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摘 要：阐述了船舶柴油机气体NOX排放对环境的影响，介绍了IMO关于船舶柴油机废气排放的有关规定，提出了针对NOX排放的应对措施，详细讨论了降低NOX排放的几种有效方法。
关键词：NOX排放；EGR；SCR；WIF；SAM
Abstract: This paper expounds the influence of the NOX emitted from the marine engine on the environment and introduces the IMO convention concerning the emission of marine diesel. Measures are described to reduce the NOX emission and several effective solutions are also discussed in this paper.
Key words: NOx emission; EGR; SCR; WIF; SAM
1 引言
近年来，由于气候变暖、环境污染所造成的各种各样的灾害和对人类生命财产的影响，使得船舶及航运业对环境污染的问题成为国际社会关注的焦点，船舶减排面临前所未有的挑战。当前，许多国家都以非常热衷而积极的态度发展绿色船舶。绿色船舶是从设计、建造、营运到拆解的整个生命周期内，通过应用绿色技术最大程度上实现低能耗、低排放、低污染、高能效、安全健康的功能目标。
对船舶柴油机来讲，其排气中包含很多有害物质，例如碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、固体颗粒等。其中，氮氧化物不仅会造成环境污染，而且损害人类健康。针对NOX排放，国际海事组织（IMO）对MARPOL公约重新审视梳理，不断提出了一些新的环保要求。在MEPC57中，MARPOL Annex VI规定了NOX的排放要求（适用于功率超过130 kW的柴油机）：
Tier I ：2000年1月1日起铺龙骨（上船台）的建造的船舶，排放要求：若转速为n<130 r/min，排放要求为17.0 g/kWh ，若130 r/min≤n<2 000 r/min排放要求为45.0*n(-0.2) g/KWh，随着转速的升高，排放值降低。适用范围：全球海域；
Tier II：2011年1月1日起铺龙骨（上船台）的建造的船舶，排放要求：若转速为n<130 r/min，排放要求为14.4 g/kWh 。适用范围：全球海域；与Tier I相比降低20%；
Tier III ：2016年1月1日以后建造的船舶，排放要求：若转速为n<130 r/min，排放要求为3.4 g/kWh 。适用范围：排放控制区；与Tier I相比降低80%。在排放控制区外航行时，可按Tier II标准排放。
2 应对措施
较少NOX排放无非采用一级处理和二级处理两种方法来实现。一级处理方法通过改变燃烧状况降低燃烧温度来实现；二级处理不改变主机的工作状态，利用外部设备来实现。
目前新造船舶的柴油机都已经满足Tier II 的要求，但Tier III的要求比Tier II 的要求低了60%。针对以上两种处理方式目前经过几大主机厂家的研究和试验，证实了通过①EGR (废气再循环Exhaust Gas Recirculation)、②SCR (选择性催化还原Selective Catalytic Reduction)、③WIF (油水乳化Water In Fuel Emulsion)、④SAM (扫气加湿Scavenge Air Moistening)几种方法可以使柴油机的排放满足Tier III的要求。
2.1 EGR(废气再循环)
EGR是将排气管中的一部分废气引入进气管，再进到气缸中。废气的稀释作用减缓了NO生成速度，降低了燃烧温度，从而有效地降低了NO的排放浓度。利用10%废气量进行再循环可以使氧化氮排放量下降30%，而不太影响燃油消耗率。
