船用柴油机氮氧化物排放控制技术研究

开题报告

轮机工程

船用柴油机氮氧化物排放控制技术研究

一、选题的背景与意义

2005年5月19日，MARPOL73/78附则VI正式生效之后，一定程度上缓解了传播造成大气污染的现象，但是国际海事组织海洋环境保护委员会第57届会议通过了MARPOL73/78附则VI的修正案，对船舶废气中的氮氧化物与硫氧化物及氮氧化物的排放含量作了限制，禁止故意排放消耗臭氧的物质。这一举措给航运业各相关利益方面均提出了新的更高的要求。当今世界由于国际海事组织海洋环境保护委员会通过了新的MARPOL73／78附则VI修正案，对柴油机的废气排放提出了更高的要求。比如。根据已生效的MARP0L73／78附则VI的规定，在NO x排放方面,对于2000年1月1日~2011年1月1日安装的柴油主机的NO x排放量不得超过17克/千瓦·时；2011年1月1日以后安装的柴油主机的NO x排放标准为14.4克/千瓦·时；2016年1月1日以后安装的柴油主机的NO x排放标准为：当船舶航行于指定的排放控制区域内时为3.4克/千瓦·时，在排放控制区外航行时仍为14.4 克/千瓦·时。对于现有主机，MEPC 规定1990年1月1日~2000年1月1日安装的输出功率在5000千瓦以上、汽缸工作容积在90升以上的柴油主机的NO x排放标准为17克/千瓦·时。

从另一方面讲，MARP0L73／78附则Vl的修正案是世界各相关国家、航运业内的各相关利益方相互博弈的结果，是政治、经济利益的体现。按照市场理论，企业将根据技术实施能力的不通，通过技术占领甚至垄断市场，排斥不符合该技术标准的产品，达到排斥异己的目的。MARP0L73／78附则VI中规定的排放限制标准的具体数值，基本上反映了目前船用柴油机生产制造的最高水平。当今，许多发展中国家经过技术引进和研发，都可以生产制造船舶柴油机，但发展中国家的技术和制造工艺水平还不够高，无论从经济性方面，还是从环保性方面，都不能与先进的船舶柴油机生产国相比。正是如此，工业发达国家才要极力促进MARPOL73／78附则Vl的修订和实施。这也就促使着发展中国家要努力提升相关技术水平，抓住机遇，迎接挑战，以期早日达到公约的标准。

针对我国船用柴油机主要依赖许可证生产的现状．在船机减排方面将面临更

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大的压力。因此加快船机氮氧化物排放处理的研究步伐实有必要。

二、主要内容与基本要求：主要内容有降低柴油机氮氧化物的基本技术、IMO不同阶段氮氧化物的排放限制要求。要求论文总体框架清晰，研究论述有理有据，结论正确。

1、IMO不同阶段氮氧化物的排放限制要求

2、船舶氮氧化物生成机理及处理的理论基础

3船舶氮氧化物排放处理技术分类与各自特点

3、SCR技术特点与装置组成

4、SCR技术应用于船舶上时需克服的实际操作性困难及解决办法

三、研究的方法与技术路线：

主要根据研究国内外的氮氧化物处理技术在船舶废气排放处理系统中的应用，以及IMO不同阶段氮氧化物的排放限制要求，通过相关的文献资料的阅读和借鉴，对船用柴油机氮氧化物排放处理装置进行相关探究，并使其应用在船舶废气排放处理系统中，在设计的过程中分别对船用柴油机氮氧化物排放处理技术的各个问题予以研究，使船舶氮氧化物排放处理装置更加完善。

四、研究的总体安排与进度：

2010．11．20下达毕业论文任务书，开始撰写文献综述，开题报告；2010．12．15上交开题报告，文献综述；

2011．1．3开始撰写论文；

2011．4．6上交毕业论文，完成毕业论文答辩；

2011．4．15~2011．5．30毕业实习；

五、主要参考文献：

［1］王晶，胡琳琳。《EED I促造船业加大减排力度--特别关注》。

［2］高荃。《IMO NO x排放标准重新修订--柴油机》，第29卷第4期

［3］尹自斌，孙培廷，魏海军。《船用中速柴油机NO x排放特性实验分析及实船测试探讨--内燃机工程》，第27卷第4期2006年8月

［4］杨国华，胡文佳，王峰，周江华，于春令。《臭氧对船舶废气中氮氧化物的氧化实验研究--中国航海》，第31卷第2期2008年6月

［5］刘玉珂。

《船舶柴油机NO x排放控制措施--世界海运》，第30卷第3期2007

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年6月

［6］丁洪祥，魏海波。《船舶柴油机SCR技术经济性分析--世界海运》，第30卷第5期2007年10月

［7］魏海波，翁烈胜，赵天义，赵勇。《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术--世界海运》，第29卷第2期2006年4月

