王 芳，張文濤，潘娜娜，陳 娜

（1.青島恒星科技學(xué)院，山東 青島266000；2.青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

柴油機(jī)尾氣具有復(fù)雜的化學(xué)組成，尾氣組分與發(fā)動機(jī)的工況有很大的關(guān)系，污染物成分主要包括碳煙顆粒物（PM）、烴類（HC）、CO 和NOx等。柴油機(jī)中PM 的組成取決于運(yùn)轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。當(dāng)排氣溫度較低時，碳煙會吸附和凝聚多種有機(jī)物，即有機(jī)可溶成分（SOF）；柴油機(jī)顆粒的主要成分是碳煙，碳煙的形成條件是高溫和缺氧，由于柴油機(jī)的油氣混合不均勻，局部的缺氧還會導(dǎo)致碳煙的形成。碳煙是一種吸光性物質(zhì)，可吸收太陽短波輻射，同時釋放紅外輻射，加熱周邊大氣。黑碳的增溫效率高于二氧化碳等溫室氣體，黑碳排放對北極冰川融化也有嚴(yán)重影響[1]。柴油機(jī)排放的NOx主要是NO2和NO，NO 占NOx總量的85%～95%，NO 排放到大氣中，緩慢地與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生產(chǎn)NO2。NO 的產(chǎn)生途徑主要有三個：燃料NO 的生產(chǎn)、激發(fā)NO 的生產(chǎn)和高溫NO 的生產(chǎn)，前兩者的生成量極少，可以忽略不計。NO 會形成酸雨，對臭氧層有破壞作用，以及對人體的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生剌激[2]。總之，PM 和NOx這兩種主要污染物都會造成不同程度的大氣污染，影響人們的身體健康，因此降低NOx和PM 排放是凈化柴油機(jī)尾氣的主要課題。

1 氮氧化物減排排放標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)

1.1 排放標(biāo)準(zhǔn)

1997 年9 月27 日，國際海事組織（IMO）、海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）在總部倫敦召開了MARPOL73/78 締約國大會，將《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》增加至《國際防止船舶造成污染公約》中，作為附則Ⅵ。該公約的生效條件：15 個國家批準(zhǔn)、批準(zhǔn)國家的商船總噸位占世界商船總噸位的50%以上，達(dá)到以上2 個條件后12 個月自動生效。2004 年5 月18 日達(dá)到了該生效條件，2005 年5 月19 日正式生效。NOx排放標(biāo)準(zhǔn)已于2016 年開始強(qiáng)制實施。

《國際防止船舶造成污染公約》附則VI 對船用柴油機(jī)排放氣中的NOx制定了最高限值，2016 年1 月1 日或以后建造的船上安裝的柴油機(jī)，當(dāng)在排放限制區(qū)域內(nèi)航行時，其NOx排放量的限制值按第三標(biāo)準(zhǔn)要求，具體內(nèi)容如下：1）3.4g/kWh，當(dāng)n＜130r/min；2）9·n-0.2g/kWh，當(dāng)130r/min ≤n＜200r/min；3）2g/kWh，當(dāng)n＞2 000r/min。

1.2 氮氧化物減排技術(shù)

船用柴油機(jī)滿足第三階段排放的解決方案，分為采用新型燃料、改善發(fā)動機(jī)燃燒條件和排氣后處理三類，其中新型燃料為采用甲烷或液化天然氣、氨等清潔燃料；改善發(fā)動機(jī)燃燒條件為采用新型燃燒室以降低燃燒溫度、用電控共軌噴射系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)、推遲噴油定時并適當(dāng)提高噴油壓力；后處理技術(shù)為廢氣再燃燒處理和催化還原法。從TIER Ⅰ到TIER Ⅱ可以通過改善發(fā)動機(jī)燃燒條件實現(xiàn)，從TIER Ⅱ到TIER Ⅲ只通過改善燃燒條件是無法實現(xiàn)的，目前應(yīng)對措施主要包括選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環(huán)（EGR），這兩項技術(shù)可以滿足第三階段排放的要求[3-4]。