利用废气再循环并不是将废气中的氧化氮再次送入柴油机以减少其排放量，而是从燃烧过程的热化学反应来阻止氧化氮的形成。在柴油机废气中，其主要成分是氮气，但也含有水蒸气和二氧化碳，水蒸气和二氧化碳的比热都比较大，这可以有效地降低火焰温度，减少氧化氮的形成。并且，由于燃烧室中废气的增加，其含氧量减少，从而使氧与氮的接触机会减少，也有助于降低氧化氮的生成。
图1为MAN公司推荐的燃烧重油的二冲程柴油机采用废气再循环法的示意图。EGR系统主要部件：洗涤器、冷却器及水分分离器、鼓风机、应急停止阀、系统启停阀、水处理单元(WTP)、NaOH中和单元和废水处理装置（WCU)。EGR的安装要邻近主机的排烟集管。旁通的废气在进入燃烧室之前，经过洗涤器、冷却器和水分分离器，利用鼓风机增压，和增压空气混合后进入空冷器。
图1 EGR系统示意图
在洗涤器内，因为废气中含硫，和水混合后变成酸性，要加入NaOH中和，以尽量减小腐蚀的可能性。洗涤水中含有大量的颗粒物质，会导致WTP部件的失效。因此，系统配备一套WCU以去除颗粒物，同时，在一定程度上净化洗涤水使之满足洗涤水排放要求。WTP向EGR洗涤器提供给水，缓冲水柜是WTP最大的部件，用来维持恒定的水流量。洗涤泵布置在缓冲柜的下方，用来向洗涤器和预清洗装置供水。脏的洗涤水通过疏水器从洗涤器底部流入缓冲柜，然后泵入WCU进行循环，处理后的净水经过三通阀排到舷外或船上的污水舱。另外，还需要向缓冲柜供给淡水以及向EGR冷却器供给海水。
为了EGR能够对负荷变化作出准确快速的反应，而且能易于操作，EGR控制单元包括一个主控制器来控制EGR比率（再循环废气和扫气空气的比率）、扫气空气压力和WTP的启停定时，还包括一个PLC来控制水系统。 MAN公司利用完整的EGR系统进行实船试验，试验结果表明，在75%主机负荷下，单独采用EGR技术，45%废气量能将NOX减少到3.4 g/kWh，从而满足在排放控制区IMO Tier III阶段的要求，但是燃油耗油率提高约0.3%。另外，在基本设计阶段，应充分考虑该装置的布置空间。
2.2 SCR(选择性催化还原)
用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理，使氨能有选择地和气体中的NOX进行反应，而不和氧发生反应，称为选择性催化还原法。利用SCR来降低废气中的NOX，废气在通过一层特殊的催化剂之前与氨相结合，温度为300～400℃，NOX还原为N2和H2O。
图2为船用低速柴油机SCR系统的布置示意图。SCR的反应器为一个独立的装置，垂直于机旁通过排气管和阀件与之连接。另一种可供选择的布置方式是水平设置SCR反应器，置于增压器之上，对机舱的布置更方便。
图2 SCR系统示意图
液氨、氨水和尿素都可用作还原剂。对于船用来说，需要安全且容易处理的还原剂，所用的介质通常是尿素的水溶液，一般浓度为40%。NH3是可燃性气体，因而其输送管路采用双层管壁并设有必要的透气装置，环形空间中置有NH3泄漏监测器。NOX清除的程度取决于所加的氨量，多喷入一些氨，NOX净化率就越高，同时，由于在被处理过的烟气中未用过的氨将增加。为了减少氨随废气排出造成的损失，喷入排气管中的含氨量由一台程序计算机控制，使氨的喷射量与柴油机产生的NOX成比例。NOX的产生量与柴油机负载的关系在试验台试验时进行了测量，所取得的关系编入程序计算机用来控制氨的剂量。氨的剂量随后按反馈系统基于所测得的NOX出口信号的压差来进行调节。
SCR反应器是一个能容纳几层催化剂板的方型容器。反应器内使用的催化剂通常是：五氧化钒、二氧化钛，通常还加入三氧化钨和三氧化钼来优化催化剂特性。催化剂的容量以及反应器的尺寸取决于催化剂的活性、所期望的NOX净化程度、NOX的浓度、烟气压力和可接受的NH3流失量等因素。催化剂的寿命通常是3～5年，催化剂材料本身只占总成本的10%，SCR的主要运行成本来自尿素的消耗量，40%的尿素溶液的消耗量大约是20～25g/kWh。
SCR系统利用选择性催化还原技术对柴油机的废气作后处理，是目前为止最有效的削减NOX的方法，NOX减少效率可以达到95%以上，能够较好地满足一些航区对NOX排放控制较严的要求。
