本科毕业设计燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策概论.docx
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本科毕业设计燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策概论
本科毕业设计（论文）
燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策
EffectandCountermeasuresofBurningHeavyFuelOilonEmissionsofMarineDieselEngine
学院海运学院
专业轮机工程
班级09轮机
学号096090092
姓名秦磊
指导教师王炳辉
完成日期2013年3月21日
诚信承诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《燃用重油对船舶柴油机排放的影响及对策》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：
年月日
摘要
摘要：
21世纪以来，我国船舶数量不断增多，燃用重油的柴油机对环境的影响越来越大。
为了保护我们的生态环境，研究怎样降低燃用重油的船舶柴油机的排放，越来越受关注。
本文分析了船用柴油机燃用重油对排放的影响，并且深入探讨了有害物质的形成机理。
对国内外的减排方法进行分析，取其优点避其负面影响，最后提出了一套有效的方案进行减排：
海水水洗排气与排气再循环结合。
这一方案能有效的减少NOX、SOX、COX、PM的排放。
关键词：
燃用重油；船用柴油机；排放；减排.
EffectandCountermeasuresofBurningHeavyFuelOilonEmissionsofMarineDieselEngine
Abstract
Abstract:
Sincetwenty-firstCentury,thenumberofChina'sshipbuildinggrowing,DieselEngineFueledwithheavyimpactontheenvironmentmoreandmore,Inordertoprotectourecologicalenvironment,tostudyhowtoreducetheshipdieselenginefueledwithheavyoildischarge,moreandmoreattention.Theeffectofheavyfueloilonexhaustemissionsfrommarinedieselenginewasanalysis,andprobeintohazardousmaterialgeneratemechanisms.Analysisemissionreductiontechniqueofathomeandabroad,taketheadvantageandavoidshortcoming,final,Putforwardatechnique:
exhaustwaterscrubbinguseseawaterandexhaustcircle.itcaneffectivedecreaseemissionsofNOX、SOX、CO2、PM,advantageisseawatereasytogainandadministrateeasiness.
KeyWords:
BurningHeavyFuelOil;MarineDieselEngine;exhaustemissions;reductionexhaustemissions.
摘要2
目录4
1前言6
1.1研究背景及意义6
1.2国内外研究现状6
1.3本文主要研究内容7
1.4燃油概述7
1.4.1船用燃油种类7
1.4.2各种燃油的优缺点8
1.5MARPOL73/78公约附则Ⅵ8
1.6本章小结9
2重油的理化特性及对燃烧排放的影响10
2.1.重油的粘度和密度对排放的影响10
2.2.重油中的硫对排放的影响11
2.3.重油中残炭、催化粒子和机械杂质对排放的影响12
2.4.重油中钒、钠、铝、硅对排放的影响13
2.5本章小结13
3燃用重油的排放物及形成机理14
3.1燃用重油主要的燃烧产物14
3.2燃用重油排放的氮氧化物（NOX）及形成机理14
3.2.1热力型NOX的生成机理。
14
3.2.2快速性NOX的生成机理。
16
