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摘 要:本文综述船用柴油机尾气中NOX的危害、生成机理和影响因素，通过综合对比，论述了利用选择催化还原技术降低NOX排放的可行性，简述了该技术的原理和优缺点。最后，本文立足市场需求，简述了该技术的应用方向。
关键词：海事船舶；柴油机；氮氧化物；机外净化
1 氮氧化物的危害与排放标准
1.1 船舶柴油机氮氧化物的危害
船舶柴油机排放废气NOX包含NO、N204、N02等，能造成酸雨，严重破坏环境。NO2有剧毒，与血红蛋白反应，降低血液输氧能力，对心肝肺有毒害作用。高浓度的NOX能伤害中枢神经系统。据IMO统计表明，全球柴油机动力船舶NOX年排放量1000万吨以上，占世界NOX总排放量的14%-15%！通过气候作用，被污染大气可飘散至1000公里以外的地区，对环境造成影响。
1.2 NOX排放要求
1997年9月， IMO颁布了《船舶柴油机氮氧化物排放控制技术规则》。在2000年1月1日以后，所有建造、重大技术改造功率超过130KW的船舶柴油机NOX排放提出了具体规定（TierⅠ，如表1）：
2005年3月，CCS发布《关于实施MARPLO公约附则Ⅵ的技术信息通报》，附则Ⅵ在我国正式实施。
2008年10月，IMO通过TierⅡ/Ⅲ法规，TierⅡ将NOX 排放的水平降低到TierⅠ标准的80%左右，TierⅢ更是降低到 20%左右（具体如表1）。
表1 不同阶段NOX排放规定 （TierⅠ，TierⅡ，TierⅢ）
2 氮氧化物(NOX)的生成机理及影响因素
2.1 氮氧化物生成机理 NOX以NO为主，NO的生成主要有3种方式，即高温NO、燃料NO、瞬发NO。
2.1.1 高温NO的原理 主要化学反应方程为：O+N2=NO+N N+O2=NO+O N+OH=H+NO
2.1.2 燃料NO的原理 NH+O=N+OH NH+O=ON+H HCN+O=NCO+H CN+O2=NCO+O NCO+O=NO+CO NCO+O2=NO+CO+O 由以上反应可以看出，NO的生成主要取决于氧原子及氧的含量。
2.1.3 瞬发NO的原理 氮气与CH、C2等碳氢原子团反应生成氰化物，后者与火焰中的O、OH等反应生成NO。方程式主要有：CH+N2=HCN+N C+N2=CN+N CH2+N2=HCN+NH CH2+N2=H2CN+N HCN+O=NCO+H CN+O2=CO+N N+OH=NO+H N+O2=NO+O
影响因素有3个：①碳氢化合物通过分解生成CH等原子团的量；②CH等与N反应生成氰化物的速率；③氮化物之间相互转换速度。
3 主要影响因素
综上可知，燃烧温度、O2浓度、燃气在气缸中滞留时间等因素影响着NOX的生成浓度。
3.1 过量空气系数和燃油品质
理论研究表明，通过调整过量空气系数可以减少NOX排放：在某一过量空气系数处，NOX浓度最大。在低于过量空气系数侧，氧气和氮气浓度较低，生成的NOX浓度也低；在高于过量空气系数侧，过量空气起稀释做用，NOX浓度也降低。对于柴油机来说，进排气门间隙可调范围是提前设定好的，气门过大或过小会使热态下工作的气门产生冲击或关闭不严。因此，此种方法并不可取。
3.2 喷油定时
理论上讲，推迟喷油正时是降低NOx排放浓度的简单有效的措施。但是，喷油过迟 ,燃油来不及燃烧,活塞已越过上死点下行，气缸内压力及温度降低，后燃烧严重，排烟温度升高,热效率和功率下降。因此，此种方法也不切实际。
3.3 进气压力和进气温度
现在很多柴油机都使用废气涡轮增压技术，一方面，由于经高压压缩，单位体积空气量增加，造成NOx浓度较高；同时，进气温度升高也影响NOx生成量：低于一定的空然比时，NOx浓度随着进气温度升高而增加。
但是，废气涡轮增压技术优势也很明显，一般来讲，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%，有的可达40%甚至更多，在提高燃油经济性方面具有无可比拟的优势，因此，单纯从降低氮氧化物方面考虑就放弃涡轮增压也不太可取。
4 降低NOX排放的措施—NOx的选择催化还原
结合当前技术，降低NOx排放较为可行的技术是排气中加入还原剂，还原NOx，研究较多是的选择性催化还原技术。
4.1 NH3-SCR选择性催化还原技术
将尿素做为还原剂的选择性催化还原技术（NH3-SCR）较为成熟，以高活性和耐硫性V2O5、WO3、Al2O5等为催化剂，可降低大部分NOx，主要反应为(NH2)2CO+H2O=CO2+2NH3+H2O；4NO+4NH3+O2 =4N2+6H2O；6NO2 + 8NH3=7N2+12H2O
SCR装置（如图2）包括3个主要系统：催化反应器、加药和储存系统及控制系统。以柴油机的负荷作为尿素喷注量的控制参数，用微处理器控制喷入氨的量（与NOx产生量成正比）：将负荷设计成程序，输入微处理器，控制氨气剂量。该装置安装在废气涡轮前。
图2整套SCR装配示意图
NH3-SCR技术的优点是：（1）NOx 的转化率相当高(大于90 %)；（2）不会造成油耗和排气黑烟增加；（3）降低噪声。
应用难点在于:（1）装置尺寸大，需要催化转化器系统、NH3 喷射装置和NH3存贮器，体积与发动机相当，而机舱面积相对较小；(2)投资成本大，其投资费用是一般是船舶建造费用的5%-8%；（3）应严格控制NH3/NOx比低于0.7～0.9，因为如NH3 过量，在提高NOx 转化率的同时，大量氨会泄漏，污染环境。
4.2 NH3-SCR系统的市场需求分析
尽管NH3-SCR技术在应用时面临很多困难，但该技术能有效降低船舶柴油机NOx排放，并且随着技术的发展进步，SCR将会往小型化和经济化发展，普及前景较为广阔。
参考文献
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[5] 曲虹霞，钟秦，NH-3选择性催化还原NOx的实验研究.南京理工大学学报，2002,26(1):68-71
论文作者:刘伟
论文发表刊物:《科技中国》2016年5期
论文发表时间:2016/7/26
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