摘 要

进入近代以来，人类社会的经济与生活水平大幅度提升，在利用原始资料与科学技术创造经济价值的同时，自然环境也因为受到污染而被破坏，为了人类的生存和发展的可持续性，必须采取措施减少污染物的产生，修复和保护环境。

内燃机自发明以来，影响了人类生活的方方面面，为推动人类社会的发展做出不可磨灭的贡献，为船舶提供动力的柴油机更是如此。然而，作为一款使用化石燃料的机械，其排放物对大气环境的破坏力不可小觑。随着船舶排气污染问题的不断加深，以及全球社会环境保护意识的持续加强，对船舶排气的污染净化标准的把控也会日益严格。如何在绿色经济的大浪潮下谋得立足与发展，是船舶制造业以及航运公司的生存关键。

本文分析了当下船舶柴油机排气中各污染物的生成机理，力求从影响其生成的因素中着手来减少污染物的产生，并且着重于氮氧化物、硫氧化物的减排，介绍船舶上已有的控制措施，另外，还通过介绍外文期刊、文献资料来解读船舶排气清洁系统的最新研究方向。

关键词:环境;污染; 柴油机;船舶排气;氮氧化物;硫氧化物

Abstract

Ever since the modern times, the economic and living standards of human society has been greatly improved. While using the original materials and science technologies to create economic value, the human beings has also destroyed the natural environment by pollution. For the survival and development of human beings, we must take measures to reduce the generation of pollutants, repair and protect the environment.

Since the invention of the internal combustion engine,it has been affecting all aspects of human life, promoting the development of human society and making an indelible contribution to the ship which are driven by diesel engine. However, as a mechanical equipment which powered by fossil fuels , its emissions on the atmospheric environment is destructive and can not be ignored. With the deepening problem of ship exhaust pollution, as well as the global community awareness of environmental protection continues to strengthen，the pollution of the ship's pollution purification standards will become increasingly stringent. How to seek a right path in the green economy under the foothold and development, is the key to shipbuilding industry and shipping companies for survival.

This paper analyzes the mechanism of the generation of pollutants in the exhaust of diesel engine, and tries to reduce the generation of pollutants from the factors that affect its production, and focuses on the emission reduction of nitrogen oxides and sulfur oxides. Some control measures, in addition, through the introduction of foreign journals, we can know literature to interpret the latest research direction of the ship exhaust cleaning system.

Key words: environment; pollution ;diesel; exhaust gas; nitrogen oxides; sulfur oxides

第一章 绪论

1.1选题意义

比起陆地运输与空中运输，船舶运输具有运输量大、成本低且距离远的特点，这也使船舶运输成为全球贸易运输的最主要方式，每年承担着全球95%以上的贸易运输量，然而只消耗全球能源的3%。然而，尽管消耗的能源不多，但由船舶其动力装置产生的废气物排放量仍然非常巨大，对海洋以及全球环境的影响不容忽视。据统计，每年由船舶排放的NOx达602万吨，约占全球NOx排放总量的7%，SOx排放达634万吨，约占全球排放总量的4%，温室气体CO2的排放约占全球排放量的2.7%^[1]。在一些航运业发达，航线密集的港口海域，船舶废气污染成为破坏当地自然环境的第一污染源，船舶废气污染也越来越受到人们的关注。随着航运事业的开展、运营船舶数量的增加，船舶产生的大气污染也日益严重。目前，与陆上的排放法规相比，船舶排放法规相对比较宽松，这也导致了船舶有害排放相对值的增加。毋庸置疑，随着科学技术的发展和新型船舶废气清洁设备的不断研发，对船舶有害排放的控制也会越来越严格。

1.2 相关法律法规

20世纪70年代以来，因为环境污染的日益严重和国际社会对环境状况的越发关注，船舶柴油机排放的污染物对大气环境造成的损害受到了全球政府的高度重视。相关国际组织与各国政府及地区前后出台了相关法律法规来限制船舶柴油机的污染排放。

2008年10月和2011年7月，国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会（MEPC）对MARPOL公约附则VI重新进行了两次重大修订，对于船舶的废气排放提出了更严格的要求，也对船舶温室气体（GHGs）排放提出了强制性的要求。