3.2.3燃料型NOX的生成机理17
3.3燃用重油排放的硫氧化物（SOX）及形成机理19
3.4燃用重油排放的碳氧化物（COX）及形成机理20
3.5燃用重油排放的碳氢化合物（HC）、微粒（PM）及形成机理20
3.6本章小结20
4燃用重油的减排措施21
4.1燃用乳化油21
4.2喷水控制21
4.3排气再循环（EGR）22
4.4尾气催化还原（SCR）22
4.5低温等离子技术23
4.6海水脱硫23
4.7本章小结23
5解决方案及总结和展望25
5.1排气水洗和洗气再循环的结合25
5.2总结与展望27
1前言
1.1研究背景及意义
我国船舶数量不断增多，燃用重油的柴油机对环境的影响越来越大。
重油价格低廉，它可以为船东节约成本，在远洋船舶上更多的是使用重油。
但是现在的船舶数量多，燃用重油是否会加重环境污染，这个问题不能忽视，应该受到高度关注。
燃用重油的船用柴油机排放的污染物有氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、碳氧化物（COX）、碳氢化合物（HC）和微粒（PM）等。
最受关注的就是NOX，因为它对环境的危害最大，排气中的NOX大部分是NO，小部分是NO2，NO性质很不稳定，在空气中易氧化成二氧化氮（2NO+O2→2NO2）。
一氧化氮比一氧化碳还容易结合血红蛋白，更容易危害人体。
二氧化氮与水结合生成硝酸，硝酸会有腐蚀性，它还可能会产生光化学烟雾。
SOX是燃油中的硫和硫化物燃烧后产生的，其中SO2和SO3会腐蚀环境。
COX包括CO和CO2，其中CO为无色、无味的有毒气体，柴油机排放中CO越多，说明燃烧越不充分，不仅浪费燃料，降低柴油机功率，还造成环境污染，而CO2没有直接危害，但它会使全球变暖。
HC包含没有燃烧和没有完全燃烧的燃油、滑油，它会对人体神经造成伤害，并且会降低人体免疫力。
在所有的污染物中，氮氧化物和硫氧化物对环境的危害最大和最为直接。
为了减少柴油机排气对环境的污染，在97年国际海事组织新增加了附则VI《防止船舶造成空气污染规则》。
同时一些发达国家，向美国、欧洲也有制定了自己船舶排放法规，对船用柴油机排放有更严格要求。
我国是国际海事组织的成员国，对于MARPOL公约附则的规定我们要严格执行，不要疏漏。
对于远洋船舶来说，大多数都是烧重油的，重油相对于轻柴油来说它的粘度要高、密度更大、成分非常复杂、发火性能更差，这些特点都直接影响了燃油在缸内的雾化质量、燃烧及其排放性能。
在我国船舶总量继续增加的情况下，为减轻船用柴油机排放对环境的污染，研究如何对燃用重油的船用柴油机进行减排是个大问题。
1.2国内外研究现状
国内在燃用重油的柴油机对排放的影响方面很少有研究，但是在船用柴油机燃用乳化重油方面，国内做了不少的研究。
大连理工大学，对船用柴油机进行燃用重油和燃用乳化油对比实验，结果表明，燃用乳化重油时的柴油机燃油消耗率降低了4%，氮氧化物排放量降低了20%，烟度也减少17%。
孙平对燃用乳化油的柴油机进行氮氧化物和微粒排放研究，发现在燃用乳化油时，NOX排放明显下降，耗油率和排温均有下降。
龚景松在船用柴油机上进行了实验研究，发现燃用乳化重油时的燃油消耗率和燃烧纯净柴油时并无差异，并且氮氧化物和黑烟排放量明显降低，但是一氧化碳排放量有一点增加。
KazuyukiMaeda进行了燃用重油排放研究，实验结果表明，燃用重油时有较高的烟度，并且对氮氧化物排放的影响比较复杂。
A·Sarvi研究了燃油的种类对柴油机排放的影响，结果显示燃用轻柴油相对重油来讲废气和颗粒物排放都会较少。
TateoNagai对柴油机排放NOX情况进行研究，实验结果表明，可以通过适当增加压缩比和增大增压压力或者是推迟喷油可以减少NOX的排放。
1.3本文主要研究内容
本文了分析现在的排放法律、法规、排放控制技术和重油理化特性对船用柴油排放的影响，综合几种处理措施，提出一套经济、有效的处理办法。
有以下几个方面：
（1）通过调查研究，了解目前船用柴油机排放的状况，介绍MARPOL73/78公约附则VI及修正案；
（2）重油的理化特性是决定柴油机燃烧和排放性能的最重要因素，本文将会分析重油的各种理化特性对船用柴油机排放所带来的负面影响；
（3）针对船用柴油机排放状况和有害物质种类，对排放物及形成机理进行探讨；
（4）目前的减排措施有很多，本文对几个常见减排措施进行简要分析；
（5）综合现有的技术成果，提出一种综合方案，对排气中的几种主要有害物质：
硫氧化物、氮氧化物和微粒进行综合处理。
1.4燃油概述
1.4.1船用燃油种类
