论文部分内容阅读
[摘 要]为了减少废气对大气的污染，世界上已经有了许多关于内燃机排放的法律法规。本文介绍了目前世界上所实行的柴油机排放法规，介绍了控制柴油机燃烧排放的一些方法，因为重油的特殊性质，必须在排放方面加强监控力度，严格遵循法律法规，提高控制强度，强化控制手段，保证柴油机的正常排放。
[关键词]柴油机；排放；法律法规；
中图分类号：U112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0392-02
目前，全球总吨数超过100吨的船只约有87000艘，其中绝大多数都是采用内燃机作为其主机。由于船舶航行具有机动性的特点，这些以石油产品为燃料的船舶廢气排放对环境的污染也越来越严重。
国际海事组织（IMO）统计表明，每年全球的船舶主机向大气排放的污染物的数量已达到了非常严峻的地步。其中NOx排放量约为1000万吨，SOx排放量约为850万吨。由于70%以上的海上船舶都是在近海行驶，尤其是在一些港口、码头和海峡等船舶航行比较密集的区域，船舶排放物造成的污染，已成为这些地区的主要污染形式。此外，大气污染具有全球性，被污染的大气可以飘到很远的地方，因此，由船舶造成的全球大气问题已引起全球的关注。
1.船舶发动机排放
船舶发动机的污染物主要有CO2、SO2、CO、HC、NOx等。
排放物中CO2的浓度占排放物的很大一部分，这和燃料中的含碳量是成正比你的，此外，当发动机的空燃比增加时，由于在气缸中燃料有充足的氧气参与反应，CO2的含量数随之上升，当负荷降低时，CO2的浓度也会有降低的趋势。
2.船舶柴油机主要排放物
（1）碳氢化合物（HC）
HC的来源主要是燃烧过程中没有完全燃烧的HC和燃料的不完全燃烧。在二冲程发动机中，在扫气过程中会把上一燃烧过程中未燃烧干净的燃料排出气缸，形成HC的排放，在增压发动机中，为了增加进气量，气门会增大气门叠开角，这也会导致一部分燃料会未参与燃烧就排了出去。如图1所示为HC的排放随负荷的变化情况。
由图1可知，在低负荷区，由于混合气边缘比较稀薄燃烧不良，导致HC排放率比较高；在高负荷区，排放率稳定在一个比较低的水平。
（2）一氧化碳（CO）
由表1可知，柴油机中的CO的排放量较低，这是由于柴油的燃烧情况比较好，图2-2给出了再不同负荷下柴油机的CO排放情况，由图可知，在低负荷时，CO的排放量较高，随着负荷的升高，急剧减少，最后在高负荷区维持在一个较低的水平。
（3）氮氧化物（NOx）
氮氧化物是大气污染物的重要组成部分，也是柴油机尾气排放物中，危害最大的，它包括NO和NO2，它的生成机理比较复杂，而且也较难控制，它的形成需要三个基本条件：高温、富氧、反应时间。随着柴油机的不断强化，这三个条件将会越来越高，更加有利于氮氧化物的生成，因此对氮氧化物的控制是一个重要的研究课题。由表1可知，柴油机中NOx的排放量比较高，而且在柴油机的整个运行工况下，NOx排放率的变化范围也比较大。中速柴油机的NOx的比燃料排放率为57kgNOx/吨，低速机的排放率为8757kgNOx/吨。
（4）颗粒
颗粒物主要包括：未燃燃料、未燃润滑油、碳、可溶性硫酸盐等。
3.船舶发动机排放法规
为减小和控制由船舶造成的环境污染，国际海事组织（IMO）于2005年5月19日制定并实施了MAPROL公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》。该附则适用于400吨位以上的船舶，以及所有移动式和固定式海洋钻井平台及其他平台。该附则包括了控制船舶气体排放的主要排放法规，对各种排放物都有明确的限定。
（1）氮氧化物排放限制
MARPOL73/78附则VI第条例13规定了船舶柴油机氮氧化物的排放限制值。该条例适用于2000年1月1日建造或重大改装过后的功率大于130kW的柴油机。对不同时期的柴油机氮氧化物的排放分三个等级执行。硫氧化物排放限制
