【船海讲坛】船舶柴油机减排防污染的几种方法

“船海人”

元素周期表上排名靠前的这几个常见的非金属真是悲催，要么太活跃，易燃易爆，如氢气；要么太不活波，如氦气常作为惰性气体；要么有毒，如砷和磷；要么成为全民公敌，如碳C，氮N，硫S一旦和氧O结合，也变成有毒有害了，真是想说爱你不容易啊！

话说陆地上汽车排放有欧II，欧III标准，我国可以选择性的跟风执行，限排，年检测尾气排放，这里面可操作的为人因素很多，连响当当的大众汽车都在造假！你知道吗，海上航行的船舶柴油机也有限排防污染的要求，而且对此要求，我们国家还必须毫无保留地执行，因为我们是MARPOL公约的缔约国。对船舶柴油机约束的条款主要涉及两大块，防污染和低碳减排，柴油机的污染源主要有氮氧化物和硫氧化物，低碳主要涉及CO2排放，二氧化碳虽然没有污染，但全球人都在指责它让地球变暖，从未觉得让全世界感到温暖竟是如此可怕。

还有不到两个月就到2016年元旦了，我今天不是提前给大家道祝福的，而是因为这一天是IMO对柴油机NOx 排放限制第三阶段TIER III的生效日期，几家欢喜几家愁，愁的是船厂和船东，更新设备或采购成本又要增加了，喜的是柴油机制造商，有利可图了。当然在鄙人看来，目前有四种可行的操作方法或实现或规避硫氧化物和氮氧化物排放控制条款。

途径一：公约生效的条件是2016年1月1日以后铺龙骨的，且航行于北美排放控制区，加勒比海排放控制区等，如果不想限于此要求，那么船厂手持订单，或者是那些“我选我”的订单船，肯定要在此日期前上船台，相信接下来不到两个月的时间，会是很多船级社签发上船台证明的集中期。

途径二：选择能满足此要求的柴油机，这个要求已经被各大柴油机厂商和节能环保厂家合作实现了，我怀疑此要求就是占垄断地位的某些柴油机厂家向IMO环境保护委员会提出来的，目的就是排挤二流竞争者，确保其继续处于绝对市场份额优势。

当然目前科技水平的限制，仅仅靠改变柴油机的气缸结构，控制柴油机喷油定时、喷油量及喷油压力，或改变柴油机的进排气方式等机体内部措施，其排放的废气是很难满足IMO 第三阶段排放要求的。

目前针对船用柴油机达到 Tier III排放标准的减排技术大体可以分为两类。一类是通过控制柴油机缸内燃烧的方法降低 NOx 排放，如 MAN B&W 和 Wartsila 等公司正在研发燃油乳化技术，可以改善燃烧雾化和油气混合，减少燃料在化学计量比附近燃烧的区域，从而降低NOx。其他如缸内直接喷水、可变喷嘴增压、废气再循环、燃气再循环以及进气加湿等技术，可以降低柴油机缸内燃烧火焰温度，来抑制 NOx生成。另一类是通过对柴油机的尾气进行处理降低 NOx排放，主要采用的方法是 SCR 选择性催化还原法，这一方法可以把尾气的NOx含量降至最低。

途径三：选择满足要求的燃油，这方法用来满足MARPOL附则VI第14条的要求，使用0.5%的低硫燃油燃油，截止日期为2010年1月日。主要控制硫氧化物排放，与TIER III无关。

途径四：使用不含S和N的其他可行的替代性燃料，例如天然气（绝对不含S和N是不可能的，天然气也有少部分杂志）。基于此已经诞生了双燃料机或者单一燃料机。

下面将逐一介绍船舶推进柴油机控制氮氧化物NOx和硫氧化物SOx的几种已经在应用的技术方案，如废气再循环法，选择性氧化还原法，废气清洗系统和采用双燃料。

1. 废气再循环技术EGR

废气再循环英文全称为Exhaust Gas Recirculation，缩写EGR，此技术用于控制氮氧化物，通过部分回引柴油机排放的废气，与新鲜空气混合后共同参与气缸的燃烧反应，利用废气中含有大量气体(CO2、N2、H2O 等)并具有较高的比热这一特性来降低NOx 的生成。因为NOx 生成的重要条件是高温、富氧，而废气的引入一方面使混合气的热容量增大，使相同量的混合气升高同样温度所需热量增加，从而降低最高燃烧温度；另一方面废气对新鲜空气的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效地抑制了NOx的生成，大幅降低了NOx 的浓度。技术成本增加不大的情况下，可以有效抑制NOx的生成。

EGR 技术与柴油机相应的燃油喷油技术，如高压共轨喷油系统相结合是改善发动机整体性能的非常重要的发展趋势。目前，一些主流的柴油机厂如MAN 公司和Wartsila公司均已开发出基于EGR 技术的低速柴油机，其排放的废气已被证明能够满足IMO 第三阶段NOx 的排放要求，安装这种柴油机的船舶在2016 年以后将可以在NOx 排放控制区（ECA）的海域内自由航行。

