船舶柴油机的有害排放及控制.ppt

,柴油机燃用HC化合物燃料完全燃烧时,只产生CO2、H2O,没有其它有害产物。由于可燃混合气在燃烧前和燃烧中的极短时间完成的,混合气不均匀程度较严重。在高温富氧环境下易生成NOx，在高温缺氧环境下不完全燃烧生成CO和炭烟粒子,在低温及混合气过稀条件下易生成HC。燃油中的硫燃烧生成SO2 及SO3。,第5章 船舶柴油机的有害排放及控制,5.1船舶柴油机的排放与危害5.2控制船舶柴油机排放的有关法规 5.3柴油机有害排放的控制措施,主要内容：,一、柴油机排气污染物的主要成分无害成分：CO2、水蒸气(H2O)、过量空气、残余氮气(N2)等。(占总量的99.8）有害成分：CO、NOx、HC、硫氧化物（SOx）、颗粒等。,5.1 船舶柴油机的排放与危害,排放物（排放）：,我国有关标准把废气中有害成分及CO2和炭烟等统称排放物。,二、柴油机排放物的危害1）氮氧化物(NOx)：NO（90%以上）+NO2=NOx；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是棕色刺激性气体,对肺和心肌有很强的毒害作用。NOx形成光化学烟雾。,2）碳氢化合物(HC)：燃油未完全燃烧产物的总称。烯烃：略带甜味,有麻醉作用,对粘膜有刺激,形成有毒的光化学烟雾。芳香烃：对血液和神经系统有害,多环芳香烃及其衍生物有致癌作用。醛类：刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。,黑烟：燃油不完全燃烧生成的炭烟 影响视线，危害呼吸系统，炭烟微粒吸附有SO2和多环芳烃，有致癌的危险 蓝烟和白烟：燃油或润滑油的微粒 蓝烟：粒径在0.5m以下 白烟：粒径在1m以上 4）一氧化碳（CO）：无色、无嗅的有毒气体。导致人体组织缺氧，严重时窒息死亡。5）二氧化硫（SO2）：燃油中的硫分在燃烧中的产物 有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎症。形成酸雨。,3）颗粒（PM）：是指用清洁过滤空气稀释，气体温度低于或等于325K(52)时，在规定的过滤介质上所采集到的物质。颗粒主要组分：碳、凝结的碳氢化合物、硫酸盐和缔合水。柴油机排出的颗粒大多小于0.3m，人呼吸时，被吸入肺部，在肺里滑动，造成肺组织的伤害。另外，颗粒碳核在吸附的其它有毒物质被吸入人体，也会对人体造成损害,4）一氧化碳（CO）：无色、无嗅的有毒气体。导致人体组织缺氧，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）硫氧化物（SOx）：SOX是燃油中的硫分在燃烧中的产物，主要包括SO2和SO3。SO2具有刺激性，与水结合后生成亚硫酸，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎症。另外，SO2进一步氧化的产物SO3与水分作用形成硫酸并形成酸雨。,三、柴油机有害气体排放物的生成机理1NOx：指柴油机排气中各种氮氧化物的总称。对柴油机来说要控制的氮氧化物主要是NO的排放量，而对人类直接造成危害的成分是NO2。柴油机排气中的NOx主要是由空气中的氮在高温环境下氧化生成的，即“热氮氧化物”。柴油机燃烧过程中决定NOx生成率大小的三个主要因素是：高温、富氧和在高温下燃气的停留时间。2.HC：包括燃油中的未燃烃类、裂解反应和再化合反应的产物、燃烧和氧化反应的中间产物（如醛、醇等）所组成的，少部分产生于润滑油。HC的生成机理很复杂，由多种因素形成的。根本原因：烃类在空气中不能燃烧或不能完全燃烧，如在温度或压力过低；混合气浓度过浓或过稀条件下都可能形成碳氢化合物。柴油机在怠速或小负荷运转时的HC排放大于高负荷时的HC排放。,3.CO CO是烃燃料燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一。一般来说，如果达到一定的反应温度，并在氧化剂存在的条件下，CO将继续进行反应，而生成燃烧产物CO2。如果燃烧过程中局部空间或瞬时存在下列条件之一，则CO不能继续燃烧而被排出机外：1）反应着的气体温度突然过低；2）反应着的气体突然缺氧；3）反应物停留在适合反应条件的时间过短。在燃烧室中，生成CO的主要部位是富油区、稀熄火焰和火焰淬熄区。,4.颗粒:也称微粒（Particulate Matter:PM）柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。当排气温度较高时，它主要是碳质微球的聚集体，一般称之为碳烟（Dry Soot:DS），它主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解并脱氢而生成的以碳为主要成分的固体微小颗粒。