MARPOL73/78附则VI第3章条例14规定了船舶柴油机硫化物的排放限制值。该条例主要通过控制柴油机的运行来实现，而条例13则是通过控制柴油机的性能来实现的。这些SOx的控制措施可以应用到船舶上使用的所有热力机械。
船舶在不同的区域航行时，硫氧化物的排放有不同的要求，在全球范围内，除特殊限制区域内，2000年燃油的含硫量限定为4.5%，到2012年为3.5%，随着技术的进步，到2015年1月1日，含硫量将进一步减小到0.10%。
（2）颗粒物排放限制
碳烟产生的主要原因是由于燃料燃烧不完全，尤其是在高负荷时期，由于喷油量增大，混合气浓度较高，且转速快燃烧反应时间短，致使部分燃料未经过完全燃烧就排出缸外。“冒烟“是柴油机的一大特点，而且近年来人们对环境问题也越来越重视，因此必须对排气中的这些成分进行严格的控制，控制颗粒物和碳烟可以从燃烧时期加以控制，通过增加进气量，增大喷油压力使燃料雾化更加良好。
4.柴油机排放控制的机内措施
控制排放物的措施分为机内措施和机外措施，机内措施是指在燃烧过程中通过控制排放物生成的条件而减少排放的技术；机外措施是指在排放物已经生成的情况下，通过在排气系统中加装处理设备，对已生成的污染物进行处理以减小其排放的技术。通过机内和机内措施的联合使用可以控制发动机所有污染物的排放。
4.1 氮氧化物的机内控制技术
由上节可知，氮氧化物的生成需要三个必要条件：高温、富氧以及足够的反应时间，因此，控制氮氧化物的机内措施应能：
（1）避免燃烧室内局部温度过高；
（2）实现较低的温度燃烧； （3）减少混合气在气缸内的停留时间。
各种减少NOx排放的机内措施中，根本上都是通過控制这三点来减少NOx的生成的。按照侧重点的不同可以分为：基于燃烧的控制技术、基于进气的控制技术、基于燃烧的控制技术。图3给出了这三种控制技术的具体方法。
如图所示，可以通过多种方法来控制NOx的生成，为达到比较好的排放效果需要结合多种控制方法，因此，不可能通过单一的方法来控制NOx的生成，而且，在控制过程中还可能导致其他污染物如颗粒和碳烟的生成量增加、发动机的动力性能降低以及发动机油耗升高等问题，所以在控制过程中必须对控制措施进行一定的限制。
5.柴油机排放控制的机外措施
随着排放法规的日益严格，采用单一的机内措施不能满足这么严格的要求，因此，机内措施和机外措施的联合是最有效的控制方法。机外措施不需要对发动机做特殊的改造，在保证发动机良好运行状况的情况下，在排气的尾部处理掉燃烧产生的有害排放物。但是，机外措施需要配置专门的处理设备，比较占用空间，因此在大型的设备或固定设备上比较容易实现应用。
5.1 氮氧化物的机外控制技术
目前，选择性催化还原技术（SCR）是处理NOx的最有效的机外控制技术。SCR技术的原理是，在高浓度的氧含量的环境中，在催化剂的作用下，将NOx还原成N2。其中还原剂主要有：烃类、氨气、尿素等。催化剂主要有：贵金属、金属氧化物、分子筛催化剂，助催化剂等。
SCR催化器的安装示意如图4
6.结语
在本文中主要介绍了目前世界上所实行的柴油机排放法规，介绍了控制柴油机燃烧排放的一些方法，因为重油的特殊性质，必须在排放方面加强监控力度，严格遵循法律法规，提高控制强度，强化控制手段，保证柴油机的正常排放。基于以上情况，重油在投入柴油机使用之前必须经过一定方式的预处理，一般来说主要流程包括对重油进行净化处理，主要手段有沉淀、离心分离、滤清器过滤等，还要通过一定设备使其均化，最主要的是要对其进行适当的预热，使其温度与粘度达到合适的范围内，保证其在供油管路中的顺利运输，保证喷油效果与燃烧效果。机舱工作人员更应该提高对重油柴油机的管理意识，加油之前务必确保之前的油已经使用干净，加油过程中注意取样分析。柴油机启动之前要注意暖机预热；在轻油与重油进行切换时也要注意避免两种油品的掺杂；在日常维护过程中还需要注意对供油单元的保养，只有这样才能使柴油机在燃烧重油时也能更好的工作。
参考文献
[1] 冷先银，隆武强.现代船用柴油机NOx排放的机内净化技术[J].柴油机，2009（2）：19-25.
