摘要：随着航运业的不断发展，船舶柴油机废气排放引起了许多国家和国际组织的重视。文章从IMO制定的《防止船舶造成大气污染规则》出发，总结了SOx、NOx的生成过程和产生的危害，介绍了当前降低SOx、NOx排放污染物的技术措施，并讨论和分析了各种措施的可行性及其优点和适用范围。
关键词： 船舶SOx NOx 排放 控制技术
1.前言
随着经济全球化进程的加快，国际贸易和船舶运输得到了空前发展，海上货运量逐年大幅度增长，船舶吨位和尺度也在不断增加。在繁荣世界经济的同时，以石油产品为燃料的船舶废气排放造成的环境污染日趋严重。在全球范围内，船舶柴油机废气排放造成的大气污染和温室效应已受到IMO、MEPC、WHO等国际机构和各国政府部门的高度重视。
据挪威向国际海事组织提供的资料显示，到2000年船舶年排放NOx达602万吨，占世界排放总量的7%；SOx达634万吨，约占世界排放总量的4%。
欧盟的一项调查表明，2005年仅欧洲沿海、近海航行货船排放CO2接近欧洲大陆工业部门CO2排放总量的50%。联合国最近公布的一份调查报告显示，全球船舶运输业每年的CO2排放量约占全球总排放量的4.5%，数字十分惊人。目前，各相关组织和国家纷纷制定各种标准、公约和法律以及投入资金研发新技术，力求最大限度地减少废气排放对人类造成的危害。
2.船舶废气的产生及排放
2.1船舶废气的组成和危害
柴油机排出的废气是由燃烧产物与剩余空气组成，可分为有害成分和无害成分两类。无害成分为燃料的完全燃烧产物，如二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、过量空气以及残余氮气等，它们对生物无直接危害。其中CO2虽然不会对环境产生直接危害，但由于CO2的大量聚积会形成地球气候的温室效应而有害。
有害成分包括一氧化碳(CO)、氮氧化物NOx)、碳氢化物(HC)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、臭氧和微粒物质等。SOx主要是燃料所含硫的燃烧产物，以废气的形式排放于大气，尤其是SO2容易氧化形成酸雨给人类带来危害。NOx中绝大部分(90%以上)是NO，少量是NO2。NO是无色气体，在大气中会缓慢氧化成NO2。NOx是在地面附近形成光化学烟雾的主要因素之一。
2.2排放控制标准
为了减少船舶排放造成的大气污染，1997年9月，国际海事组织在伦敦通过了MARPOL73/78公约1997年议定书，新增了MARPOL73/78附则VI《防止船舶造成大气污染规则》。该附则对于船舶废气中的硫氧化物和氮氧化物的排放含量作了限制，禁止故意排放消耗臭氧层的物质，附则规定了燃油中硫的含量不超过4.5%m/m的上限，并呼吁国际海事组织在议定书生效后监控全球燃料的平均含硫量。附则VI规定2000年1月1日起输出功率超过130kW的柴油机，其NOx排放限制如下：①当转速低于130r/min时，NOxF17.0g/kw h；②当转速在130 n 2000r/min时，NOx 45.0 n-0.2g(kw h)；③当转速n 2000r/min时，NOxF9.8g/kw h。该规则已于2005年5月19日生效。2008年10月国际海事组织MEPC第58次会议召开，会议一致通过了MARPOL附则Ⅵ《防止船舶造成大气污染规则》的修正案。附则Ⅵ的主要变化是渐进地减少船舶废气的含硫量。从现今的4.50%减少到3.50%(2012年1月1日生效)，最后达到0.50%(2020年1月1日)。
含硫废气控制区SECAS将于2010年7月1日起实行1.00%控制量(现在是1.50%)，并于2015年1月1日起进一步减少至0.10%。
氮氧化合物(NOx)排放控制量的渐进减少最严格的措施 所谓 散型 (TierⅢ)主机也得以通过。这类主机将在2016年1月1日起安装在船上并要求在排放控制区使用。
新修订的附则Ⅵ将通过成员国递交提案致IMO，对SOx，颗粒物、NOx以及这三种船舶排放物分别或三类一道设置排放控制区来防止、减少并控制三类排放物。该附则Ⅵ修正案按照默认接受程序于2010年7月1日起生效。
3.船用柴油机有害气体排放控制技术
3.1控制SOx排放量的措施
目前，减少SOx排放量的主要方法有：使用低硫燃料和排烟脱硫。为了更大程度地减少SOx的排放量，排烟脱硫处理将是今后船舶防止SOx污染的主要发展方向。
3.2控制NOx排放的措施
NOx排放的控制措施大体可分为燃料预处理、工作过程处理和排气后处理三类。其中预处理可分为：采用低氮燃油或燃油乳化等；过程处理包括：废气再循环、喷油定时延迟、改变喷油器参数及燃油-水分层喷射；后处理包括：废气再燃烧处理和催化还原法处理。
3.2.1燃油乳化