［8］崔文彬，张余庆，傅志超。《船舶应用燃料电池动向--航海技术》，2006年第3期

［9］李宗立，胡光富，李冬梅，杨方唱，李军，王廷瑞。《船用柴油机氮氧化物排放检测和EIAPP证书的获取--柴油机》，第29卷（2007年）第2期［10］朱国强。《船用柴油机使用乳化燃油，降低NOx排放--航海技术》，2006年第2期

［11］汪祥。《发展中国家如何有效的实施MARPOL73/78附则VI防止船舶造成大气污染--安全生产与监督》，2010年

［12］尹自斌，黄连中，孙培廷。《某船用中速柴油机NOx排放特性分析--船舶工程》，第27卷，2005年第6期

［13］W.GC。《现代重工首台环保船用发动机--军民两用技术与产品》。2010年第4期

［14］陈景锋，蔡振雄，尹自斌。《选择性催化还原减排NOx装置及其在船舶的应用--航海技术》，2008年第4期

［15］郭洋。《船舶污染气体排放迎接新规则--中国船检》，2010年第6期［16］刘宇。《船舶柴油机氮氧化物排放法规限制要求与展望--科技纵横》，2009年第11期

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毕业论文文献综述

轮机工程

船用柴油机氮氧化物排放控制技术研究

一、目前国内外研究现状

面临MARP0L公约附则VI的要求，国外造机企业均提前着手研究减排技术，如瓦锡兰研制的氮氧化物减排装置已经开始了商业化应用。而我国船用柴油机主要依赖许可证生产的现状将在船舶减排方面面临更大压力。不管是采用专门技能环保装置还是高性能主机都会推动新船建造成本较大幅度的提升。因世界造船中心已经转移至亚洲，EEDI的执行不只会对亚洲产生严重影响。而在亚洲，造船中心正逐渐从日本转移至中国．但日本在节能装置和环保船型的开发方面进行了充分的前期准备。而中国却一直处于被动研究的境地，因此，针对此些要求国内船机厂亟须加快研究步伐。

目前国际降低NO x排放采用的主要技术可分为两大类：一.采用机内控制技术，主要是指通过限制缸内燃烧时产生NO x来减少NO x排放。二.采用先进的后处理技术，该办法主要是指使用各种物理、化学方法，通过将废气中的NOx吸收、分解或还原，将有害的NO x气体转化成其他无害物质。其中以后处理技术中的SCR 技术得到了广泛的推广。

二、研究的目的及意义

众所周知海运业长期以来被誉为“最环保”运输方式。然而随着全球对于环境问题重视程度的进一步提高，海运业污染物气体的排放愈加受到公众的关注。国际海事组织统计，船舶每年排放的温室气体占人为造成排放总量的4%，而其中环境污染气体比例也是很大。海运业面临强大的节能减排道德与舆论压力。自《73／78防污公约》附则Ⅵ——防止船舶造成空气污染规则(Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships)于2005年5月19日生效伊始，船舶氮氧化物排放量的限额进一步提高。国内外船机企业开始面临严峻的船机减排挑战。而且氮氧化物的排放间接体现船舶柴油机的运行效率，此与船运公司的营运效率也相关联。

船用柴油机氮氧化物排放控制技术研究即针对船用柴油机氮氧化物的排放，

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综合考虑船舶柴油机运行效率，研究探索更经济、环保的燃气排放控制技术。这对现代船机企业在日益严格的竞争环境下保持相当的竞争力具有重大意义。且氮氧化物控制技术的研究不仅可应用于船用主机上，对陆上各类工业企业也具有同样重要的意。

