柴油品质对船用柴油机排放的影响研究Word格式文档下载.docx

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1.2.1国内-----------------------------------------------

1.2.2国外-----------------------------------------------

2船用柴油机排放法规---------------------------------------------

2.1MARPOL73/78附则Ⅵ及修正案---------------------------------

2.2各国地方性排放法规----------------------------------------

3船用燃油特性及标准---------------------------------------------

3.1燃油特性--------------------------------------------------

3.2船用燃油标准----------------------------------------------

3.2.1ISO船用燃油标准------------------------------------

3.2.2我国燃油标准---------------------------------------

4燃油品质对船用柴油机排放的影响研究-----------------------------

4.1试验方法--------------------------------------------------

4.2实验结果分析----------------------------------------------

5结论-----------------------------------------------------------

1引言

1.1选题的背景和意义

随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐加强，控制发动机有害气体排放的要求日益强烈，船舶柴油机有害排放对大气环境造成的污染已引起国际社会广泛的关注。

国际海事组织（IMO）的统计表明全球以柴油为动力的船舶每年向大气排放的NOx约为1000万吨，SOx约为850万吨，被污染的海洋大气可通过气候作用飘散到1000km以外的地区，对全球环境造成影响。

据统计，全球注册船舶中一半以上的船舶使用二冲程的柴油发动机，每吨柴油产生NOx0.087吨。

现在，船用柴油机所使用的多是低品质柴油，与车用柴油相比，无论在价格上还是品质上都有较明显差别。

从节能与降低运行成本的角度，必须使用低品质柴油。

为了保护环境，降低船用柴油机有害排放物是刻不容缓的任务。

因此，通过对船用柴油机排放的国际公约、国内外船用柴油机排放的研究现状、燃油品质对船舶柴油机排放的影响等进行研究，这些都是降低船用柴油机有害排放物的重要途径。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内

由于国内技术的有限，在船用柴油机排放这方面的人才欠缺，所以国内对船用柴油机的颗粒排放测试及燃油品质对船用柴油机排放的影响等方面的研究很少，个别研究也只是针对中小功率柴油机进行的。

如许建华等人对玉柴两个系列不同功率主辅机，分别使用欧-Ⅱ柴油和普通柴油进行排放测试，实验表明由于普通柴油中高硫含量，柴油机燃用普通柴油时颗粒排放比欧-Ⅱ柴油增加了28.9%-41.5%，并且柴油中硫含量对颗粒中硫酸盐排放有很大的促进作用。

魏海军等人对某单缸水冷高速柴油机在不同硫含量燃油下的NOx，残炭颗粒等排放的影响，试验表明燃油硫含量对柴油机燃烧状况有着一定程度的影响，从而影响了NOx和PM的排放。

孙莉等人研究了单缸四冲程YANMARNFl9SK柴油机在使用不同含硫量的船用柴油的情况下的颗粒排放，船用柴油是通过混入二硫化物DBDS来调整硫含量。

研究表明随着硫含量的增加，PM直径变小，但是质量浓度增加，同时CO排放浓度增加，NO排放浓度降低。

郑志刚等人则研究了柴油品质对4L22BZ型柴油机颗粒排放的影响。

研究表明柴油机中的硫含量，十六烷值等均对柴油机的颗粒排放有影响，硫含量越高，颗粒排放大幅上升。

宋振寰等人研究了某船用中速柴油机燃用三种不同燃油对NOx和PM排放的影响，研究发现燃油中重馏分越多、芳烃含量越多，NOx排放越小，但是颗粒排放增大。

1.2.2国外

由于国外对船用柴油机排放这方面研究技术的发达，以及研究设备的先进，使得国外关于船用柴油机排放颗粒测试方面的研究比较成熟，包括船用柴油机颗粒排放台架和实船测试研究，同时部分研究还对船用柴油机的颗粒粒径分布等进行了测试研究，并得出了相关具有指导借鉴意义的结论。