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是將部分柴油機(jī)燃燒后的廢氣取代部分新鮮空氣，通過增加空氣中二氧化碳的量，降低氧氣的含量，使氧氣和氮?dú)庠诟邷叵路磻?yīng)的條件被破壞，從而大幅度降低了氮氧化合物的生成量，文章在此不做詳細(xì)論述。選擇性催化還原法可以大幅度降低廢氣中的NOx濃度，滿足TIER Ⅲ的排放要求，是目前最成熟的降低氮氧化物排放的主要方法之一。

2 船用柴油機(jī)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)及除塵技術(shù)

2.1 排放標(biāo)準(zhǔn)

中國環(huán)保部于2016 年8 月發(fā)布了《船舶發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》（GB 15097—2016），該標(biāo)準(zhǔn)對柴油機(jī)顆粒物排放進(jìn)行了限制。第一階段，船機(jī)排放顆粒物排放限值于2018 年7 月1 日開始實施；第二階段，船機(jī)排放顆粒物排放限值將于2021 年7 月1 日開始實施。

目前，對于柴油機(jī)的顆粒物排放，國際海事組織還未出臺相應(yīng)的排放法規(guī)，由于燃油硫含量決定排氣中顆粒的含量，主要針對用油硫含量做出限定，使用的燃油硫含量上限從2020 年1 月1 日起，燃油硫含量限制為0.5%。由于排放的黑碳對北極冰川產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，國際海事組織防止和應(yīng)對污染分委會第7 次會議（PPR7）對國際航運(yùn)黒碳排放問題進(jìn)行了研究和討論，涉及黑碳排放立法、檢驗標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法，預(yù)計不久將會出臺正式的法規(guī)。

2.2 柴油機(jī)顆粒物處理技術(shù)

2.2.1 柴油機(jī)催化氧化器（DOC）

柴油機(jī)氧化催化器將鉑鈀等貴金屬作為催化劑，主要降低顆粒排放中SOF 的含量，從而降低PM 的排放量，其氧化原理與汽油機(jī)三效催化劑氧化HC 和CO 的原理基本一樣。DOC 可以去除90% 的SOF，從而使PM 排放減少40%～50%。氧化催化器存在的主要問題是高溫老化和催化器中毒，高溫老化主要是貴金屬在高溫下發(fā)生燒結(jié)而導(dǎo)致催化劑活性降低、性能下降；催化器的高溫老化是不可逆的，而催化劑中毒后可以恢復(fù)部分活性。

2.2.2 柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）

柴油顆粒過濾器是通過過濾降低排氣中顆粒物（PM）的裝置。DPF 通過表面和內(nèi)部混合的過濾裝置捕捉顆粒，如擴(kuò)散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截，能夠有效凈化排氣中70%～90%的顆粒，是凈化柴油機(jī)顆粒物最有效、最直接的方法之一[5]。

顆粒捕集器的關(guān)鍵技術(shù)不是PM 的捕集，而是過濾材料和過濾體的再生。微粒的捕集主要有靜電吸附法、過濾捕集法和離心分離法，這些技術(shù)各有利弊，其中過濾凈化技術(shù)捕集微粒是目前各國研究機(jī)構(gòu)普遍采用的后處理方式，微粒過濾效率高、排氣流動阻力低和較高的機(jī)械強(qiáng)度是選用過濾材料的主要因素。