EGR 系统的基本工作原理是：把柴油机排气管中的部分废气旁通到洗涤塔中，洗涤去除灰尘和渣滓，同时可以将部分硫化物洗涤掉，然后比较干净的废气将进入冷却、水雾捕捉器进行冷却，并将其中水雾除去，废气再循环风机将其泵入柴油机进气管，与增压空气混合后进入气缸内燃烧。由于洗涤后的淡水中含有酸性物质（主要是氮氧化合物、硫化物与水结合产生的），故必须在泄放的水中加入一定量的氢氧化钠液体进行中和处理，处理后的淡水才能进行再循环使用。

应用案例：

MAN与阿法拉伐公司合作研发的EGR，集成了阿法拉伐的PureNOx水处理系统，该方案目前已安装在1092 TEU的“Alexander Maersk”号集装箱船和4500 TEU的“Maersk Cardiff”号集装箱船。据介绍，船东对废气再循环系统需要的投资非常小，其运行成本大约占燃料成本的7-10%，在Tier III模式，其运行成本更是只占燃料成本的4-6%。

EGR系统的优点：

• 整个系统均为柴油机厂整合打包，对船厂和设计公司来说风险最小。

• 这个系统对废气的温度没有要求，特别适合低速柴油机。

• 本系统可适用于燃油中硫的含量达3%的燃油，故船东的燃油成本将大大降低。

• 整个系统采用淡水闭式循环，故需要额外的淡水较少，且系统产生的废弃物也不是很多。

EGR系统的缺点：

• 体积较大，占用大量的、宝贵的机舱空间；

• 耗能较大，特别是风机、水泵的耗能，以一台9000 KW 的低速机为例，整个系统需要额外的电力约220 KW，故辅机功率要增大不少。

• 由于要改变柴油机部分结构，因此该系统更适合于新造船选用，且其整个前期投资成本较高。

2. 选择性催化还原技术

选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，SCR）的工作原理是：通过在排气管上安装一套选择性催化转换器，利用氨（NH3）有选择性的与NOx 在催化剂的作用下进行化学反应，将其转化为氮气和水从而除去NOx。其反应原理为

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H20

经过这道程序处理后的废气中约有70%~80%的NOx 被吸收，从而到达清洁排放、完全满足IMO第三阶段废气排放的要求。

一个典型的SCR 系统的主要部件有转化炉、尿素供给系统、监测单元和控制单元等，如图所示。

安装在柴油机上和排气管上的各种传感器持续监测柴油机的工作工况、排气压力、排气温度，废气中NOx 含量等参数，计算出所需的尿素液量后，向排气管中喷射出定量的雾化尿素。让尿素与废气充分混合后到达转化炉中，在催化剂的作用下，NOx 与NH3 充分反应，从而消除NOx、达到清洁废气，达标排放的目的。

应用案例：

MAN公司给英国Petrofac公司，在振华重工建造，入级LR的一艘多功能深水建设支援船（deepwater derrick lay vessel）供应6套选择性催化还原脱硝设备（SCR），安装于6台MAN 16V32/44CR发动机上。发动机本身可满足TIER II要求，在发动机上配备SCR系统的话，即可满足Tier III。

SCR系统的优点：

• 技术成熟，十年前就已经有装船使用的实例了，且不需要改动柴油机，主要的装置均安装在排气管上，节约空间，安装成本也较低；

• 氨的来源（尿素）成本较低、储存方便，整个装置的使用成本不高；

• 整个系统为全自动监测、控制，操作简单，没有额外的废弃物产生，对船上的其他系统也没有过多的特别要求，对废气锅炉也无任何影响；

• 还能起到一定的降低柴油机噪音的作用；

• 一些老旧船舶也可以通过改装来实现清洁废气排放。

SCR系统的缺点：

• 需设独立的尿素液柜，占用空间；

• 柴油机燃油中的硫含量不能太高，否则大量的硫化物（SOx）与尿素反应，生成硫酸铵（NH4）2SO4 并附着在催化剂的载体上（多孔陶瓷砖），有堵塞孔洞的危险，且由于隔离了催化剂与废气的接触，易使催化剂失效。

• 催化还原反应需要一定的温度，假如排气温度低于300℃，催化还原反应的效果就会很差。故SCR 系统不适合安装在一些排气温度较低的低速柴油机的排气管路中，也就是说SCR 系统不适合处理低速柴油机排放的废气。

• 如果低速柴油机必须要安装SCR 系统，则必须在排气管路中增设一套废气再加热系统来提高废气温度，或者将SCR 系统整合在柴油机排气总管与增压器之间的管路中（类似EGR 系统），但如果这样，整个系统的初期投资成本将会大大增加。

3. 废气清洁系统

船舶柴油机废气中的SOx 是燃油中的硫燃烧后形成的污染物，通过主机燃烧自身技术改造很难达到SOx 排放控制目的，只能通过燃料前处理、废气后处理或者替代燃料的方式进行控制， 即燃料前处理方式，采用专门的工艺对燃油进行脱硫处理，船舶直接使用符合规定的低硫燃油。或者废气后处理方式，通过安装废气处理装置，把废气中的SOx 清除，达到与使用低硫燃油等效的减排效果。