1.3 船舶排气系统及排气成分的介绍

船舶主机、燃油锅炉、柴油发电机以及消防柴油机等设备在工作时产生大量废气，船舶排气系统的功能是利用相关设备与管系将废气排出。该系统的主要组成部件有消音器、管道、膨胀节等。 船舶柴油机排放物的组成主要是燃烧产物和多余空气，包括水蒸气、过量氧气、残余氮气、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、硫氧化物和颗粒等。其中水蒸气、过量氧气、残余氮气属无害成分，不会给人类和环境带来任何不良影响。二氧化碳虽然不会对人类和环境产生直接危害，但由于二氧化碳的大量聚积会形成的温室效应，应加以控制。二氧化碳、水、氮气、氧气占到排气体积总量的99.8%^[2]。

1.4 研究的目的和意义

人类社会生存、发展以及延续的前提是良好的大自然环境，保护自然环境也是我们人类在发展中必须要注意的问题。在当今提倡节能环保的社会大趋势下，如何减少污染，甚至消除污染成为了人类发展中经久不衰的议题。

本文的基本内容是从多个角度研究船舶废气的处理以及排放，以减少船舶废气对自然海洋环境的负面影响。由于时间与场地的限制，本次研究将主要采取查阅外文文献、法律法规和采集网络信息资料的方式进行。最后，基于收集到的资料，预测船舶排气清洁系统的大致发展方向。本文所分章节如下:

第一章 绪论;

第二章 船舶排气的组成成分及各成分的污染、净化机理介绍;

第三章 典型污染物NOx的减排措施;

第四章 典型污染物SOx的减排措施;

第五章 国内外相关公司关于船舶排气清洁设备的技术发展与对策;

第六章 总结与展望;

……

……

……

第二章 船舶排气成分及生成机理

2.1 一氧化碳（CO）

一氧化碳是碳氢化合物燃烧过程中的主要中间产物。碳氢燃料完全燃烧时最后生成二氧化碳和水，而一氧化碳的生成是这个反应过程中不可忽略的一步^[3]。相关化学反应方程式如下：

H

当氧气量充足时，经过上述两个反应过程，燃料被充分氧化，产物主要为二氧化碳和水。当新进气中的氧气量过少，部分燃料会发生不完全燃烧现象，反应过程大致只能进行到前一步，产物主要是一氧化碳与氢。后者反应为可逆反应，且为放热过程，即存在化学平衡，平衡常数随温度降低而增大，正向与逆向反应速率都很高，一般可以认为此反应可以达到瞬时化学平衡。

碳氢化合物的燃烧速率主要由空气中的氧气浓度、工质的温度以及发生化学反应所用的时间几方面决定，而不完全燃烧产生的一氧化碳的量主要由参与反应的氧气量决定。当参加反应的氧气量不足时，燃料燃烧生成大量一氧化碳。

带入到船舶柴油机中，一氧化碳的生成还有以下原因，当柴油机燃烧室环境条件满足以下其中一个时，都会使燃料燃烧效果变差，使一氧化碳的产量大大增加：

1. 燃烧室整体或局部工质温度降低：例如，大部分一氧化碳在燃烧室壁面处产生，这是由于燃烧室壁面处的温度较低，燃料初步氧化生成的一氧化碳难以继续反应生成二氧化碳。另外，柴油机燃烧室在膨胀和排气冲程中，气缸内的温度和压力由于废气的排出或和新气的进入而降低，而且速度很快，远快于建立新的化学平衡所用的时间，由上文可知，一氧化碳转化为二氧化碳的反应为放热过程，即一氧化碳的浓度会随温度的降低而增大，此时的一氧化碳浓度变会产生“冻结”现象，即浓度要高于温度为排气温度时所对应的一氧化碳浓度^[4]。
2. 燃烧室内缺少氧化剂：柴油机换气系统出现故障，导致没有足量的新鲜空气进入气缸，或者喷油系统出现故障导致一次性喷入过量的油，这两种情况都是由于氧化剂不足而导致生成一氧化碳。
3. 发生化学反应所用的时间缩短：这是由船舶柴油机的转速决定。在活塞的上下运动中，燃烧室的温度与压力都在不停地变化，也就是说燃料发生氧化反应的环境在不断变化，而其中适合此反应的时间长短决定了燃料发生氧化反应的效果。如果柴油机的转速适中，则燃料的燃烧效果更好，便可以减少一氧化碳的生成。

大多数船舶的动力装置为大型二冲程低速柴油机，燃料主要为船用重油，其理论空燃比为14.6^[5]，燃烧时可燃混和气中的空气质量与燃油质量比值大于该值时，称此时的混合气为稀混合气，反之，为浓混合气。