[2] 周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011，4（3）：211-232.
[关键词]柴油机；排放；法律法规；
中图分类号：U112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0392-02
目前，全球总吨数超过100吨的船只约有87000艘，其中绝大多数都是采用内燃机作为其主机。由于船舶航行具有机动性的特点，这些以石油产品为燃料的船舶廢气排放对环境的污染也越来越严重。
国际海事组织（IMO）统计表明，每年全球的船舶主机向大气排放的污染物的数量已达到了非常严峻的地步。其中NOx排放量约为1000万吨，SOx排放量约为850万吨。由于70%以上的海上船舶都是在近海行驶，尤其是在一些港口、码头和海峡等船舶航行比较密集的区域，船舶排放物造成的污染，已成为这些地区的主要污染形式。此外，大气污染具有全球性，被污染的大气可以飘到很远的地方，因此，由船舶造成的全球大气问题已引起全球的关注。
1.船舶发动机排放
船舶发动机的污染物主要有CO2、SO2、CO、HC、NOx等。
排放物中CO2的浓度占排放物的很大一部分，这和燃料中的含碳量是成正比你的，此外，当发动机的空燃比增加时，由于在气缸中燃料有充足的氧气参与反应，CO2的含量数随之上升，当负荷降低时，CO2的浓度也会有降低的趋势。
2.船舶柴油机主要排放物
（1）碳氢化合物（HC）
HC的来源主要是燃烧过程中没有完全燃烧的HC和燃料的不完全燃烧。在二冲程发动机中，在扫气过程中会把上一燃烧过程中未燃烧干净的燃料排出气缸，形成HC的排放，在增压发动机中，为了增加进气量，气门会增大气门叠开角，这也会导致一部分燃料会未参与燃烧就排了出去。如图1所示为HC的排放随负荷的变化情况。
由图1可知，在低负荷区，由于混合气边缘比较稀薄燃烧不良，导致HC排放率比较高；在高负荷区，排放率稳定在一个比较低的水平。
（2）一氧化碳（CO）
由表1可知，柴油机中的CO的排放量较低，这是由于柴油的燃烧情况比较好，图2-2给出了再不同负荷下柴油机的CO排放情况，由图可知，在低负荷时，CO的排放量较高，随着负荷的升高，急剧减少，最后在高负荷区维持在一个较低的水平。
（3）氮氧化物（NOx）
氮氧化物是大气污染物的重要组成部分，也是柴油机尾气排放物中，危害最大的，它包括NO和NO2，它的生成机理比较复杂，而且也较难控制，它的形成需要三个基本条件：高温、富氧、反应时间。随着柴油机的不断强化，这三个条件将会越来越高，更加有利于氮氧化物的生成，因此对氮氧化物的控制是一个重要的研究课题。由表1可知，柴油机中NOx的排放量比较高，而且在柴油机的整个运行工况下，NOx排放率的变化范围也比较大。中速柴油机的NOx的比燃料排放率为57kgNOx/吨，低速机的排放率为8757kgNOx/吨。
（4）颗粒
颗粒物主要包括：未燃燃料、未燃润滑油、碳、可溶性硫酸盐等。
3.船舶发动机排放法规
为减小和控制由船舶造成的环境污染，国际海事组织（IMO）于2005年5月19日制定并实施了MAPROL公约附则VI《防止船舶造成空气污染规则》。该附则适用于400吨位以上的船舶，以及所有移动式和固定式海洋钻井平台及其他平台。该附则包括了控制船舶气体排放的主要排放法规，对各种排放物都有明确的限定。
（1）氮氧化物排放限制
MARPOL73/78附则VI第条例13规定了船舶柴油机氮氧化物的排放限制值。该条例适用于2000年1月1日建造或重大改装过后的功率大于130kW的柴油机。对不同时期的柴油机氮氧化物的排放分三个等级执行。硫氧化物排放限制
MARPOL73/78附则VI第3章条例14规定了船舶柴油机硫化物的排放限制值。该条例主要通过控制柴油机的运行来实现，而条例13则是通过控制柴油机的性能来实现的。这些SOx的控制措施可以应用到船舶上使用的所有热力机械。
