船舶柴油機(jī)顆粒物排放控制技術(shù)研究進(jìn)展

張韓西子，劉瀛昊，戴鈺杰，李 敢，唐 俊

(1.中國艦船研究院，北京 100101；2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；3.中船集團(tuán)電機(jī)科技股份有限公司，山西 太原 030027)

0 引 言

近年來，貿(mào)易全球化進(jìn)程不斷推進(jìn)，其中，全球約80%的國際貿(mào)易是通過海運(yùn)實(shí)現(xiàn)的，船用柴油機(jī)排放的廢氣已成為大氣的重要污染源。顆粒物是柴油機(jī)尾氣排放中的主要污染物之一，可長期懸浮在大氣中，并隨空氣流動(dòng)遠(yuǎn)距離傳播，對人體的呼吸及血液循環(huán)系統(tǒng)危害極大，可腐蝕船舶外殼，影響艦面設(shè)備正常工作，同時(shí)容易進(jìn)入船舶通風(fēng)管路系統(tǒng)，污染船員居住環(huán)境。中國作為航運(yùn)大國，港口多集中在人口稠密地區(qū)，如珠三角、環(huán)渤海等，船機(jī)排氣中的顆粒物帶來的污染危害更加嚴(yán)重，治理顆粒物排放已成當(dāng)務(wù)之急。

目前，美國[1]、歐盟[2]和中國[3]均已制定船舶排放法規(guī)，對顆粒物的排放限值做出了規(guī)定。中國環(huán)保部于2016年8月22日發(fā)布了GB15097-2016，對船機(jī)顆粒物排放進(jìn)行了限制。其中第1階段排放限值已于2018年7月1日正式實(shí)施，如表1所示；第2階段排放限值將于2021年7月1日開始實(shí)施，如表2所示。

在防止船舶大氣污染的環(huán)保趨勢下，為了應(yīng)對越來越嚴(yán)格的法規(guī)要求，有必要對船舶柴油機(jī)顆粒物排放控制技術(shù)進(jìn)行研究。

表1 中國船機(jī)排放顆粒物第1階段排放限值Tab.1 Limits for PM emission from marine engines（CHINA Ⅰ）

表2 中國船機(jī)排放顆粒物第2階段排放限值Tab.2 Limits for PM emission from marine engines（CHINA Ⅱ）

1 顆粒物組分及來源分析

柴油機(jī)排氣中的顆粒物并不是單一物質(zhì)，組分較為復(fù)雜。鑒于目前世界各國通用的顆粒物測量方法是美國環(huán)保局（EPA）規(guī)定的微粒稀釋質(zhì)量測量法，因此一般公認(rèn)的柴油機(jī)顆粒物的定義也即EPA對顆粒物的定義：柴油機(jī)排氣經(jīng)干凈室溫空氣稀釋冷卻至51.7 ℃后，稀釋氣體經(jīng)過聚四氟乙烯樹脂濾紙后，收集到的除非化合形態(tài)凝聚水外其他所有的固體和液體狀的微小顆粒[4]。

柴油機(jī)排放的顆粒物主要由干碳煙、可溶性有機(jī)物（Soluble Organic Fraction，SOF）和硫酸鹽組成。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況會(huì)影響排氣中顆粒物的組分。當(dāng)柴油機(jī)排氣溫度超過500 ℃時(shí)，顆粒物主要由干碳煙組成，當(dāng)柴油機(jī)排氣溫度較低時(shí)，顆粒物主要由干碳煙吸附氣體狀或液體狀的有機(jī)物后，形成的SOF組成。

根據(jù)某國產(chǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過大量試驗(yàn)獲得的顆粒物組分比例，干碳煙在柴油機(jī)顆粒物排放中所占比重約為50%～70%，SOF占比約為30%[5]。

其中，干碳煙形成條件為高溫和缺氧，柴油機(jī)盡管總體是富氧燃燒，但由于油氣混合不均勻，局部的缺氧仍然會(huì)導(dǎo)致干碳煙的產(chǎn)生，碳煙形成的一般過程為：在高溫缺氧條件下，烴類燃料中的烴分子發(fā)生部分氧化及熱裂解，形成各種不飽和烴，包括乙烯和乙炔等，這些不飽和烴經(jīng)過不斷的脫氫，聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳核，之后，碳核進(jìn)入表面增長和凝聚階段，碳核的直徑可達(dá)到20～30nm。最后，碳核開始進(jìn)行缸外的聚合和鏈增長，最終形成球團(tuán)狀或鏈狀的直徑1μm 以下的多孔性聚合物。

