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船舶柴油机不同的减排技术综述及经济分析
摘要
为了减少船舶废气排放，航运业目前面临着采用新技术和采用更严格的国际、国家和地方规则的操作方法的挑战。国际海事组织(IMO)和美国环境保护署(EPA)等国际海事组织提出规定的最客观目的是承诺减少船舶对全球和地方排放。本文分析了船舶发动机的排放和废气的形成过程，总结了符合MARPOL公约第III阶段和第IV阶段规定的减排技术。结果表明，如果未来的柴油发动机采用预处理、内处理和/或后处理技术，就有可能得到有效的减排百分比。还介绍了对3类船用柴油机中低转速的经济性影响分析。
关键词
空气污染、温室气体、国际海事组织相关规定、第III阶段、第IV阶段、洗涤器、SCR、尾气
介绍
近年来，船用柴油机制造商不得不应对区域、国家和国际当局对有害废气排放加强控制的挑战，以应对人们对大气污染及其对人类健康和气候变化影响的担忧。国际海事组织关于气体氧化物的条例计划通过三个阶段来实现柴油发动机的减排[1]。
2000年1月1日以后下水的船只属第I阶段;2011年1月1日以后下水的船只属第II阶段，比第I阶段减少15%废气排放量;而2016年1月1日以后下水的船只属第III阶段，比第I级减少85%废气排放量[2]。根据IMO的规定，当前允许的NOX排放水平取决于发动机的转速和功率等级范围[3]。此外,《船舶大气污染防治条例》(附件六)自2006年起对排放控制区(ECAs)的船舶动力发动机施加1.5%的硫限制,2010年7月这个极限下降到1.0%硫,2015年1月减少到0.1%硫[4]。此外，2004年5月，美国环境保护署(EPA)签署了引入第IV阶段排放标准的最终规则，该标准将在2008年至2015年期间逐步实施。IV阶段规则规定，颗粒物(PM)和氮氧化物的排放必须额外减少99%[5]。图1显示了第IV阶段排放法规在过去的二十年中，在不同的柴油发动机上实施，并在2015年达到第IV阶段的最终目标。
应该注意第IV阶段规则灵活地允许预先核准的设备制造商使用上阶段发动机代替第IV阶段发动机最长7年的过渡期，为设备制造商提供一些向新排放标准过渡的控制。
然而，应急备用动力设备(ESP)不受美国环保署第IV阶段标准的限制，因为第III阶段已经通过发动机内部结构升级减少了85%以上的废气排放，而且ESP在一年内只运行很短的一段时间。除ESP外，柴油发电机标准分两步实施，2011年开始实施第IV阶段中期计划，2015年实施第IV阶段最终计划（如图2）。此外，为了达到满足第IV阶段临时规则和第四层最终规则所需的排放控制水平，将需要某种形式的废气后处理。
图一 在过去十年中为非道路柴油发动机实施的第II-IV阶段法规。
图二 在过去数年为柴油发电机实施的第I-IV阶段法规。
本论文的结构如下：第2节介绍船舶柴油机的主要污染物，特别是氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)和一般烟雾。第3节，介绍了NOX和SOX排放控制技术，如内处理技术和后处理技术。在第4节中，我们将通过考虑遵守未来潜在排放法规所带来的成本来评估所选的3种船舶柴油机的经济性。第5节是本文的研究结论。
船舶柴油机的气体排放物
船用柴油机的特征有转速(低、中、高)和行程数。根据Kristensen H.O.的研究[6]，以下用于推进的发动机:1)低速二冲程(50 - 300rpm)，2)中速四冲程(300 - 1000rpm)，3)高速四冲程(1000 - 3000rpm)，4)燃气轮机(＞5000 rpm)。这些发动机有过量的空气。高压空气在高压下被注入柴油机气缸腔内，空气通过活塞移动压缩。这种压缩充分增加了气缸腔内的空气温度，使燃料能够点燃。然而，由于气体反应(1)[7]，燃烧产物中含有大量的氮和氧。