废气清洗系统（EGC）是船舶运输领域应用较多的后处理技术，IMO 专门制定了《2009年废气清洗系统导则》，即海上环境保护委员会决议案MEPC.184(59)决议，该导则规定了废气清洗系统排放符合性（包括废气排放和洗涤水排放）验证方法和检验程序，是EGC 系统法定检验的主要依据。废气清洗系统也成为脱硫塔，目前有两种脱硫塔，湿式和干式。湿式EGC采用包含氢氧化钠的海水或者淡水作为除硫剂，而干式EGC用固体氢氧化钙粉末。在船上，湿式EGC是主流的。

其工作原理是，废气被EGC单元里的洗涤水喷射冷却，在某些情况下可能包括多个位置，如废气入口处，因为在冷却过程中废气温度降低，包含了冷凝的硫氧化合物，例如硫酸盐，可溶性有机物成分等转化为液体或者固体，这样很容易被清洗水捕获。包含了硫氧化物的气体成分通过清洗水的吸收或气体-液体接触产生的化学反应被带走，还可以插入多孔介质，以增加气体-液体接触。下图为阿尔法-拉法公司的EGC在船上应用原理图。

3. 双燃料柴油机

双燃料柴油机以MAN和wartrila为两种代表，MAN为高压燃气，250公斤以上；而瓦锡兰为低压燃机技术，不超过16公斤。

瓦锡兰低压燃气技术

目前Wartsila推出基于低压燃气技术的新型双燃料船用柴油机。柴油机的废气排放可以减少80%～85%氮氧化物和20%～30%二氧化碳，由于使用了清洁的天然气，故几乎没有硫氧化物和固体颗粒排放，完全满足IMO 第三阶段的排放要求，并大大降低船舶的EEDI 指数。图3 为某柴油机典型的燃气系统系统图。

该系统主要包括加气站、LNG 储存柜、蒸发器及控制单元、燃气加热系统、气阀单元和双燃料机组。其中双燃料机组上的燃气元件主要包括燃气进气系统、点火系统和控制系统等。使用该系统的主要优点是供气单元几乎不需要动力，仅提供加热的水/ 乙二醇系统即可，通过加热系统就可以得到低压的燃气和保持LNG 柜中的额定压力。目前厂家提供的LNG 柜与蒸发器系统均可整合在一个单元上，故对船厂来说，系统安装简单、相应的技术风险也较低。

MAN的高压燃气技术

ME-GI 柴油机是以成熟电子控制式ME 柴油机为基础，专为LNG 市场开发的能燃烧天然气和燃油的船用低速电控柴油机。它是在ME 电控型柴油机上安装了一个250bar ～ 300bar 压力的天然气共轨管。并对MC-GI 的一些零部件进行了改进设计，如燃气喷射蓄压块、液压缸单元、燃气供应系统、大排管等。它既能在柴油与天然气双燃料状态下工作，又能在纯柴油状态下正常工作，还能实现柴油和双燃料之间的方便转换。其功率输出、效率以及转速性能与传统的ME-C 系列柴油机相同。

LNG燃料船的优点：

• 成本优势。按照目前的油价和LNG 价格水平，船舶使用LNG 比使用柴油能节约40%～60%的燃料费用。按热值计算，LNG 价格只有柴油的60%左右，且天然气燃烧彻底，不易积碳，大大减少了柴油机的维护费用。

• 安全优势。LNG 系统并没有想象的那样危险。LNG 属低温液体，即使发生泄漏事故也会很快自然气化，其密度比空气轻，泄漏后会自动向上迅速溢开，只要舱室通风良好，不会产生气体聚集；LNG 的燃点比汽、柴油更高，故瞬间着火比油慢。LNG 爆炸极限比汽油和柴油的爆炸极限宽，且LNG 易扩散，故也难达到爆炸条件。

LNG燃料船的劣势：

• LNG 燃料船的造价较高，对于初期投资的船东会带来一定的成本压力；

• LNG 燃料缺乏成熟的使用规则，船级社虽然实时地推出了相应的规范或者指南，且不久前IMO通过了IGF Code，但规范和规则比较年轻还在不断修订，以跟紧工业界的步伐；

• 船厂、设计公司及船级社的相关技术人员均缺少培训，故该系统的设计、安装施工、调试、检验及操作均需寻找专业的厂家提供支持，推广起来有难度；

• LNG 燃料系统体积庞大，系统复杂，整个系统所占空间比传统的燃油燃料储存所占空间大很多，系统重量也比前者重。且LNG系统布局有些特殊要求，这给船舶的设计和建造带来了很大的难度，并且也影响到船舶的载货量。

• 港口LNG 补给设施不完善。尽管LNG 补给并不困难，但是港口方面却没有建立起完备且实用的配套体系。一向注重环保的北欧国家走在了前列，丹麦、挪威、芬兰、瑞典等国家目前已经在港口陆续建立起LNG 配套系统，大力推广使用以LNG 为燃料的渡船、滚装船和平台供应船等，并取得了相当好的经济效益和环境效益。各船级社也及时推出了LNG加注指南等相关规范。