如国外A．Petzold等人在试验台架上对一系列的MANB&

W四冲程船用柴油机在燃用2.21％含硫量的重油的条件下，研究了其在不同负荷下排放的颗粒浓度、尺寸和化学成分。

并通过AVL472分流稀释系统进行排气稀释，然后对聚四氟乙烯滤纸过滤的颗粒进行重量分析。

研究表明船舶排放的微粒直径多小于300nm，并且粒子浓度呈双峰模型。

EmstRadloff等人对MVCabot集装箱船进行了实船排放测试。

在使用不同燃油（IFO和MDO）的情况下，按照IS08178E3循环，利用便携式的迷你型稀释系统和HoribaMEXA．720对带进气道喷水装置的12PC2.5V型主机分别进行颗粒PM和NOx排放测试。

研究表明PM排放量随着负荷的变化而明显变化（O.2-1.Og/kwh），并且主机使用IFO（1.3％S）的PM排放明显比使用MDO（O.394％S）时的高。

由于MARPOL附则Ⅵ并没有限制船用柴油机颗粒PM的排放，因此也没有相关的测试方法的介绍。

美国EPA将船用柴油机分为三类：

Categoryl、2和3。

Categoryl船用柴油机的测试方法是40CFRpart89。

Category2船用柴油机的测试方法是40CFRpart92。

考虑到大部分Category3柴油机使用的残余燃料油中，高含量的硫容易吸收水分，这样对PM测试结果会产生很大的影响，而40CFR1065测试规定中则考虑到这些方面。

美国政府已经在2007年10月举行的BLG空气污染工作组会议上提交了关于船用柴油机颗粒PM排放测试方法的提案。

国外关于燃油品质（如硫含量）对船用柴油机排放的影响研究比较成熟，并已形成相应经验公式。

如国外有研究表明燃油中大约有2％硫可直接转化成颗粒PM中的硫酸盐，剩下的硫转化成SOx。

有研究表明船用柴油机使用燃油的硫含量从2.4％降到0.8％，相应的颗粒PM排放从1.0g／kwh降低到O.5g／kwh。

日本Yasuharu等人研究了MTU323型中速船用柴油机在使用不同乳化燃油时的NOx和颗粒的排放特性。

研究表明柴油机使用燃油的硫含量从0.04％到2.82％，其颗粒物的比排放量最高可增加2倍以上。

MANB&

W公司的研究了船用燃油的含硫量对船用柴油机颗粒排放的影响。

研究表明柴油机使用高硫的重油（HFO）时颗粒PM的排放是使用低硫柴油时的好几倍。

同时汽缸油的消耗量对颗粒PM排放也有很大的影响。

关于硫含量对柴油机的颗粒排放影响水平，美国EPA在船用压燃式发动机的排放法规中还提出了符合本国燃油品质状况的经验公式，即船用发动机颗粒PM排放关于燃油硫含量的修正方程。

2船用柴油机排放法规

2.1MARPOL73/78附则Ⅵ及修正案

为了保护人类的居住环境和海洋的生态环境不再遭受破坏，各国和有关的国际专业组织对船用燃料油的国际法规和标准进行了修订，并通过了一系列的排放法规。

对船用柴油机排放物的限制来自两个方面：

一是国际海事组织（IMO,InternationalMaritimeOrganization）制定的船用柴油机排放规定；

二是船用柴油机又必须满足停泊港口或航行于沿海地区时地方性法规中有关规定，这类地方法规一般会严于IMO的规定。

国际海事组织（IMO）于1997年9月15日至26日在伦敦召开了MARPOL73/78缔约国大会，通过了MARPOL73/78公约的1997年议定书，并以附件形式新增MARPOL73/78附则Ⅵ——防止船舶造成大气污染规则，该规则于2005年5月19日生效。

2006年8月23日MARPOL73/78附则Ⅵ对我国生效。

MARPOL73/78附则Ⅵ在我国的实施涉及诸多方面，现仅就还是部门对国际航行船舶履行附则Ⅵ实施监督检查予以介绍。

大多数有毒气体可通过自然界进行自我净化，即通过海洋、河流的吸收，土壤、植被的微生物活动和光合作用等过程除去，但这种自净能力有一定的限度。

随着世界经济的不断发展。

航运业越来越发达，对于停泊在码头和航行在内河与公海的船舶，其柴油机排放废气中的NOx、SOx等污染物对大气的影响也越来越引起人们的关注。

针对SOx排放，附则Ⅵ对船用燃料硫含量做了上限规定：

即全球范围内船用燃料的硫含量不大于4.5％（m/m），并且在议定书生效以后，将监控世界范围内燃油的平均硫含量。

同时设立了SOx排放控制区域（SECA），在SOx排放控制区内，所用燃料的含硫量不得大于1.5％（m/m）。

船舶可使用经主管机关按IMO导则认可的废气净化系统或其它技术将船舶的废气中的SOx（以二氧化硫计）排放量减少到69/（kw．h）以内。

至今，SECA区域包括波罗的海，北海和英吉利海峡。

为了进一步控制和减少船舶柴油机有害污染物的排放，国际海事组织IMO于2007年4月在伦敦召开了BLG第11次会议，随后于2008年2月4-8日召开BLG第12次会议。