三、船用柴油机氮氧化物排放控制技术的发展趋势

船舶NO x排放中以NO为主。NO生成的主要影响因素有温度，氧浓度和高温滞留时间。前面提到过，船用主机NO x排放控制技术可分为机内控制技术与后处理技术两大类。目前，比较成熟的机内控制技术有:加水燃烧，改进喷油系统，废气再循环技术（EGR— Exhausted Gas Recirculation)等。然而，使用这种办法往往伴随着燃油消耗率的提高，而且该方法无法实现“零排放。后处理技术主要处理方法包括:选择性催化还原法(SCR—Selective Catalytic Reduce)、非选择性催化还原(NSCR)、稀NO技术等，其中SCR法即利用NH3有选择性的催化还原NO x反应，将有害气体NO x转化为无害的氮气和水的后处理装置。且该技术被公认为最成熟、最有效的措施，在船用柴油机氮氧化物排放控制中正在逐步推广。由德国西门子公司及其用户合作开发的SINO x系统，经统计其NO x转化效率达90%。且SCR技术在工业废气处理中也有应用并被探究。

因此，SCR技术在各种氮氧化物排放控制技术中具有最广泛的研究与发展前景。

四、主要参考文献：

［17］王晶，胡琳琳。《EED I促造船业加大减排力度--特别关注》。

［18］高荃。《IMO NO x排放标准重新修订--柴油机》，第29卷第4期

［19］尹自斌，孙培廷，魏海军。《船用中速柴油机NO x排放特性实验分析及实船测试探讨--内燃机工程》，第27卷第4期2006年8月

［20］杨国华，胡文佳，王峰，周江华，于春令。《臭氧对船舶废气中氮氧化物的氧化实验研究--中国航海》，第31卷第2期2008年6月

［21］刘玉珂。《船舶柴油机NO x排放控制措施--世界海运》，第30卷第3期2007年6月

［22］丁洪祥，魏海波。《船舶柴油机SCR技术经济性分析--世界海运》，第30卷第5期2007年10月

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［23］魏海波，翁烈胜，赵天义，赵勇。《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术--世界海运》，第29卷第2期2006年4月

［24］崔文彬，张余庆，傅志超。《船舶应用燃料电池动向--航海技术》，2006年第3期

［25］李宗立，胡光富，李冬梅，杨方唱，李军，王廷瑞。《船用柴油机氮氧化物排放检测和EIAPP证书的获取--柴油机》，第29卷（2007年）第2期［26］朱国强。《船用柴油机使用乳化燃油，降低NOx排放--航海技术》，2006年第2期

［27］汪祥。《发展中国家如何有效的实施MARPOL73/78附则VI防止船舶造成大气污染--安全生产与监督》，2010年

［28］尹自斌，黄连中，孙培廷。《某船用中速柴油机NOx排放特性分析--船舶工程》，第27卷，2005年第6期

［29］W.GC。《现代重工首台环保船用发动机--军民两用技术与产品》。2010年第4期

［30］陈景锋，蔡振雄，尹自斌。《选择性催化还原减排NOx装置及其在船舶的应用--航海技术》，2008年第4期

［31］郭洋。《船舶污染气体排放迎接新规则--中国船检》，2010年第6期

刘宇。《船舶柴油机氮氧化物排放法规限制要求与展望--科技纵横》，2009年第11期

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本科毕业论文

（20 届）

船用柴油机氮氧化物排放控制技术研究

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目录

0引言 (1)

1船用柴油机面临的NOx减排形势 (3)

1.1国际海事组织NOx排放限制 (3)

1.1.1 第一阶段目标 (3)

1.1.2第二阶段目标 (3)

1.1.3第三阶段目标 (3)

1.1.4其他 (3)

1.2国内NOx排放法规 (4)

1.3美国NOx排放法规 (4)

2 NOx排放控制技术 (5)

2.1机内控制技术 (5)

2.1.1湿法除氮 (5)

2.1.2优化柴油机运行与结构参数 (6)

2.1.3废气再循环技术（EGR） (6)

2.2机外控制技术（后处理技术） (7)

2.2.1选择性催化还原法（SCR） (7)

2.2.2低温等离子体净化NOx (8)

2.3采用绿色动力 (9)

3结论 (11)

参考文献 (14)

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摘要：本文讲述了国际海事组织在愈加强大的社会压力下，出台了氮氧化物排放控制法规以减少船舶尾气排放中NOx含量。并论述了国际海事组织关于船舶氮氧化物排放控制标准，以及相应法规的具体要求和适用范围，分析了相关法规的变化趋势。随后详细介绍了现有船舶柴油机氮氧化物排放控制技术，并分析了各个技术的优越性以及局限性。进而据此提出了不同要求下的船舶为满足国际公约可采用的氮氧化物消除技术。

关键词：船用柴油机；氮氧化物；机内控制技术

Abstract : This paper tells that the International Maritime Organization established searies of laws to restrict the exhaust gases discharging of marine ships. In this paper, the author presented the IMO’s provision on marine ship’s NOx emission，stated each provision’s requirement and applicability, analyzed related provision’s variation tendency. Then the author introduced existing techniques used for eliminating NOx in ship’s exhausts and analyzed each technique’s merit and demerit. At last, stated what measures we can take to accommodate the IMO’s provision in different con ditions using existing techniques.