船用燃料油是由渣油与轻柴油按一定比例进行调和起来的混合油，但是其馏分更重，粘度更大，一般粘度为280-600
/s，所以被称为低质燃料油或者是劣质燃料油。
将常用轻柴油和重油规格列于下表，进行对比。
表1-1中国船舶燃料公司燃油规格[1]
油名
项目
船用燃料油M.F.O
船用柴油
M.D.O
重柴油
H.D.O
轻柴油
M.G.O
运动粘度
/s（50℃）
60
120
180
10
（40℃）
20.5
3～8
（20℃）
雷氏粘度s（100°F）
400
1000
1500
40
60
—
闪点℃不低于
70
80
80
65
65
65
灰分%不大于
0.05
0.1
0.1
0.025
0.06
0.025
硫分%不大于
1.0
2.5
3.0
0.3
0.5
0.2
水分%不大于
0.5
0.5
0.8
0.3
1.0
—
凝点℃不高于
22
24
26
8
20
0
残炭%不大于
6
8
10
0.2
0.5
—
机械杂质%不大于
0.2
0.2
0.2
0.05
0.1
无
1.4.2各种燃油的优缺点
截止到2012年12月，0#柴油的国内市场平均价格为8300元/吨，而180#重油的平均价格约为4100元/吨，可见，轻柴油的价格比180#重油的价格大约高出了98%。
在这种目前的情况下，船东应该会去选择使用价格低廉的重质燃油作为燃料，或者选用调和油，以提高公司的经济效益。
重油缺点：
重油的粘度很高，将会致使燃油喷射和雾化困难，燃烧严重滞后，并且重油存在不完全燃烧和部分重油完全不会燃烧，将会产生未燃烧碳氢、碳烟和颗粒物等，会加剧发动机磨损，使废气排放中有害成分增加。
同时，由于燃用重油的柴油机需要改进柴油机的结构，并且燃用前还需进行预处理，废气也要经过处理才能排放，这样就给柴油机的管理增添了负担。
1.5MARPOL73/78公约附则Ⅵ
下面介绍MARPOL73/78公约附则VI及其修正案。
1.NOx排放量的规定
柴油机NOX排放量要在下列限值以内：
排放量
转数n
17.0g/kWh
n＜130r/min
40.0×
g/kWh
130r/min≤n＜2000r/min
9.8g/kWh
n≥2000r/min
2.对硫氧化物的控制应该到以下两种情况之一[8]：
（1）船上使用的任何燃料油的硫含量不应该超过以下限制：
含硫量
时间
4.50％m/m
2012年1月1日之前
3.50％m/m
2012年1月1日之后
0.50％m/m
2020年1月1日之后
然而，当船上在控制区操作时，船上使用的含硫的燃料油，不应超过以下的限制：
含硫量
时间
1.50％m/m
2010年1月1日之前
1.00％m/m
2010年1月1日之后
0.10％m/m
2015年1月1日之后
1.6本章小结
本章介绍了在目前经济发展，船舶数量不断增加的形式下，为满足国际防污染公约的要求，减少主要有害物质的排放刻不容缓。
国内外有不少减排的研究，其中有很多燃用乳化重油的研究，燃用乳化油有利减少氮氧化物的排放。
其他研究也取得了不同的成果。
介绍了本文主要是了解目前研究现状，重油特性，防污染公约，减排控制技术，最后提出一个合理的方案。
也介绍了什么是重油，以及重油分类，轻、重油的优缺点。
MARPOL73/78公约附则Ⅵ对氮氧化物、硫氧化物排放的要求。
2重油的理化特性及对燃烧排放的影响
重油的粘度高，灰分多、含硫分大、残炭值高、机械杂质多、水分重，这是重油和轻油最大的区别。
重油的物理特性（密度、粘度、蒸馏特性等）和化学特性（十六烷值、硫含量等等），会影响船用柴油机燃烧，对排放的影响也很大。
2.1.重油的粘度和密度对排放的影响
徐万毅在《油品对船用高速柴油机排放的影响》的论文做过实验，选用常用的两种不同品质的燃油，探究不同燃油硫含量、粘度对船用柴油机排放的影响[6]。
燃油特性见表2-1
表2-1燃油特性
燃油
十六烷值
密度（kg·L-1）
运动粘度（m2·s-1）
含硫量%
闪点℃
普通柴油
52
0.817
4.35
0.308
65
欧Ⅱ柴油
52
0.818
3.44
0.046
68
表2 YC6M180C柴油机技术参数[6]
名称
数值
额定转数（r·min-1）
1500
额定功率（KW）
132
缸径（mm）
120
行程（mm）
145
压缩比
17.5:
1.0
如图2-1和2-2所示，柴油机燃用欧Ⅱ柴油时的各种工况下的NOX浓度均比燃用普通柴油时小，使得NOX比排放也降低了9.6%，同时比油耗（见图2-3）也有所下降。
图
22-1各种工况的NOX排放体积浓度图2-2不同燃油NOX排放
图2-3比油耗对比