2.3 WIF(油水乳化)
WIF是用水等物质来参与柴油机的燃烧，使燃烧温度降低，从而使NOX的生成量降低。随着掺水量的增加，NOX的生成量减少。WIF是唯一一种既能减少NOX排放又能减少微粒排放的方法。
目前普遍认为降低NOX排放是以降低燃烧温度从而增加耗油率的代价来实现的，实际上采用油水乳化技术能够改善燃烧状况，对于一些主机能够减少1%~2%的耗油率。图3显示某设备商采用该技术在实船上测量的NOX排放量与含水量的变化关系。
图3 NOx排放与含水量关系
燃油的乳化必须在其进入燃油系统的循环回路前完成。水的增加量根据控制系统进行微量调节，监测压力、温度和掺水量。燃油乳化技术也有其局限性，水和重质燃油的乳化比较容易取得，并且较稳定。但水与柴油、轻质柴油的乳化就困难了。当沿海航行强制需要采用低硫燃油时，需设置专门的乳化装置。图4为满足MARPOL 附则VI采用WIF技术的工作流程图。
对于采用燃油乳化措施的船舶，燃油系统应设置一个特殊设计的安全系统，当船舶失电时，将不会影响油/水乳化的稳定性。
图4 WIF系统示意图
2.4 SAM(扫气加湿)
SAM是一种向扫气中加水的方法，利用水的汽化吸热来适当降低燃烧温度，使NO生成减少。
SAM属于机内改造方法，在气缸中控制燃烧来减少NOX产生量，是直接影响柴油机燃烧的方法。利用这种方法，每加入20%的水分，可以减少NOX排量的10%。同时，低的燃烧温度也使炭烟生成速率下降，且CH基的增加可促使炭烟先兆物的氧化，因而增加进气湿度对降低炭烟排放也是有利的。
但是在低负荷下，进气湿度增加会使未燃烃排放增加，而且因为在冷的扫气空气中，水不能完全蒸发，水珠打在气缸套内壁，造成其表面油膜的破坏和硫酸腐蚀，因此目前很少采用SAM。
3 结束语
降低船舶柴油机NOX排放，需要根据各船具体情况进行，可采用单一的措施，也可叠加使用。IMO防止空气污染规则的引入将会提高各国对船舶柴油机排放的进一步关注，出台一些日趋严格的地方排放标准或国家船舶排放控制计划，对航运业和造船业提出更严峻的挑战，从而采取有效的绿色环保技术来应对。
参考文献
[1] MAN B&W PROJECT GUIDE.2011
[2] 江彦桥.海洋船舶防污染技术[M] .上海:上海交通大学出版社, 2000
关键词：NOX排放；EGR；SCR；WIF；SAM
Abstract: This paper expounds the influence of the NOX emitted from the marine engine on the environment and introduces the IMO convention concerning the emission of marine diesel. Measures are described to reduce the NOX emission and several effective solutions are also discussed in this paper.
Key words: NOx emission; EGR; SCR; WIF; SAM
1 引言
近年来，由于气候变暖、环境污染所造成的各种各样的灾害和对人类生命财产的影响，使得船舶及航运业对环境污染的问题成为国际社会关注的焦点，船舶减排面临前所未有的挑战。当前，许多国家都以非常热衷而积极的态度发展绿色船舶。绿色船舶是从设计、建造、营运到拆解的整个生命周期内，通过应用绿色技术最大程度上实现低能耗、低排放、低污染、高能效、安全健康的功能目标。
对船舶柴油机来讲，其排气中包含很多有害物质，例如碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、固体颗粒等。其中，氮氧化物不仅会造成环境污染，而且损害人类健康。针对NOX排放，国际海事组织（IMO）对MARPOL公约重新审视梳理，不断提出了一些新的环保要求。在MEPC57中，MARPOL Annex VI规定了NOX的排放要求（适用于功率超过130 kW的柴油机）：