SOF根據(jù)來源不同，可分為未燃燃料和未燃潤滑油成分，兩者所占比重大致相等。硫酸鹽來源為柴油機(jī)中所含的硫。

2 顆粒物排放控制技術(shù)

目前船用柴油機(jī)顆粒物排放控制技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，按照控制階段可分為前處理技術(shù)、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和后處理技術(shù)。

2.1 前處理技術(shù)

前處理技術(shù)主要通過優(yōu)化柴油品質(zhì)，或者采用高質(zhì)清潔燃料，從源頭上對船機(jī)顆粒物排放進(jìn)行控制。

使用液化天然氣（LNG）基本可以完全消除船機(jī)顆粒物排放，但以LNG為燃料的船舶續(xù)航力最多只能達(dá)到22天，而全球尚未建立起LNG補(bǔ)給鏈[6]。

柴油機(jī)使用醇類燃料時(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)無煙排放，其中應(yīng)用最廣泛的是甲醇，在柴油中摻入甲醇蒸汽，可節(jié)約40%柴油，同時(shí)可降低微粒排放量70%～80%[7]。

選用低硫船用燃油可有效降低柴油機(jī)顆粒物排放，但是當(dāng)前船用的動(dòng)力設(shè)備都是針對價(jià)格低廉的高硫燃油設(shè)計(jì)的。如果選用低硫船用燃油，需針對動(dòng)力設(shè)備的噴油、潤滑系統(tǒng)等進(jìn)行改造。因此該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性及安全性方面存在一定問題[8]。

2.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

目前船舶柴油機(jī)排氣顆粒物的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，主要從提高噴油壓力，改善油氣混合質(zhì)量方面入手，優(yōu)化燃燒過程，降低初始碳煙粒子的形成。

高壓噴射技術(shù)通過增加噴射壓力，縮小噴孔直徑，進(jìn)一步細(xì)化燃油噴霧顆粒，以增大燃油與空氣的接觸表面積和縮短強(qiáng)化時(shí)間，可造成高溫高速以及混合能量很大的燃燒過程，從而降低柴油機(jī)顆粒物排放，被廣泛應(yīng)用于直噴式柴油機(jī)。

電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)通過優(yōu)化噴油要素，使船舶柴油機(jī)燃燒更充分，從而減少顆粒物排放，在低負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速時(shí)，效果更加明顯?？得魉构九c瑞典斯堪尼亞公司合作開發(fā)的超高壓噴射（XPI）系統(tǒng)，噴射壓力可以達(dá)到240MPa以上，并且不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。噴嘴采用的是中心壓力容腔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)5次噴射。該系統(tǒng)顯著縮短了噴射持續(xù)期和放熱持續(xù)期，可以同時(shí)降低柴油機(jī)排氣中顆粒物和NOx含量[9]。

機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)在減少柴油機(jī)顆粒物排放方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展情況，前處理技術(shù)和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)對船機(jī)顆粒物排放的控制已經(jīng)趨于極限，難以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。同時(shí)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)存在以下幾個(gè)問題：首先，無法處理由未徹底燃燒的潤滑油產(chǎn)生的顆粒物；其次，降低顆粒物排放的同時(shí)往往會(huì)增加另一種主要污染物NOx的排放量。目前常用的提高噴油壓力的機(jī)內(nèi)措施，雖然可降低排氣中的顆粒物濃度，卻會(huì)增加對人體危害更大的小尺寸顆粒物的排放量。因此，為了滿足未來更加嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，研究并采用機(jī)外后處理技術(shù)來減少顆粒物排放，已經(jīng)成為柴油機(jī)顆粒物排放控制的必要手段。

2.3 后處理技術(shù)

目前國內(nèi)外主要的顆粒物排放控制后處理技術(shù)主要有電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵技術(shù)、靜電微粒捕集技術(shù)、氧化催化技術(shù)（DOC）和顆粒捕集技術(shù)（DPF）。