船舶在不同的区域航行时，硫氧化物的排放有不同的要求，在全球范围内，除特殊限制区域内，2000年燃油的含硫量限定为4.5%，到2012年为3.5%，随着技术的进步，到2015年1月1日，含硫量将进一步减小到0.10%。
（2）颗粒物排放限制
碳烟产生的主要原因是由于燃料燃烧不完全，尤其是在高负荷时期，由于喷油量增大，混合气浓度较高，且转速快燃烧反应时间短，致使部分燃料未经过完全燃烧就排出缸外。“冒烟“是柴油机的一大特点，而且近年来人们对环境问题也越来越重视，因此必须对排气中的这些成分进行严格的控制，控制颗粒物和碳烟可以从燃烧时期加以控制，通过增加进气量，增大喷油压力使燃料雾化更加良好。
4.柴油机排放控制的机内措施
控制排放物的措施分为机内措施和机外措施，机内措施是指在燃烧过程中通过控制排放物生成的条件而减少排放的技术；机外措施是指在排放物已经生成的情况下，通过在排气系统中加装处理设备，对已生成的污染物进行处理以减小其排放的技术。通过机内和机内措施的联合使用可以控制发动机所有污染物的排放。
4.1 氮氧化物的机内控制技术
由上节可知，氮氧化物的生成需要三个必要条件：高温、富氧以及足够的反应时间，因此，控制氮氧化物的机内措施应能：
（1）避免燃烧室内局部温度过高；
（2）实现较低的温度燃烧； （3）减少混合气在气缸内的停留时间。
各种减少NOx排放的机内措施中，根本上都是通過控制这三点来减少NOx的生成的。按照侧重点的不同可以分为：基于燃烧的控制技术、基于进气的控制技术、基于燃烧的控制技术。图3给出了这三种控制技术的具体方法。
如图所示，可以通过多种方法来控制NOx的生成，为达到比较好的排放效果需要结合多种控制方法，因此，不可能通过单一的方法来控制NOx的生成，而且，在控制过程中还可能导致其他污染物如颗粒和碳烟的生成量增加、发动机的动力性能降低以及发动机油耗升高等问题，所以在控制过程中必须对控制措施进行一定的限制。
5.柴油机排放控制的机外措施
随着排放法规的日益严格，采用单一的机内措施不能满足这么严格的要求，因此，机内措施和机外措施的联合是最有效的控制方法。机外措施不需要对发动机做特殊的改造，在保证发动机良好运行状况的情况下，在排气的尾部处理掉燃烧产生的有害排放物。但是，机外措施需要配置专门的处理设备，比较占用空间，因此在大型的设备或固定设备上比较容易实现应用。
5.1 氮氧化物的机外控制技术
目前，选择性催化还原技术（SCR）是处理NOx的最有效的机外控制技术。SCR技术的原理是，在高浓度的氧含量的环境中，在催化剂的作用下，将NOx还原成N2。其中还原剂主要有：烃类、氨气、尿素等。催化剂主要有：贵金属、金属氧化物、分子筛催化剂，助催化剂等。
SCR催化器的安装示意如图4
6.结语
在本文中主要介绍了目前世界上所实行的柴油机排放法规，介绍了控制柴油机燃烧排放的一些方法，因为重油的特殊性质，必须在排放方面加强监控力度，严格遵循法律法规，提高控制强度，强化控制手段，保证柴油机的正常排放。基于以上情况，重油在投入柴油机使用之前必须经过一定方式的预处理，一般来说主要流程包括对重油进行净化处理，主要手段有沉淀、离心分离、滤清器过滤等，还要通过一定设备使其均化，最主要的是要对其进行适当的预热，使其温度与粘度达到合适的范围内，保证其在供油管路中的顺利运输，保证喷油效果与燃烧效果。机舱工作人员更应该提高对重油柴油机的管理意识，加油之前务必确保之前的油已经使用干净，加油过程中注意取样分析。柴油机启动之前要注意暖机预热；在轻油与重油进行切换时也要注意避免两种油品的掺杂；在日常维护过程中还需要注意对供油单元的保养，只有这样才能使柴油机在燃烧重油时也能更好的工作。
参考文献
[1] 冷先银，隆武强.现代船用柴油机NOx排放的机内净化技术[J].柴油机，2009（2）：19-25.
[2] 周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011，4（3）：211-232.