船舶柴油機(jī)的有害排放及控制講解課件

1、 柴油機(jī)燃用HC化合物燃料完全燃燒時(shí),只產(chǎn)生CO2、H2O,沒(méi)有其它有害產(chǎn)物。 由于可燃混合氣在燃燒前和燃燒中的極短時(shí)間完成的,混合氣不均勻程度較嚴(yán)重。 在高溫富氧環(huán)境下易生成NOx， 在高溫缺氧環(huán)境下不完全燃燒生成CO和炭煙粒子, 在低溫及混合氣過(guò)稀條件下易生成HC 。 燃油中的硫燃燒生成SO2 及SO3 。第5章 船舶柴油機(jī)的有害排放及控制5.1船舶柴油機(jī)的排放與危害5.2控制船舶柴油機(jī)排放的有關(guān)法規(guī) 5.3柴油機(jī)有害排放的控制措施主要內(nèi)容：第1頁(yè)，共24頁(yè)。 一、柴油機(jī)排氣污染物的主要成分無(wú)害成分： CO2、水蒸氣(H2O)、過(guò)量空氣、殘余氮?dú)?N2)等。(占總量的99.8） 有害成分：

2、 CO、NOx、HC、硫氧化物（SOx） 、顆粒等。5.1 船舶柴油機(jī)的排放與危害排放物（排放）： 我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把廢氣中有害成分及CO2和炭煙等統(tǒng)稱排放物。第2頁(yè)，共24頁(yè)。二、柴油機(jī)排放物的危害1）氮氧化物(NOx)： NO（90%以上）+NO2 =NOx ； NO是無(wú)色氣體,本身毒性不大,但在大氣中會(huì)緩慢氧化成NO2。 NO2是棕色刺激性氣體,對(duì)肺和心肌有很強(qiáng)的毒害作用。 NOx形成光化學(xué)煙霧。第3頁(yè)，共24頁(yè)。2）碳?xì)浠衔?HC)： 燃油未完全燃燒產(chǎn)物的總稱。 烯烴： 略帶甜味,有麻醉作用,對(duì)粘膜有刺激,形成有毒的光化學(xué)煙霧。芳香烴： 對(duì)血液和神經(jīng)系統(tǒng)有害,多環(huán)芳香烴及其衍生物有致癌作

3、用。 醛類： 刺激性物質(zhì)，對(duì)眼、呼吸道、血液有毒害。第4頁(yè)，共24頁(yè)。黑煙：燃油不完全燃燒生成的炭煙 影響視線，危害呼吸系統(tǒng)，炭煙微粒吸附有SO2和多環(huán)芳烴，有致癌的危險(xiǎn) 藍(lán)煙和白煙：燃油或潤(rùn)滑油的微粒 藍(lán)煙：粒徑在0.5m以下 白煙：粒徑在1m以上 4）一氧化碳（CO）：無(wú)色、無(wú)嗅的有毒氣體。導(dǎo)致人體組織缺氧，嚴(yán)重時(shí)窒息死亡。 5）二氧化硫（SO2）：燃油中的硫分在燃燒中的產(chǎn)物 有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎癥。形成酸雨。 3）顆粒（PM） ： 是指用清潔過(guò)濾空氣稀釋，氣體溫度低于或等于325K(52)時(shí)，在規(guī)定的過(guò)濾介質(zhì)上所采集到的物質(zhì)。顆粒主要組分： 碳、凝結(jié)的碳?xì)浠?/p>