浓混合气下，由于空气中的氧气不足，加剧了一氧化碳的生成。船用柴油机为压燃式内燃机，多数情况下以稀混合气状态运转，但即使是在理想状态下，一氧化碳的生成依旧无法避免，原因有如下几个方面：

1. 对于压燃式内燃机而言，它有个很大的特点，就是燃料与氧气的混合不均匀。也就是说，燃烧室内并非每处的氧气浓度都是均匀且适宜的，总会有局部缺氧的现象出现，这个原因导致燃烧过程中必然有一氧化碳的产生。
2. 假设燃料完全燃烧，放出所有的热量，导致温度急剧上升，当燃烧温度升高至2000K以上时，燃料完全燃烧生成的二氧化碳会部分分解，产物为一氧化碳和氧气。随着膨胀和排气冲程的进行，温度会有所降低，此时的一氧化碳由于反应动力学的限制，其氧化复合生成二氧化碳的速率很低，即上文所述的一氧化碳浓度“冻结”现象。
3. 如上文所述，一氧化碳是燃料燃烧过程中的重要中间产物，柴油机的转速较高，导致满足一氧化碳向二氧化碳转化条件的时间较短，一氧化碳来不及转化成二氧化碳，因此可得到以下结论：一般来说，随着柴油机负荷的逐渐增加，一氧化碳的产量会先下降、后上升，存在一个最小值，此值对应着某一负荷。柴油机在此负荷运行时，一氧化碳的产量最低，越过此值进行高负荷或者低负荷运转，柴油机的一氧化碳产量会明显上升。

2.2氮氧化物（NOx）

氮氧化物涉及到很多种类的化合物，例如NO、N2O、N2O5、NO2、N2O4、NO3。其中，在柴油机排放的氮氧化物中占绝大多数的是一氧化氮，少量二氧化氮，后者的量要比前者少的多，约为5%左右。这两种气体对环境造成的危害最大，柴油机的氮氧化物污染，主要指的就是这两种气体造成的污染。由于一氧化氮的量多，且一氧化氮可以被氧化为二氧化氮，所以，现阶段对氮氧化物排放的研究主要针对的是一氧化氮这种气体。

燃料燃烧过程中的一氧化氮有三种不同的产生方式，依据方式的不同可以将一氧化氮分为热力型（Thermal）、瞬发型（Prompt）以及燃料型（Fuel），以下是三种一氧化氮的产生原理及其影响因素：

1. 热力型NO：作为助燃剂供给柴油机的空气中的氮气分子在高温条件下与氧气分子发生反应生成一氧化氮。这种方式形成的一氧化氮是柴油机实际排放的一氧化氮的主要来源。目前，关于这种方式的机理，已被广泛认可的是前苏联科学家捷尔杜维奇（Zeldovich）于1946年提出的高温一氧化氮生成机理，也被称为捷尔杜维奇定理，利用该机理不仅可以解释一氧化氮的生成过程，还可以准确预测一氧化氮的生成浓度。机理描述的一氧化氮生成过程主要反应式为

N O2

根据机理所述，即使是在高温条件下，空气中的氮气与氧气直接反应生成一氧化氮的速率仍然很慢。一氧化氮的生成始于高温条件下氧分子的裂解，裂解出的氧原子与氮气反应生成一氧化氮和氮原子，然后氮原子又和氧气发生续链反应，生成一氧化氮和氧原子，产物中的氧原子又再重复这个过程。促使热力型一氧化氮生成的因素有如下三个

1. 高温 一氧化氮的生成主要与温度有关，上述生成一氧化氮的两个反应皆为放热反应，因而温度高时，一氧化氮的生成速率和平衡时的浓度皆会上升。在存在足够量的氧气的情况下，温度高低是决定一氧化氮产量多少的重要因素。
2. 氧气量 同一氧化碳的生成要素相反，即使是在高温情况下，如若没有足够的氧气量，一氧化氮的产生也将会受到抑制。
3. 高温滞留时间 一氧化氮的生成与燃烧过程是相互独立发生的，前者的速率要远慢于后者，即使是在高温条件下，如若柴油机的转速决定了适宜一氧化氮生成的反应时间较短，也会抑制一氧化氮气体的生成。

总的来说，在稀混合区域内，一氧化氮的生成主要受温度决定，在浓