会议上对MARPOL公约关于减少船舶对大气污染规则的修正草案进行审议。

2008年3月31日在伦敦召开的国际海事组织MEPC第57次会议于4月4日闭幕，会议正式通过了MARPOL73/78公约附则Ⅵ的修正案.

MEPC57会议批准了氮氧化物技术规则修订案，并将在2008年出台修订的氮氧化物技术规则。

新的技术规则包括新的第7章，对2000年前发动机氮氧化物排放进行了规定。

新的技术规则包括对现有发动机的直接测量和进行监测的方法以及发证程序，以及对适用等级Ⅱ和等级Ⅲ的发动机的测试程序。

同时对NOx排放测试结果的计算方法以及测试要求等进行了修正。

2.2各国地方性排放法规

欧盟液体燃料硫含量标准草稿修正案是在欧盟议会对标准进行第二次解释之前，由欧盟委员会于2004年7月达成的政治协议。

欧盟要求其成员国确保从2006年5月19日起。

全部使用硫含量不超过1.5％的船用燃料油（MDO）。

在SO，排放控制区（SECA）内，如波罗的海、北海和英吉利海峡，则从2006年5月19日开始，必须使用硫因含量不超过1．5％的船用燃料油。

这是为在过去的30多年里，波罗的海、北海和英吉利海峡相连的3个水域虽然有北大西洋暖流的稀释，但由于运输繁忙，尤其是北海油田的开发。

使之成为污染重灾区，目前不得不采取严格措施。

这也为其他类似海域树立了榜样。

对于往来欧共体任何港口的客船（不论悬挂何种船旗），在欧盟成员国海域（专属经济区和污染控制区除外）内，也必须使用硫含量不超过1.5％的船用燃料油。

为此，采取了如下一些措施：

一是进入欧共体港口的船舶，要提供一份完整的包括换油操作的航海日志记录；

二是所有在欧盟成员国领土内销售的船用燃料油，硫含量必须不超过1.5％。

油品供应商同时要提供一份密封的油样；

三是欧盟成员国应采取必要措施检查燃料硫含量，如核查航海日志记录、在船上的适当位置取样并密封、随时抽查化验燃料的硫含量等；

四是欧盟成员国在规定的条件下。

应允许在本国领海水域航行的（包括其他国家的）船舶进行有关消除排放物的技术试验或使用业已被认可的排放物消除技术。

欧盟液体燃料硫含量标准还规定，白2010年起，欧共体内水域船用燃料油硫含量将进一步降低到不超过0.1％。

此项规定适用于欧共体成员国水域内码头靠泊和内陆水域航行的船舶，但不适用于在码头靠泊少于2h的船舶。

以及具有国际海上人身安全公约证书的航行于内陆的船舶。

出于保护希腊旅游业的特殊考虑，在2012年之前，航行于希腊领土水域的特定船舶，其所用燃料油也不受该标准的限制。

美国政府直到2008年10月才正式批准认可MARPOL公约附则Ⅵ，但之前美国国内已制定了比MARPOL公约附则Ⅵ还要严格的船用柴油机排放法规。

为了制定船用发动机排放法规，美国EPA将船用发动机按照气缸排量分为三个种类（Categoryl、2、3）。

每个种类代表了一个不同的发动机技术。

同时种类1和2（Categoryl／2）按照排量和功率又细分为子种类。

附则VI第14条规定．对全球范围内船用燃料油的硫含量允许最大值为4.5％。

但有2点说明：

一是MARPOL73/78防污公约只有在得到不少于15个国家的批准，并且其商船吨位不少于全球商船吨位的50％时。

自符合上述条件之日起的12个月后，附则VI自动生效。

截至2004年5月18日。

已有西班牙、德国、巴拿马、希腊、瑞典、新加坡、马绍尔群岛、利比里亚、挪威、巴哈马群岛、丹麦、孟加拉、瓦努阿图和萨摩亚群岛等15个国家先后批准了该公约。