4、合物、硫酸鹽和締合水。 柴油機(jī)排出的顆粒大多小于0.3m，人呼吸時(shí)，被吸入肺部，在肺里滑動(dòng)，造成肺組織的傷害。 另外，顆粒碳核在吸附的其它有毒物質(zhì)被吸入人體，也會(huì)對(duì)人體造成損害第5頁(yè)，共24頁(yè)。4）一氧化碳（CO）： 無(wú)色、無(wú)嗅的有毒氣體。導(dǎo)致人體組織缺氧，嚴(yán)重時(shí)窒息死亡。 在柴油機(jī)的排氣中CO含量較少，只在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)排放量較高。 5）硫氧化物（SOx）： SOX是燃油中的硫分在燃燒中的產(chǎn)物，主要包括SO2和SO3。 SO2具有刺激性，與水結(jié)合后生成亞硫酸，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎癥。 另外，SO2進(jìn)一步氧化的產(chǎn)物SO3與水分作用形成硫酸并形成酸雨。第6頁(yè)，共24頁(yè)。三、柴油

5、機(jī)有害氣體排放物的生成機(jī)理1NOx：指柴油機(jī)排氣中各種氮氧化物的總稱。 對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)要控制的氮氧化物主要是NO的排放量，而對(duì)人類直接造成危害的成分是NO2。 柴油機(jī)排氣中的NOx主要是由空氣中的氮在高溫環(huán)境下氧化生成的，即“熱氮氧化物”。柴油機(jī)燃燒過(guò)程中決定NOx生成率大小的三個(gè)主要因素是： 高溫、富氧和在高溫下燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間。2. HC：包括燃油中的未燃烴類、裂解反應(yīng)和再化合反應(yīng)的產(chǎn)物、燃燒和氧化反應(yīng)的中間產(chǎn)物（如醛、醇等）所組成的，少部分產(chǎn)生于潤(rùn)滑油。 HC的生成機(jī)理很復(fù)雜，由多種因素形成的。根本原因： 烴類在空氣中不能燃燒或不能完全燃燒，如在溫度或壓力過(guò)低；混合氣濃度過(guò)濃或過(guò)稀條件下都可

6、能形成碳?xì)浠衔铩?柴油機(jī)在怠速或小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的HC排放大于高負(fù)荷時(shí)的HC排放。 第7頁(yè)，共24頁(yè)。3. CO CO是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之一。 一般來(lái)說(shuō)，如果達(dá)到一定的反應(yīng)溫度，并在氧化劑存在的條件下，CO將繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，而生成燃燒產(chǎn)物CO2。 如果燃燒過(guò)程中局部空間或瞬時(shí)存在下列條件之一，則CO不能繼續(xù)燃燒而被排出機(jī)外： 1）反應(yīng)著的氣體溫度突然過(guò)低；2）反應(yīng)著的氣體突然缺氧；3）反應(yīng)物停留在適合反應(yīng)條件的時(shí)間過(guò)短。 在燃燒室中，生成CO的主要部位是富油區(qū)、稀熄火焰和火焰淬熄區(qū)。第8頁(yè)，共24頁(yè)。4.顆粒:也稱微粒（Particulate Matter:PM） 柴油機(jī)PM的

7、組成取決于運(yùn)轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。 當(dāng)排氣溫度較高時(shí)，它主要是碳質(zhì)微球的聚集體，一般稱之為碳煙（Dry Soot:DS），它主要是柴油機(jī)在高壓燃燒條件下，局部高溫、缺氧、裂解并脫氫而生成的以碳為主要成分的固體微小顆粒。 當(dāng)排氣溫度較低時(shí)，碳煙會(huì)吸附和凝聚多種有機(jī)物，稱為有機(jī)可溶成份（Soluable Organic Fraction:SOF）,它是重質(zhì)有機(jī)化合物從氣缸內(nèi)排出并被空氣稀釋時(shí)凝結(jié)并被碳粒所吸附的。 若排氣成份中HC含量高，則冷凝作用就更強(qiáng)烈。第9頁(yè)，共24頁(yè)。5.2 控制船舶柴油機(jī)排放的有關(guān)法規(guī) 上世紀(jì)70年代以來(lái)，由于環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和人們對(duì)環(huán)境狀況的日益關(guān)注，內(nèi)燃機(jī)有害排放

