摘 要

日益严重的环境污染对人类赖以生存的环境造成了严重的威胁。众多污染源之中，船舶氮氧化物是船舶柴油机排放的主要污染物之一，它们是形成酸雨的主要成分以及能够对人类呼吸、动植物生存都具有严重威胁。因此，人类的社会发展经济建设与保护生态环境节能减排并驾齐驱显得尤为重要。所以对于船舶氮氧化物防止污染技术讨论是具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

论文主要研究了目前海洋船舶对于运行时降低氮氧化物排放的技术，分析其工作特性。本文中几种减排技术中，降低氮氧化物排放率中最高的为SCR技术和LNG燃料，可降低85%-90%。废气再循环技术、缸内直喷水技术以及分段喷射技术可降低约50%-60%，乳化燃料则为最低。但对比降低氮氧化物排放效率的同时对于船舶耗油率、发动机效率、设备成本等其它方面需要考虑。因此，SCR技术更适合自己充足远洋航行的船舶，而EGR和缸内直喷水更适合国内海河船，对于航程较短小吨位船舶适用乳化燃料。科研技术快速发展下，EGR技术、SCR技术、分段喷射和缸内直喷水技术将不断完善达到排放规定。但能源危机下，LNG清洁燃料资源充足，前景可观。从而预测最具发展潜力及符合各方利益的方案。

关键词：氮氧化物；船舶柴油机；SCR；LNG

Abstract

The increasingly serious environmental pollution poses a serious threat to the environment on which human beings rely. Among many pollution sources, ship nitrogen oxides are one of the major pollutants emitted by marine diesel engines. They are the main components of acid rain formation and can pose a serious threat to human respiration and the survival of animals and plants. So, it is particularly important that human social development and economic development go hand in hand with protecting the ecological environment. Therefore, it is of theoretical significance and practical engineering application value to discuss the technology of ship nitrogen oxide pollution prevention.

The paper mainly studies the current technology of marine vessels to reduce nitrogen oxides emissions during operation, and analyzes their operating characteristics. Among the several emission reduction technologies in this paper, the highest among the reduction of nitrogen oxide emission rate is SCR technology and LNG fuel, which can be reduced by 85%-90%. Exhaust gas recirculation technology, in-cylinder direct injection technology, and segmented injection technology can be reduced by approximately 50%-60%, with emulsion fuel being the lowest. However, compared with reducing the nitrogen oxide emission efficiency, it also needs to consider other aspects such as fuel consumption, engine efficiency, and equipment cost. Therefore, the SCR technology is more suitable for its own ships that can voyage in oceans. EGR and direct-injection water are more suitable for domestic river-going vessels, and emulsified fuels are used for vessels with shorter range and smaller tonnage. Under the rapid development of scientific research and technology, EGR technology, SCR technology, segmented injection and in-cylinder direct injection technology will continue to improve to meet emission regulations. However, under the energy crisis, LNG has ample clean fuel resources and a promising prospect. In order to predict the most development potential and in line with the interests of all parties.

Key words: Nitrogen dioxide; Ship Diesel Engine; SCR; LNG

目 录

第1章 绪论 1

1.1船舶大气氮氧化物污染现状 1

1.2研究船舶防止大气氮氧化物污染的意义 1

1.3国内外采取的措施 2

1.4国内研究现状 4

1.5国外研究现状 6

第2章 研究的基本内容、目标 7

2.1研究内容 7

2.2研究目标 7

第3章 控制船舶氮氧化物技术手段 8

3.1废气再循环EGR技术 8

3.2选择性催化还原法SCR 9

3.3 LNG燃料及乳化燃料 12

3.3.1 LNG燃料 12

3.3.2 乳化燃料 12

3.4 缸内直喷水技术 14

3.5 分段喷射 14

第4章 技术手段的优劣势分析 16

4.1废气再循环EGR 16

4.2选择性催化还原SCR 16

4.3 LNG燃料 16

4.4乳化燃料 17

4.5缸内直喷水技术 17

4.6分段喷射 17

4.7技术预测及展望 17

第5章 总结 22

5.1工作总结 22

5.2尚待解决的问题 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1船舶大气氮氧化物污染现状

随着近些年国内发展，城市化加速发展及人民物质需求的不断提升的情况下，环境污染问题也随之迸发。经济全球化的现状下，航运业在其中充当重要角色。但在其运营的同时所排放的废气是主要大气污染的因素之一，其中氮氧化物NOx的影响是最为严重的。全世界船舶柴油机一年向大气环境中排放的氮氧化物约为千万吨。由于70％以上的海上船舶是在离海岸线400公里范围内行驶，沿海城市的污染的主要源头是船舶运行时所排放的NOx和颗粒。当人们赖以生存的大气环境不能够维持平衡时，将给整个生态圈带来一场浩劫。