NOX的排量减少主要是因为欧Ⅱ油粘度较普通柴油小，燃油雾化质量更好，更容易形成良好的混合气，缩短了滞燃期，燃油消耗量降低了，最高的爆发压力有所降低，NOX排放量降低了。
同时燃油中随着硫含量的降低，着火延迟增长，最大爆发压力升高，NOX排放升高，但是后燃减少，排气温度下降，燃油消耗量下降[2]。
综合前后两个因素，由于前者占据了主要位置，所以的总排放量降低，燃油消耗量也减少。
密度是评价燃油品质重要的指标，它与其他指标有着密切的关系[6]。
重油密度大，其流动性很差，燃油的雾化质量差，后燃加重，排气中CO和微粒增加。
重油的密度大，说明油中含有更多的渣油，渣油中的胶质、沥青多。
胶质和沥青质不易燃烧，以微粒的形式排入大气，污染环境[7]。
应对措施，增大燃油沉淀罐的容量，油柜增设加热器，确保燃油加热器、粘度自动调节器的正常工作；适当的增大供油提前角。
2.2.重油中的硫对排放的影响
硫在燃烧过程中不仅会生成硫氧化物污染环境，而且硫含量还会影响NOX、CO、HC的排放。
从图2-4可以看出燃用欧Ⅱ油的柴油机在低负荷工况下的CO排放量较普通柴油低，特别是在25%和10%负荷的工况下，CO排放减少的幅度较大，高中负荷工况下基本维持不变或是少有增加。
综合评价，CO比排放值还是呈降低趋势，如图2-5[6]。
图2-4各工况的CO排放浓度图2-5不同燃油的CO排放
由于混合气的形成过程对HC排放会有一定的影响，从图3-6可以看出HC排放降低趋势和CO排放相近，但是在低负荷区降低的幅度不大。
图2-6各工况的HC排放体积浓度图2-7不同燃油的HC排放
降低燃油中的硫含量会使PM的排放量降低。
柴油机燃用欧Ⅱ油的PM排放量比燃用普通柴油降低了22.5%，主要是由于前一者的硫含量低，见图2-8。
图2-8不同燃油的PM排放图2-9不同燃油的烟度排放
船用高速柴油机燃用低硫的柴油的排放与燃用普通柴油相比：
由于粘度小了，NOX排放降低了9.6%；由于含硫量小了，颗粒排放降低了22.5%，HC、CO排放和比油耗均有所降低。
重油粘度大、含硫量大，其排放的NOX、颗粒、SOX就比柴油大很多。
2.3.重油中残炭、催化粒子和机械杂质对排放的影响
机械杂质主要是指一些不溶于油的沉淀物或是悬浮物质。
燃油中的机械杂质主要是加工和运输途中混入的，因此，燃油经历的环节越多，杂质的含量就会越大。
高残炭值的重油，催化粒子和机械杂质会使燃烧过程中形成炭渣增加，排放微粒增加。
应对措施，提高压缩比和喷油器的喷射压力，以改善燃烧质量。
通过预处理，减少机械杂质。
2.4.重油中钒、钠、铝、硅对排放的影响
钒、钠能溶于原油，很难除尽，在经过各种炼制工艺后，多数残留在重质成分和渣油中。
钒、钠是除硫外，危害高温零件的两种主要活性金属。
影响：
在高温、高压下环境下钒、钠氧化成多种氧化物，这些氧化物会加剧柴油机零件的腐蚀和磨损。
钒、钠在燃烧过程中生成的V2O3、V2O4、V2O5、Na2O对排气门、排气门座及涡轮增压器叶片有着强烈的腐蚀作用[7]。
钒、钠生成的碱性氧化物与排气中的SOX、CO2酸性气体反应生成硫酸盐和碳酸盐。
可以减少排气中的有害酸性气体的排放。
钒、钠对排气无负面影响，但考虑到腐蚀，需要控制其在燃油中的含量。
硅和铝在重油里面，会影响雾化质量，影响燃烧，造成颗粒排放增加。
钠、钒含量高的应对措施：
增大沉淀罐和日用油罐的容量，增置加热器，提高沉积效果。
2.5本章小结
根据重油的理化特性，在燃用重油时必然要采取适当的处理措施来使它能够在柴油机内正常燃烧，对柴油机造成尽可能少的磨损和腐蚀，并减少有害物质的排放。
本章分析重油的理化特性对柴油机排放的影响与应对措施，对柴油机的日常管理和提出合理的减排方案很是重要。
3燃用重油的排放物及形成机理
3.1燃用重油主要的燃烧产物
船舶柴油机燃用重油，由于重油成分非常复杂，燃烧后会产生不少有害的物质，为满足排放法规MARPOL73/78公约的要求，需要对这些有害物质的排量进行控制。
这些危害环境的排放产物主要有，NOX、SOX、COX、HC、PM。
本章主要介绍具体的各类有害物质，并对NOX、SOX其形成机理进行分析。
3.2燃用重油排放的氮氧化物（NOX）及形成机理
氮氧化物主要有：
NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等，但在燃烧过程中生成的有害氮氧化物，几乎全是NO和NO2。
重油燃烧过程中，NO占90%，其余全为NO2。
燃料燃烧过程中产生的NOX，按其形成可分三类：