8、物對(duì)大氣造成的危害受到了人們的高度重視。 各國(guó)際組織及世界各國(guó)和地區(qū)相繼以法規(guī)的形式對(duì)內(nèi)燃機(jī)排放物加以強(qiáng)制性限制。主要內(nèi)容：一國(guó)際海事組織（IMO）的有關(guān)規(guī)定二其它國(guó)家和地區(qū)的有關(guān)排放法規(guī)三排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的影響第10頁(yè)，共24頁(yè)。一國(guó)際海事組織（IMO）的有關(guān)規(guī)定 為限制和控制船舶向大氣排放有害物質(zhì)，IMO1997年通過(guò)了修訂73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL公約）的1997年議定書(shū)。該議定書(shū)新增了MARPOL公約附則VI “防止船舶造成空氣污染規(guī)則”。其中第13條、第14條分別對(duì)柴油機(jī)NOx排放和SOx排放作出了相應(yīng)的規(guī)定。1）關(guān)于NOx限值排放量的最高限制

9、線，由三部分組成， （1）NOx17 g/(kWh)低速機(jī) n130 r/min；（2）NOx45.0n-0.2 g/(kWh)中速機(jī) 130 r/minn2000r/min；（3）NOx9.8g/(kWh)高速機(jī) n2000r/min 。 圖5-2 船用柴油機(jī)最大NOx排放量第11頁(yè)，共24頁(yè)。2）關(guān)于SO2限值 船舶柴油機(jī)使用的任何燃料的硫含量不得超過(guò)4.5%m/m； SOx排放控制區(qū)域：波羅的海，英吉利海峽和北海。船舶在SOx排放控制區(qū)域，應(yīng)滿足下列條件之一：(1)燃油的硫含量不超過(guò)1.5m/m；(2)采用認(rèn)可的廢氣濾清系統(tǒng)把船舶的SOx排放總量減少至6.0g/kWh或更少；(3)采用核

10、實(shí)和可行的任何其他技術(shù)把船舶的SOx排放總量減少至6.0g/kWh或更少。 目前船舶多采用第(1)種措施來(lái)保證硫化物排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)船舶的燃油注入、駁運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)滿足在SOx 排放控制區(qū)內(nèi)進(jìn)行低硫燃油的轉(zhuǎn)換作業(yè)。 第12頁(yè)，共24頁(yè)。除國(guó)際海事組織73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”外，美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)也制定了本國(guó)或本地區(qū)的排放法規(guī)，這類排放法規(guī)雖然只在本國(guó)或本地區(qū)內(nèi)適用，但往往比國(guó)際法規(guī)更加嚴(yán)格。美國(guó)將IMO的73/78污染公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”定為第一級(jí)的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上又制定了另一套更嚴(yán)格的船用柴油機(jī)排放的限制標(biāo)準(zhǔn)。 歐盟規(guī)

11、定自2006年5月起，所有船舶必須使用硫含量1.5%以下的燃油；在歐洲固定航線的客輪應(yīng)使用硫含量1.2%以下的燃油；所有在歐洲港口停泊的船舶使用燃油的硫含量應(yīng)低于0.2%，到2010年1月后使用燃油的硫含量應(yīng)低于0.1%；或使用排氣后處理措施達(dá)到相應(yīng)的SOx排放水平。歐洲各國(guó)如瑞典、挪威等還制定了不同的排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，其基本原則是以IMO的73/78污染公約附則VI“規(guī)則”所規(guī)定的限制指標(biāo)為基準(zhǔn)制定港口、航道費(fèi)用的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于排放量低的船舶予以減免，而對(duì)于排放量高的船舶予以重罰。 二其它國(guó)家和地區(qū)的有關(guān)排放法規(guī)第13頁(yè)，共24頁(yè)。隨著排放法規(guī)的實(shí)施以及排放法規(guī)的逐步嚴(yán)格，將對(duì)柴油機(jī)的研制開(kāi)發(fā)、