其商船合计吨位占到了全球商船吨位的54．57％。

因此．MARPOL73/78防污公约附则VI的生效日期为2005年5月19日；

二是设立波罗的海、北海和英吉利海峡为特别保护区（SECA）。

保护区内必须使用硫含量不超过1．5％的船用燃料油。

其中：

波罗的海：

自附则Vl生效起到强制执行硫含量低于1.5％前，波罗的海保护区有12个月的时间来适应新规定，就是说至2006年5月19日后，进入该海域的船只必须使用硫含量不超过1.5％的船用燃料油；

北海和英吉利海峡：

强制执行进入该海域的船只必须使用硫含量不超过1．5％的船用燃料油的时间推迟到2007年底。

3船用燃油特性及标准

随着地球能源危机的加剧,船用燃料油的来源发生了根本性的改变。

船用燃料油原来是从原油直接蒸馏而来,而今已是各种不同的蒸馏和裂解后的产品的混合物,其品质也呈下降趋势,变得越来越差。

众所周知,柴油机如果使用质量不好的燃油,就会导致管路和滤器堵塞、燃烧不良、腐蚀磨损加剧等一系列间题,势必危及船舶的航行安全。

而且柴油是压燃式发动机的主要燃料。

根据柴油机转速的不同，应使用不同类型的柴油。

转速为1000r/min以上的高速柴油机以轻柴油为主，转速500～1000r/min的中速柴油机以及转速低于500r/rain的低速柴油机则使用重柴油和燃料油。

同时由于燃料的物理和化学特性均会影响到柴油机的燃烧过程，因此不同类型的燃料适用于不同转速或类型的柴油机。

下面将主要介绍船用燃油特性以及国内外相关规格标准。

3.1燃油特性

大部分石油产品均可用作燃料，但燃料油在不同的地区却有不同的解释。

欧洲对燃料油的概念一般是指原油经蒸馏而留下的黑色粘稠残余物，或它与较轻组分的掺和物，主要用作蒸汽炉及各种加热炉的燃料或作为大型慢速柴油燃料及作为各种工业燃料。

但在美国则指任何闪点不低于37.8℃的可燃烧的液态或可液化的石油产品，它既可以是残渣燃料油也可是馏分燃料油。

馏分燃料油不仅可直接由蒸馏原油得到（即直馏馏分），也可由其它加工过程如裂化等再经蒸馏得到。

燃料油的性质主要取决于原油本性以及加工方式，而决定燃料油品质的主要规格指标包括粘度（Viscosity），硫含量（SulfurContent）,倾点（PourPoint）等供发电厂等使用的燃料油还对钒（Vanadium）、钠（Sodium）含量作有规定。

1）密度

密度是指在规定温度下，单位体积内所含物质的质量数，以g/cm3或g/mL表示。

燃油的密度是随其组成中的含碳、氧、硫量的增加而增加的，因而含芳烃多的含胶质和沥青质多的密度最大，而含环烷烃多的居中，含烷烃多的最小。

柴油密度对柴油机的油耗和动力性影响很大。

柴油密度会影响喷入缸内油束的喷雾锥角和贯穿距离，从而影响缸内混合气的形成，进而影响柴油机的燃烧过程和污染物的生成。

2）粘度

粘度是燃料油最重要的性能指标，是划分燃料油等级的主要依据。

它是对流动性阻抗能力的度量，它的大小表示燃料油的易流性、易泵送性和易雾化性能的好坏。

对于高粘度的燃料油，一般需经预热，使粘度降至一定水平，然后进入燃烧器以使在喷嘴处易于喷散雾化。

粘度的测定方法，表示方法很多。

在英国常用雷氏粘度（RedwoodViscosity），美国惯用赛氏粘度（SayboltViscosity），欧洲大陆则往往使用恩氏粘度（EnglerViscosity），但各国正逐步更广泛地采用运动粘度（KinemeticViscosity），因其测定的准确度较上述诸法均高，且样品用量少，测定迅速。