Keywords : marine diesel engine ; NOx; entrails control technique

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0引言

研究的背景及意义

2005年5月19日，MARPOL73/78附则VI正式生效。这在一定程度上缓解了船舶造成大气污染的现象。继而，国际海事组织海洋环境保护委员会第57届会议通过了MARPOL73/78附则VI的修正案，对船舶废气中的氮氧化物与硫氧化物的排放含量作了限制，并禁止故意排放消耗臭氧的物质。这一修正案的生效给航运业各相关利益方面均提出了新的、更高的要求。而如今，国际海事组织海洋环境保护委员会（IMO MEPC）对IMO附则VI进行了修订，分别规定了在不同时期和区域NOx、SOx、PM等排放含量的限制值以及对燃油含硫量的规定等。该修正案将通过两阶段实现NOx的减排目标：2010年1月1日开始实施IMO TierⅡ排放限值；2016年1月1日开始实施更加严格的IMO TierⅢ排放限值。从另一方面讲，MARP0L73／78附则Vl的修正案是世界各相关国家、航运业内的各相关利益方相互博弈的结果，是政治、经济利益冲突的体现。按照市场理论，企业将根据技术实施能力的不同，通过技术占领甚至垄断市场，排斥不符合该技术标准的产品，从而达到排斥异己的目的。而目前的国际标准大多是西方发达国家根据自己的现有先进技术而制定，对于我国等一些发展中国家来讲，整体上难以符合这些标准。西方发达国家也是以此来限值发展中国家航运业的发展。MARP0L73／78附则VI中规定的各种排放限制标准的具体数值，基本上反映了目前船用柴油机生产制造的最高水平[i]。当今，许多发展中国家经过技术引进和研发，都可以生产制造船舶柴油机，但发展中国家的技术水平和制造工艺水平还不够高，无论从经济性方面，还是从环保性方面，都不能与技术先进的船舶柴油机生产国相比。正是如此，工业发达国家才要极力促进MARPOL73／78附则Vl的修订和实施。这也就促使着发展中国家要努力提升相关技术水平，抓住机遇，迎接挑战，以期早日达到公约的标准。

就我们国家而言，在NOx排放控制技术方面的研究起步较晚。虽已积极加入了MARPOL73/781997年议定书，但在履行公约方面，不少造船厂或船舶营运商在NOx排放控制方面打着擦边球，徘徊在将要挨罚与不挨罚的边缘。尤其是近海船舶与内河船，因国内法律不健全以及法律执行力度不够，在NOx排放控制方面远不能达到国际标准。比如我国在2008年发布的《内河船舶法定检验技术规则》则几乎是按2005年的国际标准制定的，而此时的国际标准在NOx排放控制方面的要求已经更加严格。我国船用柴油机主要依赖许可证生产的现状使我们在船机减排方面面临更大的压力[ii]。因此加快船舶柴油机氮氧化物排放处理技术的研究步伐实有必要。

研究历史与现状

2005年5月19日，MARPOL 73/781997年议定书生效。一条新的规则——附则Ⅵ包含其中。附则Ⅵ设定了船舶NOx 、SOx 的排放限值。在2005年召开的53届会议上，MEPC 考虑到当时进一步减排的需要，决定修改该规则。在2008年的MEPC第57届会议上，通过

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了MARPOL 公约附则Ⅵ的修正案。2008年10月该修正案获得批准，并于2010年7月1日生效。

国际相关技术研究现状：在NOx排放控制方面，西方发达国家最早予以重视并展开了研究的步伐。故目前也是西方发达国家的技术相对比较成熟而先进。故在NOx排放控制方面，西方发达国家担任了相关国际法规与技术研究的推动者和引导者。目前，国际上最普遍应用的NOx排放控制技术为选择性催化还原法和废气再循环技术。另外，近几年展开的针对电控高压共轨技术、船舶代用燃料等新兴技术的研究，兼顾着当今形势下“节能”与“减排”的两大要求，虽技术尚不十分熟，但也已有相关应用。