热力型NOX（ThermalNOX），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOX。
快速型NOX（PromptNOX），它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOX。
燃料型NOX（FuelNOX），它是燃料中的氮化合物在燃烧过程中，先热分解而又接着氧化而生成的NOX。
重油中含氮量很低，其氮氧化物排放中氮元素主要来自空气，所以柴油机排放物中的氮氧化物大多属于热力氮氧化物。
3.2.1热力型NOX的生成机理。
空气中的氮气和氧气在高温条件下反应生成一氧化氮，可用下面式子表示：
N2+O2→2NO
氮气氧化是个很复杂的过程。
热力型NOX是燃烧时空气中的氮（N2）和氧（O2）在高温下生成的NO和NO2。
O2十M←→2O十M
O十N2←→NO十N
N十O2←→NO十O
因此，高温下生成NO和NOX的总反应式子为
N2十O2←→2NO
NO十1/2O2←→NO2
Zeldovich捷里多维奇机理[8]
表3-1N2和O2生成NO的平衡常数Kp
N2+O2
2NO
T（K）
KP
300
10-30
1000
7.5×10-9
1200
2.8×10-7
1500
1.1×10-5
2000
4.1×10-4
2500
3.5×10-3
当温度低于l000K时，NO的量很小。
表3-2温度和N2／O2（ppm）初始比对NO平衡浓度的影响
T（K）
4N2/O2（ppm）
40N2/O2（ppm）
1200
210
80
1500
1300
500
1800
4400
1650
2000
8000
2950
2200
13100
4800
2400
19800
7000
40N2／O2（ppm）是N2和O2之比为40:
1的情况，这大致相当于过量空气系数为1.1时的烟气
表3-3NO氧化成NO2反应的平衡常数K
NO+1/2O2
NO2
T（K）
KP
300
105
500
1.2×102
1000
1.1×10-1
1500
1.1×10-2
2000
3.5×10-3
由表可以看出随温度的升高KP减小，因此低温条件下有利于NO氧化生成NO2。
当温度升高超过1000℃时，NO2大量分解为NO，这时NO2的生成量比NO低得多。
表3-4在不同温度下NO和NO2的平衡浓度计算值
T（K）
NO（ppm）
NO2（ppm）
300
1.1×10-10
3.3×10-5
800
0.77
0.11
1400
250
0.87
1873
2000
1.8
注：
初始烟气组成为O2：
3.3%,N2：
76%.
当燃烧温度大于1200℃时，NO大量生成。
并且NO转化成NO2很困难。
NOX生成的量与温度有很大的关系。
图1是油燃烧时NO的生成浓度与温度之间的关系。
由图可见，NOX的生成浓度由温度决定。
显然，对于热力型氮氧化物来说，最大的特点就是，其氮氧化物生成量与温度之间存在很大联系，当反应温度到达某一临界值之后，热力型氮氧化物随温度的上升会大量生成。
图3-1热力型氮氧化物生成浓度与温度的关系
影响氮氧化物生成有三方面的因素：
高温、氧气、时间。
只有当三个条件同时满足时，氮氧化物排放会明显增加。
研究表明，环境的峰值温度每上升100℃，氮氧化物的生成量增加到3倍。
因此控制NOX量就是控制气缸燃烧时的峰值温度。
3.2.2快速性NOX的生成机理。
燃料燃烧时产生CH原子团撞击N2分子而生成CN类化合物，然后再被氧化成NOX。
在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分解出大量的CH，CH2，CH3和C2等离子团，它们与空气中N2分子反应生成HCN，CN等：
CH十N2＝HCN十N
HC2十N2＝HCN十NH
C2十N2＝2CH
HCN十OH＝CN十H2O
CN十O2＝CO十NO
CN十O＝CO十N
NH十OH＝N十H2O
NH十O＝NO十H
N十OH＝NO十H
N十O2＝NO十O
Miller等在1989年指出，“快速”NO的形成与以下三个因素有关
1、CH原子团的浓度与其形成的过程
2、N2分子反应生的速率
3、氮化物间相互转化率
他们发现：
CH+N2HCN+N是控制NO、氰（HCN和其他的氮化物生成速率的重要反应。
“快速”NO形成的途径如下：
在燃烧温度低于2000K时，NO的形成主要通过CH-N2反应，就是“快速”NO途径。
当温度升高，“热力”NO比重增加，温度
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