CaHb (O2 3.75N2)→CO2 H2O N2 O2 其他 (1)
船舶柴油机排放的额外废气主要由硫、二氧化碳和水蒸气的氧化物、少量的一氧化碳、部分反应的非燃烧的PM和碳氢化合物(HC)组成。某一低速船舶柴油机的常规排放气体如图3所示，图4所示为某烧含硫量3%的重质燃油的中速机的气体排放组成[8]。
图三 某41MW低速机典型气体排放[9]
图四 燃烧含硫量3%重质燃油(HFO)的18MW中速四冲程机典型废气组成[9]
由图4可知，主要排放有氮气(N2)、氧气(O2)、水(H2O)和二氧化碳(CO2)。在这些气体中，二氧化碳被认为是温室气体(GHG)发展的潜在来源。不同的研究评估了全球3%到4%的二氧化碳排放是由船舶[10]造成的。巡航速度降低10%是一种有效的操作方法，在相同距离的[11]下，可以显著降低二氧化碳和燃料消耗高达20%。以下是船舶柴油机主要排放物，它们对空气污染和人类健康造成危害。
氮气（N2）和氧气（O2）
氮气和氧气是无毒的。N2和O2是发动机进气和排气的主要成分。氮气占进气量的78%，在燃烧过程中大部分不会发生反应，尽管有一小部分会发生化学反应，生成多种氮氧化物(NOX)。占进气量21%的O2将通过燃烧适度地转化，因此，排气中的游离O2将取决于发动机运行时的过剩空气比率[12]。
二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)
二氧化碳和水蒸气的产生取决于燃料的燃烧量和燃烧燃料的基本成分。所有的燃烧形式(已完成或即将完成)都会产生CO2和水蒸气。二氧化碳被认为是一种温室气体，在热红外光谱长度[13]内吸收和传输辐射。
微粒排放物
在船舶柴油机排放中，小的颗粒将包围有机和重金属微粒排放物。有机微粒排放物一般由二恶英、呋喃和多环芳烃(PAH)组成。然而，多环芳烃是一种已知的致癌物质，并且有充分的文献记载。此外，多氯代二苯并呋喃(PCDF)已被报道为剧毒，并已在发动机排气系统中被识别。诸如铜、汞、镉、铬、镍和锌等重金属是剧毒物质，可减少水生生态系统的多样性而造成严重破坏，造成鱼类死亡和人类癌症。
硫氧化物(SOX)
硫氧化物与所用燃料的含硫量密切相关。在燃烧室内对硫进行氧化可形成二氧化硫(SO2)和比例较小的三氧化硫(SO3)。SOX有难闻的气味，是酸雨的主要来源。
SOX代表了全球60%的交通运输SOX排放，并且是威胁人类健康的来源。最近通过了新的严格规定，以减少SOx的排放，例如《MARPOL公约》附件VI的第14条规定，对海上使用的燃料含硫量施加限制。
氮氧化物（NOX）
氮氧化物的形成是由于空气中氮分子的氧化或燃料中有机氮的氧化引起的。根据使用的燃料，氮氧化物排放总量的重要部分，与使用HFO的发动机有关。已知氮氧化物的演化随燃烧温度的升高而增加。因此,低速船用柴油机NOx排放比中高速机高。因为低速船用柴油机燃烧过程需要的时长更长有更多的时间用于氮氧化物的发展。氮氧化物会造成酸雨，其在大气中的氧化作用会产生细小的硝酸盐颗粒，对人体健康构成重大威胁。
NOx和SOx排放控制技术
氮氧化物排放控制技术可分为两类:内处理和附加处理。附加处理技术包括前处理和后处理技术。
内处理通常是可取的废气处理措施。然而，外部处理带来了一些不利条件，如成本、区域限制和燃料消耗延长，这对环境有直接影响，特别是对温室气体和成本。虽然NOx的排放控制技术可以通过对内燃机的内处理或附加处理技术来实现，但这些措施并不会对硫氧化物的排放产生影响。目前,有一种通过应用后处理技术或使用低硫燃料如液化天然气等或生物燃料和轻质船用燃料油(LMFO)使SOx排放量最小化的技术。图5显示了基于预处理、内部处理和后处理技术的脱硝和SOx减排情况。
图五 使用预处理、内部处理和后处理解决方案[14]降低船用柴油机SOx和NOx排放的方法
采用预处理技术的船舶柴油机减排方案