氮氧化物的危害

（1）对人类的危害

氮氧化物对人类的呼吸系统具有极大损害。尤其对肺部产生一定刺激，导致对肺等呼吸系统产生疾病。对于发育阶段儿童会有所损伤，成年人则可能患有综合征。严重者则可能对人体细胞产生病变。动植物若是在二氧化氮含量为100ppm～150ppm的环境内持续活动半个小时到一个小时之内,就可以因肺部疾病而导致死亡。

（2）对生态环境的危害

船舶航行所排放的氮氧化物对环境具有巨大危害成分的主要是一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物在大气中与碳氢化合物经过紫外线照射条件下生成光化学烟雾。光化学烟雾是刺激性有毒物质，对动植物及地表生物都有所损害，对空气质量及能见度都有所降低。氮氧化物在大气中飘散，在这期间可与含有湿度的空气生成HNO3硝酸和HNO2亚硝酸。通过大气循环最终形成酸雨，对生态环境产生腐蚀现象，农作物减产及生物数量减少。

（3）对全球大气环境危害

氮氧化物污染不仅仅是国内外的问题，而是全球性的问题。氮氧化物与其他物质的化合反应经过大气循环产生连锁反应。其中最为明显的特征：酸雨，全球气候变暖，臭氧层空洞。如不再加以控制，将产生难以扭转的情况，人类生存将面临极大困境。

1.2研究船舶防止大气氮氧化物污染的意义

近些年来，经济全球化和物联网完善的新时代趋势下，航运业伴随着国家日益腾飞的步伐逐渐上升。繁荣的航运业和扩增使得成为全球经济重要输送者。当年邓小平同志的改革开放让长江的船舶航运业增加了生命力，加快了中国经济建设发展。截止08年末，长江流域货物运输量达到13亿吨，是1978年的30倍，是美国密西西比河的2.5倍、欧洲莱茵河的3倍，成为全球货物运输量的首屈一指的交通运输流域。长江干线规模以上港口吞吐量达到10.2亿吨，是1978年的13.5倍，长江航运跨入了蓬勃发展的新时期。至2017年，被外界评选的世界十大港口中，中国高居七个名额。

但随着时间推移，繁荣的背后船舶大气污染的问题逐渐明显。于是2014年7月自然资源保护协会（NRDC）在首都北京开展会议并颁布《船舶港口空气污染防治白皮书》，若常用集装箱船配备含3.5%硫化物的燃料油，以70%最大负载的功率行驶，按一整日算排放的颗粒物相当于50万辆以国四油为燃料的货车。美国一项最新研究发现，世界各地海洋船舶的颗粒污染物每年排放约为220磅（1磅约合0．4536千克），而世界各地的氮氧化物气体排放统计约为30%来自海洋船舶。据相关组织统计，全世界海洋船舶在航行期间排放的微粒污染物可占全球车辆微粒污染物排放量的一半，导致成为空气污染的主要源头，而含高硫油有的船舶就像是行走的火力发电厂，以品质较差的煤炭为燃料并且没有尾气处理。

蓬勃的航运业带来的船舶大气污染危害逐渐的体现了相应的利益冲突。香港环境保护署数据统计，在2012年，船舶排放的SO2、NOx排放分别所占总排放份额的50％和32％；一艘集装箱船每日排放的可吸入颗粒物相当于500000卡车一天总量。2008年，由于废气污染物的影响在香港造成约1202人早逝，额外住院案例8262件。在欧洲，因为废气污染物影响每年呼吸系统和心血管疾病甚至致死达5万人。光化学烟雾发生在1940年至1960年的美国，导致距离城市100千米以外两千米海拔的高山上的大面积松树林死亡，柑橘减产。从1950到1951年，美国的空气污染造成的经济损失达15亿美元。对此世界各国对船舶大气减排高度重视，保护海洋环境已经成为各国共同扛起的责任。

国际海事组织通过洽谈促成的国际上共同认同的环保公约，各国发展同时持续投入科研力量到船舶减排的技术手段。但理论技术和现实运用往往都具有差距。一面法律条例严格控制排放，一面船舶盈利收到极大挑战。可行性大部分牵扯到经济效益。例如，为保护大气环境船舶采用LNG燃料，可大大降低废气排放。但对于LNG燃料而言，首先加装到船舶的技术复杂，世界范围内能加装的区域港口甚少；而且储存LNG系统复杂，对于相应的空间布置困难。以及改造为LNG难度大，再者建造成本追加到8%-20%，许多船东不愿意冒险尝试。

目前，鉴于以上刻不容缓的保护大气环境态势、绿色海洋发展战略，但又存在着环保和可行性的矛盾，不同技术存在一定的局限性以及新兴技术不够成熟稳定，达到的效果以及能够真实运用在行业内的差距，从船东、船厂、设计公司等不同考虑方向等以上因素，运用综合分析能力将保护大气环境绿色生态海洋系统为第一目标，在国际公约与国内法律条例落实情况下同时将技术手段和经济效益共同进步，形成可持续发展战略。因此进行“船舶大气氮氧化物防止污染技术讨论”具有很强的理论意义和未来技术工程发展的价值。