Tier I ：2000年1月1日起铺龙骨（上船台）的建造的船舶，排放要求：若转速为n<130 r/min，排放要求为17.0 g/kWh ，若130 r/min≤n<2 000 r/min排放要求为45.0*n(-0.2) g/KWh，随着转速的升高，排放值降低。适用范围：全球海域；
Tier II：2011年1月1日起铺龙骨（上船台）的建造的船舶，排放要求：若转速为n<130 r/min，排放要求为14.4 g/kWh 。适用范围：全球海域；与Tier I相比降低20%；
Tier III ：2016年1月1日以后建造的船舶，排放要求：若转速为n<130 r/min，排放要求为3.4 g/kWh 。适用范围：排放控制区；与Tier I相比降低80%。在排放控制区外航行时，可按Tier II标准排放。
2 应对措施
较少NOX排放无非采用一级处理和二级处理两种方法来实现。一级处理方法通过改变燃烧状况降低燃烧温度来实现；二级处理不改变主机的工作状态，利用外部设备来实现。
目前新造船舶的柴油机都已经满足Tier II 的要求，但Tier III的要求比Tier II 的要求低了60%。针对以上两种处理方式目前经过几大主机厂家的研究和试验，证实了通过①EGR (废气再循环Exhaust Gas Recirculation)、②SCR (选择性催化还原Selective Catalytic Reduction)、③WIF (油水乳化Water In Fuel Emulsion)、④SAM (扫气加湿Scavenge Air Moistening)几种方法可以使柴油机的排放满足Tier III的要求。
2.1 EGR(废气再循环)
EGR是将排气管中的一部分废气引入进气管，再进到气缸中。废气的稀释作用减缓了NO生成速度，降低了燃烧温度，从而有效地降低了NO的排放浓度。利用10%废气量进行再循环可以使氧化氮排放量下降30%，而不太影响燃油消耗率。
利用废气再循环并不是将废气中的氧化氮再次送入柴油机以减少其排放量，而是从燃烧过程的热化学反应来阻止氧化氮的形成。在柴油机废气中，其主要成分是氮气，但也含有水蒸气和二氧化碳，水蒸气和二氧化碳的比热都比较大，这可以有效地降低火焰温度，减少氧化氮的形成。并且，由于燃烧室中废气的增加，其含氧量减少，从而使氧与氮的接触机会减少，也有助于降低氧化氮的生成。
图1为MAN公司推荐的燃烧重油的二冲程柴油机采用废气再循环法的示意图。EGR系统主要部件：洗涤器、冷却器及水分分离器、鼓风机、应急停止阀、系统启停阀、水处理单元(WTP)、NaOH中和单元和废水处理装置（WCU)。EGR的安装要邻近主机的排烟集管。旁通的废气在进入燃烧室之前，经过洗涤器、冷却器和水分分离器，利用鼓风机增压，和增压空气混合后进入空冷器。
图1 EGR系统示意图
在洗涤器内，因为废气中含硫，和水混合后变成酸性，要加入NaOH中和，以尽量减小腐蚀的可能性。洗涤水中含有大量的颗粒物质，会导致WTP部件的失效。因此，系统配备一套WCU以去除颗粒物，同时，在一定程度上净化洗涤水使之满足洗涤水排放要求。WTP向EGR洗涤器提供给水，缓冲水柜是WTP最大的部件，用来维持恒定的水流量。洗涤泵布置在缓冲柜的下方，用来向洗涤器和预清洗装置供水。脏的洗涤水通过疏水器从洗涤器底部流入缓冲柜，然后泵入WCU进行循环，处理后的净水经过三通阀排到舷外或船上的污水舱。另外，还需要向缓冲柜供给淡水以及向EGR冷却器供给海水。
为了EGR能够对负荷变化作出准确快速的反应，而且能易于操作，EGR控制单元包括一个主控制器来控制EGR比率（再循环废气和扫气空气的比率）、扫气空气压力和WTP的启停定时，还包括一个PLC来控制水系统。 MAN公司利用完整的EGR系统进行实船试验，试验结果表明，在75%主机负荷下，单独采用EGR技术，45%废气量能将NOX减少到3.4 g/kWh，从而满足在排放控制区IMO Tier III阶段的要求，但是燃油耗油率提高约0.3%。另外，在基本设计阶段，应充分考虑该装置的布置空间。
2.2 SCR(选择性催化还原)
