船舶柴油机排放和管理思考

船舶柴油机排放和管理思考

詹同宝 叶飞

南通象屿海洋装备有限责任公司

摘要：船舶的主机是柴油机使用时的主体，柴油机排放标准要结合航运状况而确定，近年来船舶柴油机技术应用与研究都要以减少柴油机有害气体排放为前提，这就需要在重视柴油机运行效率的同时，多关注柴油机对环境的影响，正确把握两者间关系，以促进船舶柴油机动力装置朝绿色化方向发展。

关键词：船舶柴油机；管理；循环利用

在低碳减排、节能环保理念下，船舶柴油机动力装置发展与环境间关系受到广泛关注，低污染、经济性已经成为船舶柴油机动力装置发展重要趋势。本文将具体分析柴油机在船舶动力装置中的重要性，探究船舶与柴油机运行环境存在的关系，基于这些内容提出几点减少废气排放的对策。

一、柴油机在船舶动力装置中的重要性

当前，船舶运行仍以柴油机为主机，且这种状况将维持更长的时间，这与柴油机的自身特点息息相关。船舶主柴油机有着非常高的热效率，可以达到55%左右，说明了作为船舶主机，柴油机燃料具备一定经济性。同时，作为船舶主机的柴油机，其可靠性也较高。虽然柴油机的制作工艺在不断进步，很多制造商通过不断改进柴油机，以提高其可靠性，并从中取得了显著成果。柴油机通过不断发展，相关配套设施也更为先进、齐全，技术及质量均大幅度提高，使得完备的现代化柴油机船舶动力装置形成，同时也形成了完整的船舶动力装置系统。

此外，现代科学技术的进步，尤其是信息技术的发展，智能化船舶动力装置系统已经问世，促使船舶柴油机动力装置智能化水平、现代化水平进一步增强，成为集多种高新设备为一体的现代化装置，极大提升了船舶的整体运营效率。并且，船舶公司机务管理人员经过多年工作积累，获得了更为宝贵、丰富的柴油机及其动力装置管理经验，这些都促使船舶动力装置整体水平不断提升。综上，现今及未来很长一段时间，柴油机都将一直作为船舶主推进原动机，在促进船舶动力装置发展中发挥不可替代的作用。

二、船舶柴油机与环境的关系

如今，柴油机的热效率仍居高不下，在增压压力的提高下，促使燃油喷射系统、增压系统不断升级完善，使得柴油机的热效率进一步提高，最终可达到55%左右。因为船舶柴油机有着较高热效率且具有一定经济性，产生的CO2量也会随之变少，也就是说使用较少的燃料，排放更少的废气。但是，因为柴油机热效率高主要体现在柴油机缸内燃烧温度较高，是指在高温下加入的热量，依据相关定理，高温下热量中的有用功比低温下热量有用功高，进而会提升柴油机循环热效率。由此，缸内较高燃烧温度下，会升高最大燃烧压力，在完全燃烧产物出现的同时，其他物质也会由此形成，其中很多是污染物。

柴油机在燃烧中会产生非常多有害污染物，包括二氧化碳（CO2）、氧化氮（NOX）、氧化硫（SOX）等等，均会对环境造成污染。而环境的污染程度与船舶活动频繁度有着直接关系。为此，所采取控制废气排放的相关措施，要针对具体的船舶柴油机排放物，从而做出更为具体、有效的限制排放的规定。

三、减少柴油机废气排放的措施

（一）将最高燃烧温度降低

降低最高燃烧温度是最为简单的控制废气排放的方法，也就是将最高温度的燃烧值降低，从而逐步降低柴油机热效率，这会帮助提升燃油能耗。为此，在燃烧过程中，可以将燃油喷射适当延迟，即逐步延迟发火点与燃烧，能够有效将最高温度降低，还能控制燃油机始终在可用标准内。比如，WARTSILA公司为将燃油可消耗性增强，向后移动了VASA32中速机喷油点，移动范围是5~6度，为使柴油机与IMO的规定状况相适应，借助了曲柄的转角活动来实现，在实际使用中，因为有着较高的燃油机喷油状况，为此，向后延迟度数不必过大，维持在3度左右便可。