1.3国内外采取的措施

为了防止船舶排放污染物日益严重，国际海事组织IMO修订了《MARPOL73/78公约议定书》，新增了MARPOL附则VI 《73/78防止船舶造成大气污染规则》 ，于1997年9月26日通过，并开始采用《船舶柴油机NOx排放控制技术规则》。附则VI要求所有在2000年1月1日及以后安装、建造、重大改装后的船上输出功率超过130kW的柴油发动机，其限制氮氧化物排放的标准最大值如表1.1。我国于2005年5月19日按同一标准实施。

表1.1 MARPOL公约附则VI关于NOx排放的规定

2008年，IMO批准了附则VI修正案，分阶段减少船舶有害气体排放，实际目的是逐渐限制船舶柴油机SOx和NOx、颗粒污染物及温室气体的排放程度。其中Tier III适用于2016年1月1日安

近年来，随着航运事业增多和环境变化影响，我国也逐渐重视内河船舶空气排放。从2008版修稿到2011年版《内河船舶法定检验技术规则》，国内要求内河船舶单机额定功率超过130kW的柴油机应按照以下限制范围内：

（1）17.0g/kW·h，当n＜130r/min时

（2）45n⁻⁰∙²/kW·h，当130r/min≤n＜2000r/min时

（3）9.8g/kW·h，当n≥2000r/min时

在ECA内符合Tier III，ECA外应符合Tier II。详细如下表1. 2。

其他方面来讲 ，IMO开展会议设立排放控制区，如波罗的海控制排放区、北海排放控制区、北美排放控制区、美国加勒比海排放控制区，于2010年到2013年相继正式生效。欧洲海域排放控制区由欧盟设立而美国加利福尼亚排放控制区由美国独自设立。

以北美控制排放区为例，设立SOx和NOx排放控制区。MARPOL公约规定关于氮氧化物排放，自2016年1月1日起，行驶至该区域内的船舶应符合MARPOL公约附则VI第13条规定的“三级”标准的船舶柴油引擎。

表1.2 不同阶段NOx排放限值

随着我国的逐渐重视，交通运输部印发《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，第一次设立我国船舶大气污染物排放控制区，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放。方案要求，自2016年1月1日起，排放控制区内有条件的港口，可以实施高于现行排放控制要求的措施，包括船舶靠岸停泊期间使用硫含量不高于0.5%的燃油。自2017年起，船舶在排放控制区内的核心港口区域靠岸停泊期间（靠港后的一小时和离港前的一小时除外），应使用硫含量不高于0.5%的燃油。2018年起，这一要求扩大至排放控制区内所有港口内靠岸停泊的船舶；2019年起扩大至进入排放控制区的所有船舶。船舶可采取连接岸电、使用清洁能源、尾气后处理等替代措施。

1.4国内研究现状

从选择燃料方面来讲，惠磊提出可用低压气体燃料来代替传统石油燃料，主机根据奥托循环原理可有效降低气缸内燃烧的峰值温度从而降低NOx排放^[2]。蓝江宇提出采用含有水份的乳化燃料。此燃料无需改造柴油机，在低负荷运行时所产生的效果愈加显著，同时乳化燃料稳定性好。燃烧时水的蒸发和热分解会降低燃料温度从而减少NOx的产生^[5]。于航、刘光洲提出采用LNG替代燃料，采用LNG可减少85％~90％的NOx^[1]，并且LNG燃料价格便宜产生更少CO2。但对于燃料系统的额外成本又是一项障碍，适用性还有待提升^[11]。

从机内控制角度，发动机废气再循环（EGR）技术越来越受到重视。产生NOx的关键因素是气缸的燃烧温度、氧气含量和高温燃烧持续时间。废气再循环技术是将燃烧后的废气重新回收，通过加装的冷凝器冷凝之后与新鲜空气混合再循环。由于燃烧产生的NO与O2浓度的平方根成正比，将产生的CO2冷却清洗后扫气进入来代替一部分O2从而降低燃烧温度，减少NOx产生。随着EGR率的增加，NOx由于O2浓度和燃烧气体温度的降低而降低，如图1.4.1。但是，它可以防止碳烟氧化，并且通常会产生更多的PM^[12]。目前国外柴油机公司MAN Bamp;W主要采用EGR技术并取得一定成果。

从机外控制角度讲，选择性催化还原（SCR）是一种相对完善且成熟的废气后处理技术。利用化学催化剂将柴油机废气处理转化为无害产物^[2]。通常使用NH3作为催化剂，废气从增压器涡轮排出后进入装有催化剂喷射装置的排气管内，防止废气与其他催化剂先NH₃反应，在工作温度内与NOx转化为无毒的氮气和水,如图1.1。NH₃还原氮氧化物NOx过程的化学方程式：

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