電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵技術(shù)主要運(yùn)用于陸上水泥廠、火電廠、鋼鐵廠等場合。電除塵技術(shù)通過將顆粒物在電場中充分荷電來除去粒徑較大的顆粒物，袋式除塵技術(shù)通過覆膜濾袋來去除粒徑微小的顆粒物，電袋復(fù)合除塵技術(shù)將二者的除塵機(jī)理有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，可有效收集不同粒徑的顆粒物，達(dá)到很高的除塵效率。但是袋式除塵技術(shù)僅適用于燃煤產(chǎn)生的顆粒物，使用燃油時(shí)，含油排放物會(huì)粘附在濾袋外表面，堵塞濾袋氣孔，導(dǎo)致濾袋壽命降低，還會(huì)增加設(shè)備排氣背壓。而若僅使用電除塵技術(shù)對柴油機(jī)排放顆粒物進(jìn)行處理，處理效率不到70%，無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

靜電微粒捕集技術(shù)是通過在排氣管下游安裝集塵板，利用附加電源產(chǎn)生高壓直流電，對攜帶電荷的顆粒物進(jìn)行靜電捕集，效率可達(dá)80%以上，對排氣背壓影響較小，廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵，技術(shù)比較成熟。但設(shè)備體積大、造價(jià)昂貴，需要附帶高壓電源，對絕緣設(shè)計(jì)要求高，在顆粒物收集過程中還會(huì)產(chǎn)生二次逃逸問題。

DOC技術(shù)是最早使用于柴油機(jī)的顆粒物后處理技術(shù)，DOC的原理是將鉑或鈀等催化劑涂敷在載體上，通過氧化SOF 中大部分烴類物質(zhì)，降低柴油機(jī)的顆粒物排放，同時(shí)還可減少柴油機(jī)排氣中的其他污染物，如碳?xì)浠衔锛耙谎趸嫉萚10]。DOC可轉(zhuǎn)化掉柴油機(jī)排氣中60%～90%的碳?xì)浠衔?、一氧化碳和SOF，以重量計(jì)對排氣中顆粒物可達(dá)到20%～40%的轉(zhuǎn)化效率[11]。DOC應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的問題是船機(jī)排氣中含硫量較高，經(jīng)過催化氧化后生成的硫酸鹽會(huì)使DOC中毒，同時(shí)會(huì)增加PM排放量。

DPF技術(shù)是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最有效、應(yīng)用最廣泛的柴油機(jī)顆粒物排放控制技術(shù)。DPF的工作原理是通過碰撞及吸附、慣性攔截、擴(kuò)散攔截及重力沉降等過程捕捉排氣中的顆粒物，再利用燃燒器、催化劑等進(jìn)行分解、燃燒，從而達(dá)到降低柴油機(jī)顆粒物排放量的目的，效率可高達(dá)90%。目前，歐洲和日本的汽車產(chǎn)業(yè)都在采用DPF后處理技術(shù)，北京、天津、深圳等地也已相繼出臺(tái)了要求國五標(biāo)準(zhǔn)柴油車加裝DPF的相關(guān)條例，DPF技術(shù)具有重大的市場應(yīng)用前景。其主要問題是隨著捕集過程的持續(xù)進(jìn)行，沉積的顆粒物會(huì)逐漸增多，堵塞載體，導(dǎo)致排氣背壓升高，因此必須定期清除捕集的顆粒物，這一過程稱為DPF的再生。

3 DPF再生技術(shù)

當(dāng)前，DPF再生技術(shù)總體上可以劃分主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩大類。主動(dòng)再生是通過外界給予能量加熱，將柴油機(jī)排氣溫度提高或者將DPF過濾體溫度提高到顆粒物的起燃溫度，從而完成顆粒物的氧化，實(shí)現(xiàn)DPF再生。被動(dòng)再生系統(tǒng)利用柴油機(jī)排氣自身的能力使顆粒燃燒，達(dá)到DPF再生的效果。

目前國內(nèi)外主流DPF再生技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

日本IBIDEN公司開發(fā)的2款DPF如圖1所示。其中: A為捕集器與再生裝置組成一體的ZK型，適用于叉車等工程車輛；B為盒式捕集器與DPF再生裝置分開的CT型，適用于消防等緊急車輛。