通过这种方式，可使燃油消耗率变得可控，避免因上升而不稳，也可以同时采取其他方式与之配合。

（二）将压缩比例提高

当前，柴油机的循环逐步向定压循环方面转变，在这一趋势下，会大大提高压缩点的终点压力，从而控制定容燃烧压力升高，使燃烧在定压下进行。这种定压循环过程与柴油机最初采用的空气喷射定压循环存在较大差异，是属于一种高压循环。如今，船用柴油机采用长冲程、低转速较为普遍，使得高压比的采用日趋普遍化，即使提高20左右的压缩比，也不会超过燃烧室高度，进而不会对燃油喷射、燃烧过程等造成影响。

（三）废气循环利用

在循环利用废气的过程中，需要先处理柴油机排除尘土的空气系统，然后再通过废气的二次循环再利用，将氧化氮的排放量控制在标准内，在完成排放以后，利用10%的废气量进行二次循环，可使氧化氮的排放下降至30%时，降至该标准以后，在不影响燃油消耗的基础上，再采取适当方法处理。

废气再循环是通过燃烧过程热化学反应，对氧化氮的形成有效阻止，而不是简单的将废气中氧化氮二次送入到柴油机中，以将排放量减少。在柴油机废气中，氮气是最主要成分，同时还有较高含量的二氧化碳、水蒸气，并且均有着较大的比热都，可将燃烧温度有效降低，从而有效阻止二氧化氮的形成，并且因燃烧室不断增加废气量，含氧量开始逐步降低，阻止了氧气与氮气的充分接触，也可以在一定程度上防止生成氧化氮。

虽然废气循环利用具有更高的经济性，但是仍存在一些问题。首先，废气中含有非常多颗粒杂质，这些杂质不仅会对空气造成污染，还会不断磨损活塞组件，长期会降低组件使用寿命。为此，废气进入系统前，需要先过滤，清除杂质。此外，引入废气，会迅速升高进气温度，进气量减少下，升高了循环温度，会再次促使氧化氮的生成。为此，需要适当冷却进气温度。同时，因为燃烧速度减慢，燃烧时间变长，会增加废气中的杂质，进而使锅炉内壁残留非常多污垢，甚至会因含硫量增加，对锅炉内壁造成腐蚀。为此，要想使废气循环更为合理、高效进行，发挥循环利用的价值，使废气物真正减少，就要进一步完善、优化废气再循环系统，并构建出更为科学、完善的控制系统。

（四）废气的机后处理对策

机后处理废气，可以有效降低氧化氮的排放量，不仅能预防柴油机本身结构发生变化，还能避免对柴油机经济性产生影响。比如，“选择催化还原除氧化氮系统（SCR）”，该方法是向废气中加入适量的氨溶液，再通过催化还原器，使废气中氧化氮转化为氮气，进而将氧化氮中有害物质减少。氧气存在，催化还原反应才能奏效，而船舶柴油机中有较大的空气系数，使得废气中也会含有一定比例的氧气。如果有着过高的废气温度，会燃烧掉大量的氨，而温度如果较低，反应速度会进一步降低，并且会使大量的硫酸氨生成，并且在催化器中冷凝，对冷凝设备造成一定损害。

SCR方法中，喷入的氨量将直接决定除氧化氮效果，但如果氨加入量过多，难以与氧化氮反应的氨也会随之变多，且会随废气排出。为此，需要将氨的引入量控制好，从而获得更为显著的反应效果。最合理的方法是依据废气氧化氮含量要求，将所需含氨量计算出来，将计算出的氨量引入到废气中。

结束语

总之，船舶主机中，柴油机仍占据主导，采用机内与机后联合处理方法，虽然能够有效降低有害气体排放，且相应技术能够满足这一处理方法，但是柴油机的热效率会大幅度降低，影响经济性。为此，需要在今后不断探寻更为高效、经济的降低废气排放的方法，在将设备需求增加时，控制好造价。

参考文献：

[1]郭卫勇.船舶柴油机排放测试与控制措施[J].船舶物资与市场,2020(05):50-51.

[2]方平,陈雄波,唐子君,黄建航,曾文豪,吴海文,唐志雄,岑超平.船舶柴油机大气污染物排放特性及控制技术研究现状[J].化工进展,2017,36(03):1067-1076.

[3]李震,朱荣生,刘维亭,苗虹.基于模糊聚类综合评价的船舶柴油机排放烟色分析和实现[J].船舶工程,2014,36(03):107-111.

[4]王虎.船舶柴油机排放和控制技术介绍[J].内燃机与配件,2013(08):42-44.

[5]杨树森.船舶柴油机排放物控制措施及前景分析[J].江苏船舶,2003(04):19-21.