当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份（Soluable Organic Fraction:SOF）,它是重质有机化合物从气缸内排出并被空气稀释时凝结并被碳粒所吸附的。若排气成份中HC含量高，则冷凝作用就更强烈。,5.2 控制船舶柴油机排放的有关法规,上世纪70年代以来，由于环境污染的日益严重和人们对环境状况的日益关注，内燃机有害排放物对大气造成的危害受到了人们的高度重视。各国际组织及世界各国和地区相继以法规的形式对内燃机排放物加以强制性限制。主要内容：一国际海事组织（IMO）的有关规定二其它国家和地区的有关排放法规三排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响,一国际海事组织（IMO）的有关规定 为限制和控制船舶向大气排放有害物质，IMO1997年通过了修订73/78国际防止船舶造成污染公约（MARPOL公约）的1997年议定书。该议定书新增了MARPOL公约附则VI“防止船舶造成空气污染规则”。其中第13条、第14条分别对柴油机NOx排放和SOx排放作出了相应的规定。1）关于NOx限值排放量的最高限制线，由三部分组成，（1）NOx17 g/(kWh)低速机 n130 r/min；（2）NOx45.0n-0.2 g/(kWh)中速机 130 r/minn2000r/min；（3）NOx9.8g/(kWh)高速机 n2000r/min。,图5-2 船用柴油机最大NOx排放量,2）关于SO2限值 船舶柴油机使用的任何燃料的硫含量不得超过4.5%m/m；SOx排放控制区域：波罗的海，英吉利海峡和北海。船舶在SOx排放控制区域，应满足下列条件之一：(1)燃油的硫含量不超过1.5m/m；(2)采用认可的废气滤清系统把船舶的SOx排放总量减少至6.0g/kWh或更少；(3)采用核实和可行的任何其他技术把船舶的SOx排放总量减少至6.0g/kWh或更少。目前船舶多采用第(1)种措施来保证硫化物排放达到标准，此时船舶的燃油注入、驳运系统应满足在SOx 排放控制区内进行低硫燃油的转换作业。,除国际海事组织73/78国际防止船舶造成污染公约附则VI“防止船舶造成空气污染规则”外，美国、欧洲等国家和地区也制定了本国或本地区的排放法规，这类排放法规虽然只在本国或本地区内适用，但往往比国际法规更加严格。美国将IMO的73/78污染公约附则VI“防止船舶造成空气污染规则”定为第一级的排放控制标准，在此基础上又制定了另一套更严格的船用柴油机排放的限制标准。欧盟规定自2006年5月起，所有船舶必须使用硫含量1.5%以下的燃油；在欧洲固定航线的客轮应使用硫含量1.2%以下的燃油；所有在欧洲港口停泊的船舶使用燃油的硫含量应低于0.2%，到2010年1月后使用燃油的硫含量应低于0.1%；或使用排气后处理措施达到相应的SOx排放水平。欧洲各国如瑞典、挪威等还制定了不同的排放收费标准，其基本原则是以IMO的73/78污染公约附则VI“规则”所规定的限制指标为基准制定港口、航道费用的收费标准，对于排放量低的船舶予以减免，而对于排放量高的船舶予以重罚。,二其它国家和地区的有关排放法规,随着排放法规的实施以及排放法规的逐步严格，将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响，甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。,三排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响,1.对船舶柴油机发展的影响 影响氮氧化物(NOx)生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程，它和柴油机的结构、工作过程参数、运行工况、各辅助设备和系统的工作质量都有关系。降低氮氧化物(NOx)排放的方法主要是机内处理和机后净化。机内处理方法的关键是有效的控制燃烧过程；采用机后处理方法虽然不会影响柴油机的热效率，但设备的增加必然引起船舶初造价的提高和船员维护管理工作的增加。,2.对船用柴油机燃油的影响 SOx排放物的多少主要是由燃油中的硫分所决定的。MARPOL公约附则VI对燃料含硫量的规定对目前主要以低质燃料油为主要燃料的船舶柴油机来说将存在重大的影响。中东地区石油储量占世界石油储量的66.4%，以其为原料生产的低质燃料油的含硫量较高，甚至可能高达6%，为了满足要求，特别是在SOx控制区内，降低燃料含硫量是减少废气中氧化硫产物的唯一有效方法。脱硫处理后，燃料的价格也会上升，燃料费用增加。另外一种除去废气中氧化硫的方法是水洗。