過濾器材料有陶瓷材料和金屬材料兩類。市場上使用最多的陶瓷材料過濾器是蜂窩陶瓷過濾器，優(yōu)點(diǎn)是過濾效率高、強(qiáng)度高、抗熱沖擊和機(jī)械振動能力強(qiáng)，陶瓷載體材料主要有堇青石陶瓷、碳化硅陶瓷和鈦酸鋁陶瓷等，其中堇青石是一種美鋁酸鹽，主要成分為MgO2·AL2O3·5SiO2，由高嶺土和云母燒結(jié)而成，由于堇青石具有成本低、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的顆粒物過濾和催化載體材料。碳化硅載體與堇青石相比，碳化硅具有更優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕性能和導(dǎo)熱性能，機(jī)械強(qiáng)度也大幅提高，而缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)較大，容易在高溫?zé)釠_擊下開裂。鈦酸鋁熱膨脹系數(shù)低，具有良好的抗熱沖擊和容熱性能，但機(jī)械強(qiáng)度稍低，此過濾器產(chǎn)生的背壓值較小，過濾效率比碳化硅載體要高。金屬載體較陶瓷載體具有壁薄、幾何面積和孔隙率大、導(dǎo)熱性能良好且熱容量小和耐破壞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在載體與催化劑活性表面的附著性不高等缺點(diǎn)。金屬載體凈化器經(jīng)過最近幾年的發(fā)展已有實際應(yīng)用。

3 柴油機(jī)綜合后處理技術(shù)

現(xiàn)階段，柴油機(jī)大都采用小于0.5%的低硫油，與重油相比，柴油機(jī)排氣中的PM 濃度也降低70%以上，約為0.5g/kWh。根據(jù)前面的分析可知，中速發(fā)電柴油機(jī)同時去除PM 和NOx的后處理技術(shù)路線是設(shè)置柴油氧化催化器（DOC）、柴油顆粒過濾器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR），四沖程柴油機(jī)后處理流程圖如圖1 所示。若柴油發(fā)動機(jī)尾氣中含有油，需增加油氣分離器，借助尾氣自身的排氣背壓進(jìn)行離心分離，將發(fā)動機(jī)排氣中未燃燒的油霧和其他氣態(tài)污染物分離開來，防止油霧混合黑煙顆粒物，使其覆蓋在過濾器的濾芯上，導(dǎo)致濾芯再生困難。

尾氣催化氧化器可以去除85%以上的CO、HC 及30%左右的碳顆粒物，顆粒物處理系統(tǒng)采用金屬DPF 作為過濾系統(tǒng)，其濾芯由鐵鉻鋁合金纖維絲制成，不僅耐高溫，而且孔徑分布均勻，過濾效果好。濾芯采用可抽出單元式設(shè)計，設(shè)置在線反吹系統(tǒng)，通過在線監(jiān)控濾芯差壓實現(xiàn)自動反吹清灰。每個濾芯布置有高壓氣體噴嘴，高壓氣體噴嘴連接反吹電磁閥，通過噴射高壓氣體將附著在每個濾芯外表面的黑煙顆粒物反吹落至箱體底部，顆粒物匯集至底部積灰倉，定期將積灰清理即可。另外，通過高壓氣槍或水槍也能很容易地清理干凈濾芯[6]。

脫硝采用低壓SCR，還原劑為40%濃度尿素溶液，采用板式或蜂窩式催化劑。

柴油機(jī)后處理系統(tǒng)共用一套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)使用PLC 集成控制，用于顯示和監(jiān)控系統(tǒng)各單元的運(yùn)行狀態(tài)和故障讀取，主要內(nèi)容如下：1）黑煙凈化器前后背壓，判斷濾芯狀態(tài)；2）SCR 催化器前后NOx濃度；3）讀取尿素泵、各類傳感器（溫度、壓力、液位等）等故障和背壓超高報警。

圖1 四沖程柴油機(jī)后處理流程圖

4 結(jié)束語

船用柴油機(jī)氮氧化物的排放規(guī)范已經(jīng)實施，隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，船用柴油機(jī)顆粒物排放法規(guī)不久也將發(fā)布，低硫油的實施降低了顆粒物的捕集的難度。因此，對于大功率柴油機(jī)顆粒物的捕集、再生還需要持續(xù)研究，找出最優(yōu)的解決方案，集PM 的捕集、催化氧化燃燒再生和NOx的催化還原集于一體化設(shè)計是未來發(fā)展的方向。