国内相关技术的研究现状：在NOx排放控制技术的研究上，我国的起步较晚。相关法律法规也不健全。并且现有规定也都落后于国际标准，故尽管我国国籍的船舶满足了国内标准，却未必满足国际标准。至于相关技术的研究也是依据别人现有的技术和经验开展的。故总体上我国对相关技术的研究和法律法规的制定还需投入更大的精力。

研究的主要内容和解决的问题

本文主要研究了国际海事组织在不同阶段对不同类型船舶柴油机NOx的排放控制标准，当前航运业内所主要采用的NOx排放控制技术，分析了各技术所能达到的NOx减排标准及其优缺点。提出了为满足MARPOL公约附则Ⅵ修正案各阶段的排放标准，不同船舶所可以采用的NOx排放控制技术。并展望了船舶柴油机NOx排放控制技术的发展前景。

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1船用柴油机面临的NOx减排形势

1.1国际海事组织NOx排放限制

随着各方面对海洋环境保护重视程度的增加，继2005年5月19日MARPOL 73／781997年议定书生效[iii]后，在2008年4月的海洋环境保护委员会第57届会议上，又通过了MARPOL附则VI修正案，以期进一步加强对海洋环境的保护。2008年10月．该修正案获得批准．并已于2010年7月1日生效。该修正案提出了船用柴油机NOx排放含量限值的逐步降低标准[iv]。

总体上，附则VI计划通过Ⅰ级、Ⅱ级（级亦称TierⅡ）、Ⅲ级（亦称TierⅢ）三个阶段实现NOx的减排目标。规则中，对NOx的排放限制以柴油机单位功率的NOx排放质量为评价依据。且船舶柴油机NOx浓度的测量需在船舶运行时实时测量，测量方法需可靠，准确[v]。

1.1.1 第一阶段目标

TierⅠ为附则Ⅵ最初规定，并已于2005年5月19日生效，其具体规定如下：

（1）额定转速低于130rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过17.0g/kW·h；

（2）额定转速为(130～2000)rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过45.0 * n N-0.2 g/kW·h；（注：n N为柴油机额定转速，以下同）

（3）额定转速高于2000rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过9.8g/kW·h。

如今，TierⅠ已然失效，取而代之的是附则Ⅵ修正案更为严格的TierⅡ。

1.1.2第二阶段目标

TierⅡ适用于2011年1月1日至2016年1月1日安装上船的柴油机以及2016年1月1日之后安装上船但船舶航行于排放控制区之外的柴油机。且对不同转速的柴油机，该规则有着不同的限值。

（1）额定转速低于130rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过14.4g/kW·h；

（2）额定转速为(130～2000)rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过44.0*n N-0.23 g/kW·h；

（3）额定转速高于2000rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过7.7g/kW·h[vi]。

1.1.3第三阶段目标

TierⅢ适用于2016年1月1日以后安装上船并且船舶航行于指定的排放控制区域内的柴油机。NOx排放控制区域现在尚未确定，但北海和波罗的海两片海域可能会于2016年1月1日之前获得指定。对于不同转速的柴油机，TierⅢ也有不同的排放限值。

（1）额定转速低于130rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过3.4g/ kW·h；

（2）额定转速为(130～2000)rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过9.0*n N-0.23g/ kW·h；

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（3）额定转速高于2000rpm的柴油机，其NOx排放含量不得超过1.96g/kW·h。

1.1.4其他

另外，对于现运营船舶，修正案也有相应规定。

对于1990年1月1日及之后至2000年1月1日安装上船的，且功率大于5000kW、单缸排量大于90L的现有柴油机排放限值为17.0g/kW·h；对于2000年1月1日至2011年1月1日安装上船的柴油机要求装设专门NOx减排辅助设置并达TierⅢ要求。

修正案还规定了船用柴油机试验、检验和发证的强制程序，以督促航运业各相关利益方遵守附则Ⅵ第13条对NOx的排放控制要求。

1.2国内NOx排放法规

2008年3月1日，中华人民共和国海事局《内河船舶法定检验技术规则》正式生效，规则明确了船舶尾气排放污染的检验与控制标准[vii]。规则的适用范围为：(1)柴油机安装船舶为三峡库区船舶；(2)柴油机功率超过130kW；(3)柴油机为非应急柴油机。其NOx排放限值具体如下：

当n N<130rpm时：17.O g/kW·h；当130rpm< n N<2000rpm时：45.0* n-0.2g／kW·h；当n > 2000rpm时：9.8g／kW·h。