燃油乳化，是指燃油在喷入气缸前，在燃油中混合一定的水份，并在超声波和机械搅拌的作用下，将重油乳化成为油包水的油滴。喷入气缸后由于水蒸汽的 微爆 作用使油滴破碎成更细小的油滴，因而促进了混合气的形成和燃烧。燃烧过程中，由于水的吸热作用，可降低最高燃烧温度，水与油混合喷入还可以降低燃油密度，使最高燃烧温度进一步降低，从而减少柴油机的NOx排放量。
3.2.2废气再循环
废气再循环EGR(Exhaust Gas Recirculation)是指让柴油机的一部分排气引回进气管，与新鲜空气混合后作为工质参与气缸内的热循环。EGR作为控制NOx排放的一项有效措施，越来越受到重视，对柴油机用EGR的研究已取得了一定的成果。废气再循环之所以能使排气中NOx浓度下降，研究认为：
第一，柴油机排出的废气中由于含氧量少，废气循环到气缸内，使燃烧时反应混合物中的氧含量与不循环时相比，有显著降低。燃烧和爆炸过程中NO的生成速度与氧浓度的平方根成正比，因此NO的生成反应速度降低，于是废气中的NOx浓度也相应下降。
第二，废气中含有较多的水蒸汽和CO2，在高温下，水蒸汽和CO2的比热比空气大得多。若燃料油的燃烧热值一定，燃烧混合气比热大者，会使燃烧过程所达到的火焰温度较比热小者为低。由于在燃烧和爆炸过程中，NO的生成速度与燃烧绝对温度成指数关系，因此燃烧温度的降低导致废气中NOx的浓度降低。通过对机型为4T50MX柴油机进行EGR的实验，如果15%的废气再循环，将导致发动机进口空气的氧气浓度由21%降至18%，那么NOx的浓度将大大降低。
从原理上讲废气既可在增压器前循环，也可在增压器后循环，但不论是哪种情况，引入再循环的废气均需冷却(温度降到160～180℃左右)和清洁。废气循环法净化NOx的优点是：废气净化效率高，能有效降低NOx的排放，简单经济，便于应用，操作方便，易于控制。但是，如果使用不当的话，也会招致冒烟和其它有害排放物的增加。其次，在船上使用时，含有未加处理的硫和未燃烧完的HC、烟灰等污染物会造成润滑油的污染和柴油机的磨损。
3.2.3延迟喷油定时
延迟喷油定时是在燃烧过程中降低NOx发生量的简便有效方法。延迟喷油定时的作用主要是使燃料燃烧所形成的温度颠峰值降低，但会使油耗略有增加。对于经常在热带航区运行的船舶动力装置，由于冷却水温较高，利用此方法能将NOx的排放量减少10%～15%。通过调整喷油规律，减少上止点前喷入气缸燃油量；或者调整气阀正时，降低最高燃烧温度和压力，均可减少NOx的发生量。此外，改进喷油器结构，如减少喷油器压力室容积，改动喷油嘴喷孔数目、孔径和长度等，也是控制NOx排放的有效措施之一。
另外，采用柴油机电子控制技术或智能喷射系统，既可优化柴油机的控制，又可提高柴油机的运行经济性，同时也可实现低NOx排放，当是解决柴油机低污染排放和保证柴油机性能之间矛盾的良好方法。
3.2.4燃油-水分层喷射
实现方式是通过组合的喷油器将水和燃油喷入燃烧室，实现水与燃烧混合气的混合。如果需要也可以在不影响柴油机工作的情况下屏蔽掉喷水系统。此项技术可降低柴油机的热负荷，并提高柴油机运行的清洁性，能降低NOx排放50%～60%；但是该技术会导致燃油消耗率略有提高。燃烧含硫量较高的燃油时需考虑燃烧室材料和采用特殊的喷嘴。
3.2.5废气后处理法
废气后处理又称为二级处理，是对废气中已生成的NOx进行处理，减少它对大气的排放量。有效的方法是催化还原法(Selective catalytic reduction)，简称SCR系统。用尿素作还原剂，尿素含氨、无毒，便于船上保存。将浓度为40%的尿素溶液喷入SCR系统，在350～450℃排气温度下，利用催化剂，氨能有选择地与NOx起化学反应，生成无害的N2和水蒸气。
4NO+4NH3+O2 4N2+6H2O
6NO2+8NH3 7N2+12H2O
国外一些柴油机制造厂早已开始SCR在实船应用的开发研究工作。从目前取得的成果看，已完全满足了IMO规定的2005年排放标准。
3.2.6其他控制措施
调整压缩比，高压缩比对减少NOx排放和燃用重油不利，但对减少烟度颗粒排放有利，它可弥补喷油延迟所造成的热效率降低。如果为了降低NOx排放，调低压缩比，那么柴油机的运行功率就会下降。但是，降功率运行会使燃烧不良，热效率降低，烟度增加。只有通过调整喷油定时、气阀定时和喷油压力来实现或克服。另外，采用天然气、液化石油气或甲烷等替代燃料，也可以有效地减少NOx排放。
4.结束语
综上所述，国际上控制NOx排放的措施已经有很多，MARPOL73/78附则VI已在我国生效。针对中国船舶NOx排放现状及我国经济、技术发展水平而言，尚面临诸多紧迫问题。我们必须深入研究，早做准备，参照美、日、欧等发达国家经验，采取积极的应对措施，树立海事主管机关履约地位，维护我国航运公司利益和航运大国形象。