但是在每一条船上装设庞大的氧化硫处理设备，不论从经济角度还是从环保角度都存在一定的问题。,柴油机排放物控制的重点：NOx与颗粒，其次是SOx。研究表明，有效地控制柴油机有害物的排放，必须从柴油机的燃烧过程的改进、排气后处理以及改善燃油品质入手。有害排放的控制措施：机前处理，机内处理和机后处理。,5.3 柴油机有害排放的控制措施,一、燃烧过程的改进1)高压喷射 喷射高压和短喷油持续期,改善雾化质量,加大喷油速率,卷入油束空气量增加,燃油与空气混合和燃烧速度加快,颗粒排放降低。2）推迟喷射 增大喷油提前角，发火前喷入气缸的燃油量多，爆燃严重，最高燃烧温度较高，NOX的生成量较多；反之，NOX的生成量较少。因此，推迟喷射可减小缸内NOX的生成量。3)电控喷射及引导喷射 实现高压喷射和引导喷射,根据工况变化对喷油规律最优控制，既保证柴油机性能又抑制NOx与颗粒。4)排气再循环(EGR)EGR是使部分排气再次进入气缸进行循环，一般可使约10%20%的废气再次进入发动机气缸。采用EGR后，由于进气中氧浓度降低和热容量的增加，可获得较低的燃烧速度从而降低Nox生成（降低3040）。,5)喷油器结构的改进 不同的喷油器型式和结构对NOx形成有着重大的影响，燃油的喷射强度也有影响。现代柴油机平均有效压力的提高要求增加喷油器的流通面积，导致喷油器压力室的容积增加，喷油结束时残存在压力室中的燃油会滴入燃烧室，如果滴油较多，这些油不会完全燃烧，则可能形成碳烟、HC、增大NOx排放并在燃烧室形成沉积。目前，标准结构喷油器的压力室容积都相当大，对于HC和颗粒排放都会造成负面的影响。解决这一问题的措施是开发一种“小压力室（mini-sac）”的喷油器，如MAN B&W的“小压力室”喷油器的压力室只有正常压力室的15%，而最新开发的滑动型喷油器则基本消除了压力室，采用这种喷油器，可以减少NOX、CO、HC和碳烟并能大大减轻燃烧室的沉积。6)新型燃烧方式“两阶段燃烧系统”和“稀薄燃烧系统”等。尚未实用。,二加水处理 加水处理的原理是通过采取措施使一定量的水进入气缸，由于水的汽化潜热很高，可以在燃烧过程吸收大量的热量，从而降低最高燃烧温度，减少NOx排放量.,1、燃油乳化 是将燃油掺水形成乳化油在柴油机中进行燃烧，当向柴油机喷入乳化油时，乳化油中的水被蒸发，使燃烧温度峰值下降，能较大幅度地减少NOX排放。在一般情况下增加一个百分点的水将减少一个百分点的NOX，通常乳化油中含有10%的水，可使NOX下降612，标准设计的发动机可以满负荷时加入20%的水，此时燃油消耗率几乎没有变化。当水含量再增加时，燃油消耗量会稍有增加。燃油乳化可降低NOX排放3050。使用乳化油还可以改善发动机的排烟，尤其在低负荷时更为明显。,加水的方式主要有以下几种：,2进气加湿 是将水以高压水雾的形式，在压气机后喷入增压空气中的。为防止水雾凝结，有时要通过加热提高增压空气的温度，加热是利用空气冷却器来完成的。这种方法可使NOx排放减少5060而不会提高燃油消耗率。同时还可以降低主机的热负荷并改善缸套清洁条件。进气加湿系统结构简单，成本低和不增加燃油消耗率；但对所喷水的质量要求比较高。,3直接喷水（DWI）DWI技术采用双喷嘴油头，一个喷油，一个喷水。水在燃油喷射之前喷入缸，可以降低燃烧室温度从而降低NOx。在喷水结束之后开始喷油，对燃油的着火和燃烧过程不会造成影响。油、水两个系统是相互独立的。该方法可降低NOX排放5060。随着喷入气缸水量的增加，NOX排放量随之减少，最大的水油比例为50，NOX排放量降低60。,4蒸汽喷射法蒸汽喷射法主要有两种方法：1)通过向压缩后的空气中喷入低压蒸汽来实现的；2)直接向缸内喷入高压蒸汽的方法。前者结构简单，低压蒸汽来源丰富，比较容易实现。第二种方法虽然设备要求比较复杂，成本高，但是其具有降低缸内热应力，减少燃油消耗率等优点，因此有较好的发展前景。,三、废气后处理 对排出的废气在进入大气前进行处理，使废气中有害成分的含量进一步降低。1)对碳烟等微粒的捕集，如水洗法、静电分离法、离心分离、微粒过滤法等；2)通过催化转化（SCR）的方法使NOx还原为N2。水洗法:通过水来清洗废气的方法。可以洗去废气中的SOx，可使SOx含量下降92%，同时也可除去烟灰和降低微粒排放。但占用体积很大，而且只能降低微粒排放的10%左右。静电分离法：将微粒吸附到极性相反的金属电极板上,从排气中分离开来。装置的体积很大。离心分离：将排气引入旋风器,利用离心力将微粒从气流中分离出来。微粒过滤法：采用蜂窝状陶瓷微粒捕集器过滤碳粒。过滤效率可达90%以上。只能把微粒从排气中过滤出来，收集在捕集器，不能清除微粒。,催化转化(SCR)法：使废气中NOx在300400的温度下，以氨或尿素还原剂，在SCR反应器中将废气中的NOx还原为N2。使Nox降低95%。,SCR法是目前大幅降低NOx排放的最有效方法。,