通过比较可知，我国《内河船舶法定检验技术规则》几乎是参照2005年生效的MARPOL 公约附则Ⅵ的TierⅠ制定的。相对于国际要求，我国的NOx防污染步伐稍显落后。这也表明，不管是从制定法律法规还是开发技术上，我国在防NOx污染方面需进一步努力。

1.3美国NOx排放法规

众所周知，在防治海洋环境污染方面，美国一直扮演着领军角色。因此，美国的船舶废气排放标准可能预见了国际标准的走向。

如今，美国环境保护局正在制定新的船舶废气排放控制标准。该标准对船舶NOx排放控制要求将通过三个阶段逐步严格[viii]：

第一阶段：从2011年开始，降低NOx排量15%～25%；

第二阶段：从2016年开始，降低NOx排量80%，并要求船舶采用SCR装置；

第三阶段：将NOx排量进一步降低20% 。

相比国际法规，我国相应法规的要求相对宽松。故只要满足MARPOL公约附则Ⅵ修正案的要求，我国国籍的船舶就不需再担心会因达不到国内要求而不得顺利运营。而美国的要求则预示了未来NOx减排的趋势，给未来的NOx减排技术的研发提供了参考。总的来说，远洋船舶所面临的是国际海事组织TierⅡ或TierⅢ的相应规定。为保证其顺利运营，造船厂或其他相关方面必须采取相应NOx减排措施，以达附则Ⅵ修正案的要求。

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2 NOx排放控制技术

长久以来，人们在NOx排放控制技术的研究方面积累了相当的经验。目前来说，总体可分为三个方向：采用机内控制技术；采用后处理技术；采用“绿色”动力。

2.1机内控制技术

机内控制技术指通过改变柴油机相关运行参数来改变柴油机的燃烧状况，从而控制NOx 的生成。

故，欲采用机内控制技术来实现NOx减排，需了解燃烧过程中NOx的生成机理。在柴油机尾气中，NOx主要为NO（占NOx总比例的90%左右）。故通常所说NOx生成机理即指NO生成机理[ix]。柴油机尾气中NO按来源分主要有三类：燃料型、瞬发型、热力型[x]。

（1）燃料型NO的来源为富含N元素的劣质燃油，其具体生成过程非常复杂，在此不再赘述。但可以确定的是其生成量随温度、氧浓度变化而变化；

（2）瞬发型NO产生于汽缸喷油后至混合气体发火前，为N2与燃油中C元素反应生成中间产物氰化物，并进一步与O元素反应而生成。影响其生成量的主要因素有：氮化物之间的相互转化速率、燃油分解产生CH原子团浓度、N2与CH原子团反应速率。因其生成于发火前的极短时间内，与停留时间无关，故称瞬发型。

（3）热力型NO生成于可燃混合气燃烧过程，为N2被直接氧化产生。即：

O + NO → NO + N（1）

N + O2→ NO + O（2）影响其生成的主要因素有氮浓度、氧浓度、反应温度、高温滞留时间。

在三种来源的NO中，热力型的产量占绝大多数，故在NOx减排中，考虑控制NO生成时主要是指控制热力型NO的生成，而在柴油机实际运行时，氮浓度基本保持不变，因此又主要考虑其他三个条件，即：氧浓度、反应温度、高温滞留时间。而NO的生成量随它们的增长而增高。

归纳来说，船舶NOx减排机内控制技术主要有：湿法除氮、优化柴油机运行与结构参数、废气再循环技术（EGR）。

2.1.1湿法除氮

湿法除氮又称加水燃烧法，是指在柴油机运行时通过某些途径向预燃气体中加入适量水。如此一来，可以形成“油包水”的效果，在油气燃烧过程中水汽化吸热，从而降低燃烧温度，并可抑制热解反应，从而实现抑制NOx生成的目的。湿法除氮主要有三种方式：直接在燃油中添加水（乳化燃油）、在进气中添加水、向气缸中直接喷水。

（1）乳化燃油：在特制的搅拌器中通过超声波和机械搅拌的共同作用将一定比例的水和燃油搅碎成极小的颗粒并使之彻底混合，形成稳定的浊液。其搅拌过程由程序控制器控制。混合油再经一输油泵供至喷油泵。其供油系统如图2-1。

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实验证明，使用燃油乳化技术,最多可将NOx排放含量降低至60%～50%（随不同的加水率而不同）。但同时会造成油耗率增加1.5% 。对大型船舶来说，此油耗率的增长导致的运营成本的增长将不容小觑。此外，使用乳化燃油易导致燃烧粗暴，柴油机工作不稳定。而燃油中所含水分会导致产生大量硫酸而加重汽缸组件的腐蚀[xi]。

