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船用柴油机主要NOx排放控制技术分析综述

目录

TOC\o1-3\h\u1720船用柴油机主要NOx排放控制技术分析综述 1

298771.1废气再循环技术（EGR） 1

237231.2选择性催化还原法（SCR） 4

81161.3对比EGR与SCR性能及经济性 7

296411.4其他控制技术 8

138681.5使用LNG燃料等清洁燃料 9

1.1废气再循环技术（EGR）

该技术的基本思路通俗地说就是柴油机排放的尾气再次返回到柴油机中并参与下一次燃烧。EGR系统可分为内外部EGR系统两种，不过内部EGR系统控制难以实现，而且NOx的减排效果也不见得十分优秀，所以目前一般都是外部EGR系统存在于船舶中。而外部EGR系统的控制则是通过控制EGR率来实现控制的，其计算公式为：

EGR(%)=(mEGR/mi)*100%

其中mi=ma+mEGR;ma是新鲜空气质量，mEGR是EGR系统返回的废气质量。

EGR系统中，在通过引入一定的冷却过的废气和新鲜空气压缩混合之后，在燃烧室内参与燃油的燃烧。引入的废气可以起到延迟点火、反应物的热容量上升、因各种气体的混合稀释了氧气的含量占比而降低了峰值温度等能降低NOx的生成的作用。然后再通过反馈调节调整EGR率，对NOx的排放精确控制，这样通过动态调整EGR率，可以实现NOx净化率达到80%及以上的目的，氮氧化物减排效果十分显著。有实验[13]表示，当EGR率分别为15%和25%时，可以减排50%以上和80%以上的NOx。其系统主要构成如下图1.1.1所示；

图1.1.1高压EGR系统主要结构构成

外置EGR系统大体上能分为高压EGR系统(也叫文丘里管式EGR系统)和低压EGR系统，低压EGR系统会导致零件寿命减短，实际应用起来成本反而较大，故应用较少；高压EGR系统中，尾气从排气管排出后，一些高压废气会进入EGR冷却器中冷却后再通过EGR阀的控制通过量，再与新鲜空气、燃气混合并且最终再次进入燃烧室，EGR阀控制EGR率。图1.1.1中的废气流量计作用是通过已设定好的程序计算由传感器传回来的信息从而得出信息化信号并返回到电子控制单元以及屏幕显示，EGR阀通过开度控制柴油机机的废气流量；EGR冷却器是降低再次进入燃烧室的废气温度，并避免燃气和新鲜空气混合气体被加热，最终达到避免柴油机发生爆震，燃烧恶化等事故的目的。

EGR技术已经成为目前最有效的NOx减排控制技术之一，该技术广泛用于二冲程、四冲程发动机，通过尾气循环，虽然能显著降低NOx的排放，但是也带来了一些弊端。这些弊端是使用EGR系统的船舶需要去解决的。因尾气的再次进入柴油机内部参与燃烧，导致高负荷时柴油机燃烧室内部的含氧量下降，进而带来的结果是柴油机的功率下降，消耗燃油量增加，同时含碳污染源尾气(CO、HC、炭烟等)排放增加。也因此活塞环、气缸套的磨损情况会进一步加剧，损伤柴油机寿命，进气系统的腐蚀和污染程度会上升，润滑系统的润滑效果下降。因此，如果能解决这些弊端的同时还能有效地利用好热EGR，是研究的重点。

因此为了洗去再循环尾气中的SOx和颗粒物以防止对柴油机主机造成损害，再后来研究出来的EGR系统会加设洗涤塔，其结构需要有足够优秀的气液接触通道设计，同时设备零件材料需要耐腐蚀，因为塔内的环境较为复杂，酸、碱和海水同时存在装置内。

柴油机的工况和NOx的排放息息相关，在中速的范围内，恰当地调整EGR率，能使得NOx的产量即使在不同负荷下也能有所减少。当工况为大负荷时，NOx的排放量会随着EGR率的上升而快速下降。所以在高负荷（低速）的工作环境中，因空燃小的原因，所以往往不会用到EGR系统；而在空载运行时，能使EGR率高达50%来降低NOx的排放。

尾气再循环过程中，因为尾气的温度较高，所以在与新鲜空气混合压缩前还需要冷却过后再进行压缩混合，EGR系统中也需要散热装置，而为了减轻冷却器的热负荷，往往安装时会在距离冷却器较远的位置安装，同时散热装置只需对尾气进行冷却即可，经过了冷却器冷却的新鲜空气，在此便可以不再考虑新鲜空气的冷却。

EGR系统中对EGR率的控制，可分为前馈控制和反馈控制。前馈控制即MAP通过测试分析混合气的成分，然后选取最佳的EGR率实现排放的标准，其根据是不同负荷中的进氧浓度和排氧浓度。反馈控制则是通过使用排氧传感器或者排气背压控制所获得的参数进行调节控制。图1.1.2为EGR电气控制系统策略的简图[14]；

图1.1.2EGR系统控制策略简图

另外在EGR率的计算公式中，新鲜空气的占比系数，是可以通过检测新鲜空气的占比系数从而确定NOx的排放量，同时还能作为EGR闭环操控的反馈信号。利用柴油机工况稳态运行环境中的闭环操控，