IBIDEN公司采用的再生技術(shù)有2種，一種為電加熱再生技術(shù)，另一種稱為盒式構(gòu)造的DPF，是將捕集到的顆粒物儲(chǔ)存在容器中，并定期進(jìn)行更換。這種盒式構(gòu)造的DPF由于維護(hù)保養(yǎng)不便，已經(jīng)逐步被市場淘汰。

由于單一再生技術(shù)各有優(yōu)劣，存在應(yīng)用局限性，目前，綜合應(yīng)用多種再生手段實(shí)現(xiàn)DPF的再生，是DPF市場應(yīng)用的發(fā)展方向。

表3 DPF再生技術(shù)Tab.3 Comparison of DPF regeneration technologies

圖1 IBIDEN公司開發(fā)的顆粒捕集器Fig.1 IBIDEN's DPF

李凱等[12]提出了一種電加熱與催化再生相結(jié)合的復(fù)合再生技術(shù)，試驗(yàn)證明可在排氣溫度較低情況下實(shí)現(xiàn)DPF的有效再生。韓煒等[13]提出一種微波加熱與催化再生相結(jié)合的再生方法，可降低顆粒物排放98.2%。杜佳[14]設(shè)計(jì)了一種微波加熱與燃油添加劑相結(jié)合的復(fù)合再生系統(tǒng)，再生效率可達(dá)到95%以上。大眾TDI柴油機(jī)配置的顆粒物捕集器采用了連續(xù)再生+主動(dòng)再生的復(fù)合再生技術(shù)[15]。

4 結(jié) 語

本文介紹船舶柴油機(jī)排氣中顆粒物的組分及來源，對顆粒物排放控制技術(shù)、DPF再生技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理論述。目前，顆粒物排放控制技術(shù)中的前處理技術(shù)和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)趨于極限，后處理技術(shù)是滿足日益嚴(yán)格的法規(guī)要求的必要手段。后處理技術(shù)中，DPF技術(shù)是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最有效、應(yīng)用最廣泛的柴油機(jī)顆粒物排放控制技術(shù)。結(jié)合多種主/被動(dòng)再生技術(shù)的復(fù)合再生技術(shù)是DPF再生過程的發(fā)展方向。

我國在船舶柴油機(jī)顆粒物排放控制方面的研究起步較晚，與國外相比，技術(shù)進(jìn)展差距較大，目前尚無可實(shí)船應(yīng)用的成熟的顆粒物處理裝置，因此亟需對船機(jī)顆粒物排放控制的總體設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、主/被動(dòng)再生、控制策略、與船舶柴油機(jī)的匹配5個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，推動(dòng)實(shí)船應(yīng)用進(jìn)程，以應(yīng)對未來日趨嚴(yán)格的法規(guī)要求。

從長遠(yuǎn)來看，世界各國政策法規(guī)對船舶柴油機(jī)各類污染物排放的限制將日趨完善，因此，對船機(jī)排氣中多污染物協(xié)同處理的一體化技術(shù)將成為未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

目前，世界各國在船機(jī)排放一體化處理技術(shù)方面已經(jīng)開展了大量研究，美國先進(jìn)清潔技術(shù)公司通過綜合使用選擇性催化還原法（SCR）與濕法脫硫法，可將排氣中顆粒物，NOx和SOx分別脫除94.5%，99%，98.5%[16]。英國布魯內(nèi)爾大學(xué)等提出的DEECON后處理系統(tǒng)，顆粒物、NOx、SOx轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到95%，95%和90%[17]。

國外部分一體化研究成果已經(jīng)形成裝置并應(yīng)用于實(shí)艇上。如意大利Hug Engineering公司將DPF和SCR的集成裝置應(yīng)用在了瑞典Loodsweezen，德國White Rose等大量游艇及Victorir，Jacob-Hessel，Ortygia等多種內(nèi)河海洋運(yùn)輸船上，該集成裝置對排氣中顆粒物及NOx的轉(zhuǎn)化效率分別可達(dá)到97%和80%以上。

我國船機(jī)排放一體化處理裝置的研究尚處于起步階段，如何將其運(yùn)用于船舶領(lǐng)域，還有待探索與驗(yàn)證。