用氨作还原剂对含NOX的气体进行催化还原处理，使氨能有选择地和气体中的NOX进行反应，而不和氧发生反应，称为选择性催化还原法。利用SCR来降低废气中的NOX，废气在通过一层特殊的催化剂之前与氨相结合，温度为300～400℃，NOX还原为N2和H2O。
图2为船用低速柴油机SCR系统的布置示意图。SCR的反应器为一个独立的装置，垂直于机旁通过排气管和阀件与之连接。另一种可供选择的布置方式是水平设置SCR反应器，置于增压器之上，对机舱的布置更方便。
图2 SCR系统示意图
液氨、氨水和尿素都可用作还原剂。对于船用来说，需要安全且容易处理的还原剂，所用的介质通常是尿素的水溶液，一般浓度为40%。NH3是可燃性气体，因而其输送管路采用双层管壁并设有必要的透气装置，环形空间中置有NH3泄漏监测器。NOX清除的程度取决于所加的氨量，多喷入一些氨，NOX净化率就越高，同时，由于在被处理过的烟气中未用过的氨将增加。为了减少氨随废气排出造成的损失，喷入排气管中的含氨量由一台程序计算机控制，使氨的喷射量与柴油机产生的NOX成比例。NOX的产生量与柴油机负载的关系在试验台试验时进行了测量，所取得的关系编入程序计算机用来控制氨的剂量。氨的剂量随后按反馈系统基于所测得的NOX出口信号的压差来进行调节。
SCR反应器是一个能容纳几层催化剂板的方型容器。反应器内使用的催化剂通常是：五氧化钒、二氧化钛，通常还加入三氧化钨和三氧化钼来优化催化剂特性。催化剂的容量以及反应器的尺寸取决于催化剂的活性、所期望的NOX净化程度、NOX的浓度、烟气压力和可接受的NH3流失量等因素。催化剂的寿命通常是3～5年，催化剂材料本身只占总成本的10%，SCR的主要运行成本来自尿素的消耗量，40%的尿素溶液的消耗量大约是20～25g/kWh。
SCR系统利用选择性催化还原技术对柴油机的废气作后处理，是目前为止最有效的削减NOX的方法，NOX减少效率可以达到95%以上，能够较好地满足一些航区对NOX排放控制较严的要求。
2.3 WIF(油水乳化)
WIF是用水等物质来参与柴油机的燃烧，使燃烧温度降低，从而使NOX的生成量降低。随着掺水量的增加，NOX的生成量减少。WIF是唯一一种既能减少NOX排放又能减少微粒排放的方法。
目前普遍认为降低NOX排放是以降低燃烧温度从而增加耗油率的代价来实现的，实际上采用油水乳化技术能够改善燃烧状况，对于一些主机能够减少1%~2%的耗油率。图3显示某设备商采用该技术在实船上测量的NOX排放量与含水量的变化关系。
图3 NOx排放与含水量关系
燃油的乳化必须在其进入燃油系统的循环回路前完成。水的增加量根据控制系统进行微量调节，监测压力、温度和掺水量。燃油乳化技术也有其局限性，水和重质燃油的乳化比较容易取得，并且较稳定。但水与柴油、轻质柴油的乳化就困难了。当沿海航行强制需要采用低硫燃油时，需设置专门的乳化装置。图4为满足MARPOL 附则VI采用WIF技术的工作流程图。
对于采用燃油乳化措施的船舶，燃油系统应设置一个特殊设计的安全系统，当船舶失电时，将不会影响油/水乳化的稳定性。
图4 WIF系统示意图
2.4 SAM(扫气加湿)
SAM是一种向扫气中加水的方法，利用水的汽化吸热来适当降低燃烧温度，使NO生成减少。
SAM属于机内改造方法，在气缸中控制燃烧来减少NOX产生量，是直接影响柴油机燃烧的方法。利用这种方法，每加入20%的水分，可以减少NOX排量的10%。同时，低的燃烧温度也使炭烟生成速率下降，且CH基的增加可促使炭烟先兆物的氧化，因而增加进气湿度对降低炭烟排放也是有利的。
但是在低负荷下，进气湿度增加会使未燃烃排放增加，而且因为在冷的扫气空气中，水不能完全蒸发，水珠打在气缸套内壁，造成其表面油膜的破坏和硫酸腐蚀，因此目前很少采用SAM。
3 结束语
降低船舶柴油机NOX排放，需要根据各船具体情况进行，可采用单一的措施，也可叠加使用。IMO防止空气污染规则的引入将会提高各国对船舶柴油机排放的进一步关注，出台一些日趋严格的地方排放标准或国家船舶排放控制计划，对航运业和造船业提出更严峻的挑战，从而采取有效的绿色环保技术来应对。
参考文献
[1] MAN B&W PROJECT GUIDE.2011
[2] 江彦桥.海洋船舶防污染技术[M] .上海:上海交通大学出版社, 2000