12、制造及使用產(chǎn)生巨大的影響，甚至在某種程度上引導(dǎo)著柴油機(jī)的發(fā)展方向。三排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的影響1.對(duì)船舶柴油機(jī)發(fā)展的影響 影響氮氧化物(NOx)生成的主要因素是柴油機(jī)氣缸中的燃燒過(guò)程，它和柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程參數(shù)、運(yùn)行工況、各輔助設(shè)備和系統(tǒng)的工作質(zhì)量都有關(guān)系。降低氮氧化物(NOx )排放的方法主要是機(jī)內(nèi)處理和機(jī)后凈化。 機(jī)內(nèi)處理方法的關(guān)鍵是有效的控制燃燒過(guò)程； 采用機(jī)后處理方法雖然不會(huì)影響柴油機(jī)的熱效率，但設(shè)備的增加必然引起船舶初造價(jià)的提高和船員維護(hù)管理工作的增加。第14頁(yè)，共24頁(yè)。2.對(duì)船用柴油機(jī)燃油的影響 SOx排放物的多少主要是由燃油中的硫分所決定的。MARPOL公約附

13、則VI對(duì)燃料含硫量的規(guī)定對(duì)目前主要以低質(zhì)燃料油為主要燃料的船舶柴油機(jī)來(lái)說(shuō)將存在重大的影響。 中東地區(qū)石油儲(chǔ)量占世界石油儲(chǔ)量的66.4%，以其為原料生產(chǎn)的低質(zhì)燃料油的含硫量較高，甚至可能高達(dá)6%，為了滿足要求，特別是在SOx控制區(qū)內(nèi)，降低燃料含硫量是減少?gòu)U氣中氧化硫產(chǎn)物的唯一有效方法。 脫硫處理后，燃料的價(jià)格也會(huì)上升，燃料費(fèi)用增加。 另外一種除去廢氣中氧化硫的方法是水洗。但是在每一條船上裝設(shè)龐大的氧化硫處理設(shè)備，不論從經(jīng)濟(jì)角度還是從環(huán)保角度都存在一定的問(wèn)題。 第15頁(yè)，共24頁(yè)。 柴油機(jī)排放物控制的重點(diǎn)：NOx與顆粒，其次是SOx。 研究表明，有效地控制柴油機(jī)有害物的排放，必須從柴油機(jī)的燃燒過(guò)程

14、的改進(jìn)、排氣后處理以及改善燃油品質(zhì)入手。有害排放的控制措施： 機(jī)前處理，機(jī)內(nèi)處理和機(jī)后處理。5.3 柴油機(jī)有害排放的控制措施 機(jī)內(nèi)處理機(jī)后處理機(jī)前處理催化轉(zhuǎn)化SCR廢氣再循環(huán)蒸汽噴射進(jìn)氣加濕直接噴水高壓噴射噴油器改進(jìn)稀薄燃燒推遲噴油燃油乳化LNG醇類燃料代用燃料改進(jìn)燃燒加水處理改進(jìn)循環(huán)第16頁(yè)，共24頁(yè)。一、燃燒過(guò)程的改進(jìn)1)高壓噴射 噴射高壓和短噴油持續(xù)期,改善霧化質(zhì)量,加大噴油速率,卷入油束空氣量增加,燃油與空氣混合和燃燒速度加快,顆粒排放降低。2）推遲噴射 增大噴油提前角，發(fā)火前噴入氣缸的燃油量多，爆燃嚴(yán)重，最高燃燒溫度較高，NOX的生成量較多； 反之，NOX的生成量較少。 因此，推遲噴