预处理是遵守国际海事组织最近通过的排放规定的最简单和最快的方法。然而，低硫替代燃料如甲醇和液化天然气(LNG)在船上的适应性面临着一些挑战。在工程方面，它们需要双燃料发动机和额外的特殊燃料储存罐。
甲醇有着相对于重油(HFO)减少99%NOx,60%SOx和95%PM排放量的优点,而液化天然气有着减少98%SOx,86%NOx、11%CO2和96%PM排放的优点[15],如图6所示。
图六 LNG和HFO的气体排放量对比
但是，甲醇增加了腐蚀的可能性，必须对燃料储罐进行适当的升级。另一方面，与传统的石油燃料相比，液化天然气每单位体积能储存85%的能量。使用液化天然气作为船用燃料最重要的挑战之一，是它的油箱比船用柴油油箱大3 - 4倍[16]。这进一步增加了安装改造的成本。最近，DNV-GL进行并发表的一项研究证实[17]，液化天然气燃料的船队将在未来几年迅速增加，特别是在现有燃料供应能力的地区。此外,一项瓦锡兰为了评估由LNG燃料发动机替换带海水滤清器的重油柴油机的优势的评估研究显示额外省出了每年的机械成本(维修、油润滑、洗涤器和SCR)500$/KW。此外，在需要使用高质量燃油的排放控制区域(ECAs)延长航行时间，LNG柴油机将比使用重油的柴油机更具经济优势。图7显示了符合当前燃料价格(2019年1月)的三种发动机等级的HFO和LNG的价格比较，HFO的价格约为15.3$/MMBtu, LNG的价格约为11.6$/MMBtu。
图七 不同船用发动机等级LNG与HFO的价格比较
乳化燃料依靠向燃料中加水来降低燃烧室的温度。乳化燃料提供了更好的雾化和燃料在燃烧室内更好的分布的优势，从而实现完全燃烧。乳化燃料具有减少氮氧化物排放和颗粒物排放的优点。但同时也造成了发动机零部件的腐蚀和油水分离短的普遍现象。作为本节的总结，许多船舶柴油机制造商，如Wartsila和MAN、Bamp;W已经开发了可以在天然气、船用柴油(MDO)或重油(HFO)上运行的船舶柴油机。这被称为燃料转换技术或双燃料技术[20]。双燃料技术为船东和运营商提供了显著的好处。在燃气模式下，没有任何二次废气净化系统，发动机已经符合IMO III阶段的规定[21]。此外，双燃料技术减少SOx和CO2的排放，以及可提供在气体模式下的无烟操作。另一方面，双燃料技术允许运营商根据市场价格变化来选择燃料类型。然而，有几个缺点[22]。首先，火花点燃燃气发动机的功率输出低于同等大小的柴油发动机。这在初始安装期间转化为更高的资本投资。火花点火系统的维护费用也很高。虽然许多生产商继续提供在开发较长寿命的火花塞，但仍有人担心其使用寿命。此外，火花点燃发动机运行温度比相对比的柴油机高，导致明显更高的阀座磨损率。表1总结了作为预处理解决方案的海洋替代燃料的优点和局限性。
表一 船舶柴油机应用替代燃料的优点和局限性
采用内部处理技术的船舶柴油机减排方案
内部处理包括对柴油机的直接改造。这是由船舶柴油机制造商完成的，可能需要对喷油器设计进行修改，如使用直接注水(DWI)和/或使用米勒循环等发动机循环和/或如使用扫气空气温度的燃烧室。所有这些技术都对减少NOx和PM产生积极影响，并可进一步达到《MARPOL公约》附件六所规定的标准。
DWI技术使用一个由两部分组成的喷油器，一部分用来喷水，另一部分用来注入燃油。在燃料喷射阶段，水-燃料密度为0.4 - 0.7的高压水被注入燃烧室，水与燃烧气体的混合物完成，使燃烧温度和氮氧化物排放量降低60%。使用该技术的另一个优点是，它不需要额外的空间或额外的成本，可以集成为中速船用柴油机。然而，该技术可使油耗率略微提高约2%。另一方面，米勒循环最初是由Ralph Miller在1947年提出的，它是利用提前关闭进气门(EIVC)实现压缩前的内部冷却，以减少压缩循环工作[24]。米勒循环被认为是一个冷循环，允许一个较低的40% - 60%氮氧化物排放量，并提高发动机效率[25]。
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