（2）在进气中加水：是在增压器末端喷入高压水，使其以气态水状态随扫气空气进入。为防止进气中水汽的凝结，需将空冷器温度适度提高。

在进气中加水能将NOx排放将至50%～40%，而对油耗率不会产生不良影响。该方法不需附设复杂的装置，成本低，并可提高柴油机清洁性、降低柴油机热负荷。但此方法需较多淡水[xii]。

回油

（3）直接喷水法：指利用特殊设计的喷油器将燃油和水同时喷入燃烧室。如有需要，还可将喷水系统屏蔽而不影响柴油机工作。

此方法可以将NOx排放含量降至50%～40%。同时也提高柴油机清洁性、降低柴油机热负荷，所需淡水量较少。但此方法需采用特殊设计的喷嘴，且在使用高含硫量燃油时需考虑燃烧室材料[xiii]。

2.1.2优化柴油机运行与结构参数

目前，用于柴油机的NOx减排的优化方案有改善进气系统，增强进气涡流；改善喷油系统，提高喷油率；采用特殊设计形状的燃烧室；改变气阀重叠角提高充气量；采用共轨喷射技术。

在这些柴油机优化技术中，电控高压共轨喷射技术在实现节能减排方面有很大的实用性，而其他技术虽亦可降低NOx的排放，但效果并不明显，且有的会造成柴油机经济性或可靠性的下降。故不大可能普遍应用。

电控高压共轨技术出现于20世纪九十年代。其基本工作原理是计算机根据油门位置传感器和柴油机转速传感器的输入信号，计算得出基本喷油量，再据实时检测所得柴油机工作参数（进气温度与压力、冷却水温等）进行修正，从而调整喷油器控制套筒的位置，确定最佳的喷油量。共轨喷射系统为由高压油泵、压力传感器、ECU组成的封闭系统[xiv]。在该系统中，燃油喷射高压的产生和燃油喷射彼此分开互不影响。由高压共轨泵将燃油打入共轨油管并保持高压，通过对共轨油管的油压的精确控制，使喷射压力的大小与发动机的转速无关。该系统还可以独立的控制喷油定时。配合稳定的高压，同时将NOx和微粒控制在一定的范围内，以满足排放要求。

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2.1.3废气再循环技术（EGR）

废气再循环技术是在不影响柴油机动力性的前提下，将一部分柴油机尾气再次导入气缸参与燃烧过程。EGR技术按废气再循环进入气缸是否经由柴油机进气系统，分为外部EGR 系统和内部EGR系统。其中内部系统难以精确EGR率，且除氮效果不显著。故现在常用的是外部系统。

外部EGR系统利用专门管道将废气引入进气歧管，使之与新鲜空气在进入气缸前充分混合。此方法可以精确控制EGR率，并优化发动机性能。并且可在该系统中加装EGR冷却器，有效降低燃烧温度[xv]。在应用该系统时，常用EGR率计量废气再循环量的多少，其常用表达公式为：

EGR（%）=（m EGR / m i）*100%

其中m i = m a + m EGR，m a为新鲜空气质量，m EGR 为EGR质量，通常，EGR率可以高达30%，而此时NOx排放含量可减少约达50%[xvi]。

2.2机外控制技术（后处理技术）

由上文所述可知，使用机内控制技术控制NOx排放，虽可在一定程度上降低NOx的排放含量，但总不能实现NOx的“零排放”，而且有些技术多多少少会导致其他有害气体成分的额外排放或造成能源消耗的增加。随着科技的进步，及NOx减排技术研究的深入，使用机外控制技术实现NOx减排已逐渐进入航运业的视角，有着良好的发展前景。下面介绍几个比较成功的NOx机外控制技术。

2.2.1选择性催化还原法（SCR）

在所有NOx机外减排技术中，选择性催化还原法被公认作最有效、最成熟的措施。该技术在实现NOx减排上正被逐渐推广。选择性催化还原法降低NOx排放的实现基于化学催化反应原理，即利用某种还原剂有选择的将NOx催化还原，而不和氧反应，并将有害NOx气体转化为无害的水和氮气。以尿素为还原剂采用选择性还原法处理船舶尾气，其基本化学反应方程式如下：