15、射可減小缸內(nèi)NOX的生成量。3)電控噴射及引導(dǎo)噴射 實(shí)現(xiàn)高壓噴射和引導(dǎo)噴射,根據(jù)工況變化對(duì)噴油規(guī)律最優(yōu)控制，既保證柴油機(jī)性能又抑制NOx與顆粒。4)排氣再循環(huán)(EGR) EGR是使部分排氣再次進(jìn)入氣缸進(jìn)行循環(huán)，一般可使約10%20%的廢氣再次進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。 采用EGR后，由于進(jìn)氣中氧濃度降低和熱容量的增加，可獲得較低的燃燒速度從而降低Nox生成（降低3040） 。第17頁(yè)，共24頁(yè)。5)噴油器結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 不同的噴油器型式和結(jié)構(gòu)對(duì)NOx形成有著重大的影響，燃油的噴射強(qiáng)度也有影響。 現(xiàn)代柴油機(jī)平均有效壓力的提高要求增加噴油器的流通面積，導(dǎo)致噴油器壓力室的容積增加，噴油結(jié)束時(shí)殘存在壓力室中的燃油會(huì)

16、滴入燃燒室，如果滴油較多，這些油不會(huì)完全燃燒，則可能形成碳煙、HC、增大NOx排放并在燃燒室形成沉積。 目前，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)噴油器的壓力室容積都相當(dāng)大，對(duì)于HC和顆粒排放都會(huì)造成負(fù)面的影響。 解決這一問(wèn)題的措施是開(kāi)發(fā)一種“小壓力室（mini-sac）”的噴油器，如MAN B&W的“小壓力室”噴油器的壓力室只有正常壓力室的15%，而最新開(kāi)發(fā)的滑動(dòng)型噴油器則基本消除了壓力室，采用這種噴油器，可以減少NOX、CO、HC和碳煙并能大大減輕燃燒室的沉積。6)新型燃燒方式 “兩階段燃燒系統(tǒng)”和“稀薄燃燒系統(tǒng)”等。尚未實(shí)用。第18頁(yè)，共24頁(yè)。二加水處理 加水處理的原理是通過(guò)采取措施使一定量的水進(jìn)入氣缸，由于水的

17、汽化潛熱很高，可以在燃燒過(guò)程吸收大量的熱量，從而降低最高燃燒溫度，減少NOx排放量. 1、燃油乳化 是將燃油摻水形成乳化油在柴油機(jī)中進(jìn)行燃燒，當(dāng)向柴油機(jī)噴入乳化油時(shí)，乳化油中的水被蒸發(fā)，使燃燒溫度峰值下降，能較大幅度地減少NOX排放。 在一般情況下增加一個(gè)百分點(diǎn)的水將減少一個(gè)百分點(diǎn)的NOX，通常乳化油中含有10%的水，可使NOX下降612，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿負(fù)荷時(shí)加入20%的水，此時(shí)燃油消耗率幾乎沒(méi)有變化。當(dāng)水含量再增加時(shí)，燃油消耗量會(huì)稍有增加。 燃油乳化可降低NOX排放3050。 使用乳化油還可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排煙，尤其在低負(fù)荷時(shí)更為明顯。加水的方式主要有以下幾種：第19頁(yè)，共24頁(yè)。2進(jìn)

18、氣加濕 是將水以高壓水霧的形式，在壓氣機(jī)后噴入增壓空氣中的。為防止水霧凝結(jié)，有時(shí)要通過(guò)加熱提高增壓空氣的溫度，加熱是利用空氣冷卻器來(lái)完成的。 這種方法可使NOx排放減少5060而不會(huì)提高燃油消耗率。同時(shí)還可以降低主機(jī)的熱負(fù)荷并改善缸套清潔條件。 進(jìn)氣加濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低和不增加燃油消耗率；但對(duì)所噴水的質(zhì)量要求比較高。第20頁(yè)，共24頁(yè)。3直接噴水（DWI） DWI技術(shù)采用雙噴嘴油頭，一個(gè)噴油，一個(gè)噴水。 水在燃油噴射之前噴入缸，可以降低燃燒室溫度從而降低NOx。在噴水結(jié)束之后開(kāi)始噴油，對(duì)燃油的著火和燃燒過(guò)程不會(huì)造成影響。油、水兩個(gè)系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。 該方法可降低NOX排放5060。隨著噴入氣缸水量的增加，NOX排放量隨之減少，最大的水油比例為50，NOX排放量降低60。