的燃油中每增加一个百分点的水便会使得氮氧化物的生成量减少一个百分点。
混入燃油中的水量是根据柴油机尾气中测得的氮氧化物决定的，因此需要对尾气中的氮氧化物排放量进行连续监测。
乳化后的燃油燃烧时之所以能够降低柴油机内氮氧化物的排放量，是因为当向柴油机喷入乳化后的燃油时，乳化油中的小水珠被蒸发，使得燃烧的最高温度降低，破环了生成氮氧化物的条件，进而使得氮氧化物的生成量降低。
实验证明，当燃油中的水含量为20%时，燃油的消耗率几乎没有什么变化，而当燃油中的水含量再增加时，燃油的消耗便稍有增加。
3.3改进循环对氮氧化物排放特性的影响
改进循环的方法就是废气再循环，而废气再循环技术就是将冷却的再循环废气送入到燃烧室内，在不影响发动机热负荷的情况下降低有效空燃比。
由于空燃比降低会导致氧气浓度的降低，由化学反应的反应平衡理论可知，氧气浓度的降低可大大降低NO排放（约60%）。
废气再循环系统可细分为非增压柴油机废气再循环系统和增压柴油机废气再循环系统。
下面便分别介绍两种不同的系统。
3.3.1非增压柴油机废气再循环系统对氮氧化物排放特性的影响
在实际运行中，船舶柴油机的排气背压要高于柴油机进气压力，因此废气能够自然地与进气混合。
废气再循环的废气量由一个废气再循环系统控制阀来控制，经冷却后的废气经废气再循环系统控制阀重新与进入该系统的进气进行混合，然后将混合后的气体作为空气送人气缸内，由于此时的空气含氧量较常规空气的低，一氧化氮的生成量将大大下降，进而柴油机内的氮氧化物的排放量也将大大降低。
非增压废气再循环系统简图如图3.1所示。
图3.1非增压废气再循环系统简图
3.3.2增压柴油机废气再循环系统对氮氧化物排放特性的影响
虽然增压柴油机废气再循环与非增压废气再循环在结构上有不同之处，但是在降低氮氧化物的生成原理上是相同的，都是通过废气掺和进气，使得空气含氧量降低，破坏生成一氧化氮的化学反应，从而降低了柴油机的氮氧化物的排放量。
船用柴油机大部分是废气涡轮增压柴油机，废气涡轮增压柴油机废气再循环系统分为高增压废气再循环系统和低增压废气再循环系统两种。
在高增压废气再循环系统中，再循环的废气是在涡轮增压器进入柴油机进气口的，图3.2为高增压废气再循环系统简图。
图3.2高增压废气再循环系统简图
与高增压废气再循环系统不同的是，低增压废气再循环的废气在涡轮增压器之前便进入柴油机的进气口。
这样的设计是考虑了废气压力较低，取增压器之前的废气能够保证废气有足够的压力与进气混合。
图3.3为低增压废气再循环系统简图。
图3.3低增压废气再循环系统简图
通过前人的实验证明，部分废气进行再循环可有效地降低氮氧化物排放量，但这种方法仅适用于中、小型柴油机，在船舶主柴油机上目前应用不大。
这是因为虽然约有10%—20%的废气进入发动机气缸，便会改变充气的热容量，导致在燃烧相同的燃油的条件下燃烧最高温度降低，但是这将引起微粒对涡轮及冷却器的污染，增加气缸的磨损。
而对于使用轻柴油的柴油机，由于产生的微粒少，运用废气再循环技术并不会引起严重的问题，但对于燃用重油的船用发动机而言，将产生较多的微粒引起气缸的磨损，而且也会使得柴油机的起动更加困难。
4各个技术的氮氧化物减排量、造价的比较
4.1降低氮氧化物排放技术减排量的比较
通过以上降低氮氧化物排放的技术可知，各个技术均有优势和不足之处，为方便起见，将上述技术的减排潜力以及自身的缺点列成表2
。
从该表可以看出，废气再循环系统对降低氮氧化物的排放有着十分理想的效果，而燃油乳化技术对降低氮氧化物排放量的作用最低。
表2
组别
NOx减排技术
潜在减少量
缺点
1
高压涡轮增压（二级增压）
40%
材料限制
2
稀薄燃烧技术
85%—90%
实际应用有困难
3
进气增湿技术
40%
水质要求较高
4
燃油乳化技术
25%
易腐蚀机器
5
直接喷水技术
50%
耗油率增加
6
废气再循环系统
60%
不适用于二冲程机
4.2降低氮氧化物排放技术造价的比较
以上六种技术可以使用重油上的是高压涡轮增压技术、废气再循环技术（装有有效的净化设备）；而必须与低硫燃油配合使用的是增湿技术、乳化技术以及直喷水技术；因为稀薄燃烧技术现今仍处于开发研究阶段，故不宜在现阶段推广使用。
查询现在的油价价格如下：
重油（HFO）的价格是每吨4500元，低硫燃料（MGO）的价格每吨4900元。
从运行成本上考虑1=6<3=4=5。
5总结
通过对技术减排优劣的比较，我们可以看出以上六种技术减排性能由优到劣的排列顺序为：
2（稀薄燃烧技术）>6（废气再循环系统）>4（直喷水技术）>3（增湿技术）=1（高压涡轮增压（二级增压））>5（乳化技术）。
而通过对技术运行成本的比较，我们可以清晰的看出以上其中技术的成本由低到高的排列为：
1（高压涡轮增压（二级增压））=2（废气再循环系统）<3（增湿技术）=4（直喷水技术）=5（乳化技术）。
综合以上两种不同方面的比较结果，可以发现稀薄燃烧虽然减排性能最好，但由于还处于研究阶段，还不能在实际机器中使用，因此不能选为可行的方案。
废气再循环系统在除稀薄燃烧外，减排性能最好，但由于具有不能运用到二冲程等大功率柴油机上，所以这种技术在现在还不会被人们采纳，但在不远的未来，这种技术势必要运用到船舶柴油机上。
虽然现在不能运用到船舶主动力装置上，但可以在发电柴油机上推广这一技术，并随着技术的更新
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