CO(NH2)2 + H2O = 2NH3 + CO2（1）

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O （2）

2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O （3）通过选择性催化还原法处理后，船舶尾气排放的NOx排放含量减少可达90%。船舶选择性催化还原法装置流程如图2-2。选择性催化还原系统装置还需设有旁通管道，以旁通阀控制废气的旁通。在柴油机运行中：由SCR系统的控制器采集柴油机转速、扭矩、催化剂温度等信号，从而计算出相应工况下所需尿素用量，再输出信号至计量泵，计量泵再依此信号将一定量尿素溶液喷入排气管，尿素在排气管的混合区分解为氨，与烟气混合后进入SCR处理器，在SCR处理器中氮氧化物与氨在催化剂作用下反应，生成无害的水蒸气和氮气排入大气。

SCR系统的传统还原剂常选用NH3，但因NH3不宜携带、有毒，易挥发泄漏，故现在常用尿素代之作为还原剂。至于催化剂，目前主要采用钛钒基蜂窝状催化剂，并已应用于工业生产。该催化剂不与硫作用，尤其适用于采用含硫重质燃油的船舶柴油机,但其低温催化效

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果并不理想。另外，Ce-ZSM-5型催化剂经实验测试，催化效果也不错[xvii]。而催化装置有蜂窝式和平板式两种。其中蜂窝式装置单位体积有效面积大，可用更少量的催化剂达到较高的脱氮效果。而SCR处理器的安装则有整体式、部分式、水平式、竖直式四种类型。整体式结构紧凑，可充分利用柴油机上部空间；部分式运行成本较低，但只可部分降低NOx排放，适用于废气排放要求比较宽松的地区；水平式结构也较紧凑，其催化剂装置常用矩形截面的蜂窝式结构；竖直式废气竖直流经催化剂后再返回涡轮增压器，管路弯道多，装置前后压差大，有较多不足之处。

但选择性催化还原法也有其不足之处：系统装置结构复杂，体积大，在空间狭小的船舶上不易安装，装置初期投资大，所需反应温度要求高，催化剂装置寿命较短。

2.2.2低温等离子体净化NOx

等离子体为物质的第四态，其实质为电离的气体。低温等离子体可通过无声放电，电晕放电或辉光放电得到。等离子空间中充斥着带电粒子、自由基以及中性粒子。其中一些氧化性极强，如原子氧，臭氧和一些自由基。等离子体脱除氮氧化物技术即利用等离子体中的活性粒子和自由基与NOx反应，将其氧化为无害成分[xviii]。等离子体反应器结构如图2-3。

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子体除氮技术在汽车上有所应用，在船舶上尚未得到应用。但随着研究的深入，此技术也不无应用于船舶尾气除氮系统的可能。

2.3采用绿色动力

采用“绿色动力”，如采用太阳能，代用燃料或电能驱动，取代现有船舶柴油机推进的方式，是最具革命性，也是在以后的发展中最理想的船舶节能减排技术。相比现有的动力装置，绿色动力最突出的特点即污染极少甚至没有污染。

太阳能是目前公认最理想的清洁能源，然而因其受天气影响的原因，尚不能用作可靠性要求很高的船舶推进动力。目前，针对石油的代用燃料的开发进展并不顺利。而燃料电池作为船舶推进动力在航运业已经有所应用。

燃料电池是不通过燃烧，而通过化学反应将存在与燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不能储电，却能发电，故严格意义上讲不是“电池”，而是发电机。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电，而氧化剂和还原剂则被转化为水和CO2等无害成分。燃料电池的结构示意图如图2-4。依据电解质的不同，燃料电池分为固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）及磷酸型燃料电池（PAFC）及等。采用不同电解质燃料电池的反映方程式如表格2-1[xx]。

表格 2-1 不同电解质燃料电池的反映方程式

相比传统船舶推进动力，燃料电池具有以下几点突出优点：（1）高效率燃料电池的效率不受船舶负荷的影响，而取决于电池单元的特性。在当今能源危机的影响下，肯定有着广阔的发展前景；（2）低排放燃料电池各种有害气体及噪音排放都很低；（3）模块化高燃料电池占地面积小，安装方便，布置灵活，益于优化船舶舱室结构；（4）负荷响应快、运行质量高适于船舶负荷多变的运行环境。

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然而，燃料电池所能提供的功率较小，不能满足大型船舶的动力要求，原料储运困难，且相关技术不成熟，安全系数不高。因上述种种原因，燃料电池未能在船舶普及。 氧化剂进口

氧化剂出口 负载

图 2-4 燃料电池的结构示意图

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