各种粘度间的换算通常可通过已预先制好的转换表查得近似值。

目前国内较常用的是40℃运动粘度（馏分型燃料油）和100℃运动粘度（残渣型燃料油）。

我国过去的燃料油行业标准用恩氏粘度（80℃、100℃）作为质量控制指标，用80℃运动粘度来划分牌号。

油品运动粘度是油品的动力粘度和密度的比值。

运动粘度的单位是Stokes,即斯托克斯，简称斯。

当流体的动力粘度为1泊，密度为1g/cm3时的运动粘度为1斯托克斯。

CST是Centistokes的缩写，意思是厘斯，即1斯托克斯的百分之一。

3）硫含量

硫含量是指存在于油品中的硫及其衍生物的含量，以质量百分数％或ppm表示。

由于硫含量对油品储存安定性和使用性能及其设备腐蚀等影响很大，同它时对柴油机气缸套的腐蚀磨损也有很大的危害，因而含硫量是油品的重要控制指标之一。

含硫燃料在柴油机缸内燃烧的高温高压条件下，硫在缸内氧化生成二氧化硫、三氧化硫，遇凝结水生成腐蚀性很强的硫酸，对汽缸套、活塞环等有很大的腐蚀作用，因此降低燃油中的硫含量，可以直接减少柴油机机件的磨损腐蚀，降低柴油机有害排放。

因此在世界范围内，降低燃油硫含量的趋势十分的明显。

4）残炭量

油燃烧后残留下的未能燃烧的炭素。

燃油的残炭值通常以重量百分比计量，它可以间接说明油在使用中的结焦、积碳的趋向。

5）杂质（灰分）

灰分指油品在规定条件下经高温煅烧后，所剩留下的固体物质，以重量百分数表示。

灰分包括机械杂质、无机或有机金属盐。

灰分相当于磨料，它能增加气缸套，活塞环等的磨损。

同时灰分会影响柴油机的黑烟排放。

柴油机的喷射系统极为精细,对于燃料油中任何有磨损作用的物质相当敏感。

某些固体的物质会造成燃油滤器或喷油嘴的阻塞,会在燃烧后沉积于燃烧室中,引起磨损。

此外杂质（灰分）还会造成燃烧后在涡轮中的沉积和腐蚀。

燃料油中杂质（灰分）的来源为油中的有机金属化合物、水溶性金属化合物和外来的泥土等,可沉积在储油舱内,也可吸附在滤网和燃烧器的零件上,从而阻塞油的流通。

燃料油中存在相当数量的沥青,如果析出会阻塞燃油滤网或沉积在油柜底部。

沥青在燃料油中有个溶解度或平衡点,往往由于燃料油中不同的碳氢化合物结构（直链、环链和苯环链等）而改变,并被析出。

因此船上要特别注意装油时不要混舱,尽量缩短燃油在油舱中的储存时间,避免沥青析出和燃油分层。

6）闪点

闪点是油品安全性的指标。

油品在特定的标准条件下加热至某一温度，令由其表面逸出的蒸气刚够与周围的空气形成一可燃性混合物，当以一标准测试火源与该混合物接触时即会引致瞬时的闪火，此时油品的温度即定义为其闪点。

其特点是火焰一闪即灭，达到闪点温度的油品尚未能提供足够的可燃蒸气以维持持续的燃烧，仅当其再行受热而达到另一更高的温度时，一旦与火源相遇方构成持续燃烧，此时的温度称燃点或着火点（FirePoint或IgnitionPoint）。

虽然如此，但闪点已足以表征一油品着火燃烧的危险程度，习惯上也正是根据闪点对危险品进行分级。

显然闪点愈低愈危险，愈高愈安全。

另外燃油特性还有水分、催化剂粒子等。

由于燃油在船舶运输中的地位无法替代,所以船公司要想获得高质量的燃油必须选择高质量的供油商,也许这是保证燃油品质的最为关键的一个环节。

3.2船用燃油标准

3.2.1ISO船用燃油标准

国际标准化组织（ISO）对其船用燃料油标准ISO/DIS8217—1996进行了修订。

修订后的标准已于2005年6月生效。

新的标准编号为ISO／DIS8217—2005，修订的主要内容是降低硫含量，以减少船舶发动机排气中的SOx，对大气的污染。

过去