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摘 要:本文综述船用柴油机尾气中NOX的危害、生成机理和影响因素,通过综合对比,论述了利用选择催化还原技术降低NOX排放的可行性,简述了该技术的原理和优缺点。最后,本文立足市场需求,简述了该技术的应用方向。
关键词:海事船舶;柴油机;氮氧化物;机外净化
1 氮氧化物的危害与排放标准
1.1 船舶柴油机氮氧化物的危害
船舶柴油机排放废气NOX包含NO、N204、N02等,能造成酸雨,严重破坏环境。NO2有剧毒,与血红蛋白反应,降低血液输氧能力,对心肝肺有毒害作用。高浓度的NOX能伤害中枢神经系统。据IMO统计表明,全球柴油机动力船舶NOX年排放量1000万吨以上,占世界NOX总排放量的14%-15%!通过气候作用,被污染大气可飘散至1000公里以外的地区,对环境造成影响。
1.2 NOX排放要求
1997年9月, IMO颁布了《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则》。在2000年1月1日以后,所有建造、重大技术改造功率超过130KW的船舶柴油机NOX排放提出了具体规定(TierⅠ,如表1):
2005年3月,CCS发布《关于实施MARPLO公约附则Ⅵ的技术信息通报》,附则Ⅵ在我国正式实施。
2008年10月,IMO通过TierⅡ/Ⅲ法规,TierⅡ将NOX 排放的水平降低到TierⅠ标准的80%左右,TierⅢ更是降低到 20%左右(具体如表1)。
表1 不同阶段NOX排放规定 (TierⅠ,TierⅡ,TierⅢ)
2 氮氧化物(NOX)的生成机理及影响因素
2.1 氮氧化物生成机理 NOX以NO为主,NO的生成主要有3种方式,即高温NO、燃料NO、瞬发NO。
2.1.1 高温NO的原理 主要化学反应方程为:O+N2=NO+N N+O2=NO+O N+OH=H+NO
2.1.2 燃料NO的原理 NH+O=N+OH NH+O=ON+H HCN+O=NCO+H CN+O2=NCO+O NCO+O=NO+CO NCO+O2=NO+CO+O 由以上反应可以看出,NO的生成主要取决于氧原子及氧的含量。
2.1.3 瞬发NO的原理 氮气与CH、C2等碳氢原子团反应生成氰化物,后者与火焰中的O、OH等反应生成NO。方程式主要有:CH+N2=HCN+N C+N2=CN+N CH2+N2=HCN+NH CH2+N2=H2CN+N HCN+O=NCO+H CN+O2=CO+N N+OH=NO+H N+O2=NO+O
影响因素有3个:①碳氢化合物通过分解生成CH等原子团的量;②CH等与N反应生成氰化物的速率;③氮化物之间相互转换速度。
3 主要影响因素
综上可知,燃烧温度、O2浓度、燃气在气缸中滞留时间等因素影响着NOX的生成浓度。
3.1 过量空气系数和燃油品质
理论研究表明,通过调整过量空气系数可以减少NOX排放:在某一过量空气系数处,NOX浓度最大。在低于过量空气系数侧,氧气和氮气浓度较低,生成的NOX浓度也低;在高于过量空气系数侧,过量空气起稀释做用,NOX浓度也降低。对于柴油机来说,进排气门间隙可调范围是提前设定好的,气门过大或过小会使热态下工作的气门产生冲击或关闭不严。因此,此种方法并不可取。
3.2 喷油定时
理论上讲,推迟喷油正时是降低NOx排放浓度的简单有效的措施。但是,喷油过迟 ,燃油来不及燃烧,活塞已越过上死点下行,气缸内压力及温度降低,后燃烧严重,排烟温度升高,热效率和功率下降。因此,此种方法也不切实际。
3.3 进气压力和进气温度
现在很多柴油机都使用废气涡轮增压技术,一方面,由于经高压压缩,单位体积空气量增加,造成NOx浓度较高;同时,进气温度升高也影响NOx生成量:低于一定的空然比时,NOx浓度随着进气温度升高而增加。
但是,废气涡轮增压技术优势也很明显,一般来讲,加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%,有的可达40%甚至更多,在提高燃油经济性方面具有无可比拟的优势,因此,单纯从降低氮氧化物方面考虑就放弃涡轮增压也不太可取。
4 降低NOX排放的措施—NOx的选择催化还原
结合当前技术,降低NOx排放较为可行的技术是排气中加入还原剂,还原NOx,研究较多是的选择性催化还原技术。
4.1 NH3-SCR选择性催化还原技术
将尿素做为还原剂的选择性催化还原技术(NH3-SCR)较为成熟,以高活性和耐硫性V2O5、WO3、Al2O5等为催化剂,可降低大部分NOx,主要反应为(NH2)2CO+H2O=CO2+2NH3+H2O;4NO+4NH3+O2 =4N2+6H2O;6NO2 + 8NH3=7N2+12H2O
SCR装置(如图2)包括3个主要系统:催化反应器、加药和储存系统及控制系统。以柴油机的负荷作为尿素喷注量的控制参数,用微处理器控制喷入氨的量(与NOx产生量成正比):将负荷设计成程序,输入微处理器,控制氨气剂量。该装置安装在废气涡轮前。
图2整套SCR装配示意图
NH3-SCR技术的优点是:(1)NOx 的转化率相当高(大于90 %);(2)不会造成油耗和排气黑烟增加;(3)降低噪声。
应用难点在于:(1)装置尺寸大,需要催化转化器系统、NH3 喷射装置和NH3存贮器,体积与发动机相当,而机舱面积相对较小;(2)投资成本大,其投资费用是一般是船舶建造费用的5%-8%;(3)应严格控制NH3/NOx比低于0.7~0.9,因为如NH3 过量,在提高NOx 转化率的同时,大量氨会泄漏,污染环境。
4.2 NH3-SCR系统的市场需求分析
尽管NH3-SCR技术在应用时面临很多困难,但该技术能有效降低船舶柴油机NOx排放,并且随着技术的发展进步,SCR将会往小型化和经济化发展,普及前景较为广阔。
参考文献
[1] 钱耀南,船舶柴油机〔M〕,大连海事大学出版社,大连,1998.
[2] 刘治中,许世海,姚如杰, 液体燃料的性质及应用〔M〕,中国石化出版社,北京,2000.
[3] 张琳等,催化脱除大气污染物NOx 研究进展〔J〕,低温与特气,2000,18(4) :7 - 10.
[4] 吕林.吴锦翔.高孝洪等,排放法规给柴油机发展带来的挑战,武汉交通科技大学学报,1999,(3):234-238
[5] 曲虹霞,钟秦,NH-3选择性催化还原NOx的实验研究.南京理工大学学报,2002,26(1):68-71
论文作者:刘伟
论文发表刊物:《科技中国》2016年5期
论文发表时间:2016/7/26
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