船用柴油机国标一阶段气态物排放测试分析开题报告
2020-02-10 11:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 研究背景
随着全球经济一体化的进程加快，运输业得以迅猛发展。而航运具有运载量大、运费低、耗能少及占地少等优点，在全球交通运输业中占有重要的地位。据统计，目前全球至少80%的货物是通过船舶运输的方式来实现的[1]。
船用发动机有蒸汽轮机、燃气轮机、柴油机等。蒸汽轮机热效率最低，传动效率低，经济性差，机动性差，设备占用空间和重量大，正逐渐被淘汰；燃气轮机成本高，寿命短，热效率远低于柴油机，但由于机动性好、体积小、噪声小等优点，广泛用于军舰；柴油机通过燃烧化石燃料来提供动力，具有热效率高、动力性能佳、可靠性好等优点，自发明以来的120多年里，被广泛运用于各行各业尤其是交通运输业的动力供给。柴油机是目前应用最广的船舶动力装置，柴油机船舶占世界商船总吨位95%以上[2]。
船用柴油机排气中除含有氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳外，还有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX），硫氧化物（SOX）和颗粒物（PM）等有害物质[3]，对大气环境造成了污染。CO是一种无色、无臭、无刺激性的有毒气体，几乎不溶于水，在空气中不易与其他物质产生化学反应，故可在大气中停留2～3年之久，如局部污染严重，对人群健康有一定危害；NOX通过呼吸进入人体肺部,可引起支气管炎或肺气肿，NOX还能和HC发生光化学反应形成光化学烟雾污染；SOX是大气的主要污染物之一，是无色、有刺激性臭味的气体,它不仅危害人体健康和植物生长,还会腐蚀设备、建筑物；PM停留在大气中，对能见度和空气质量有严重影响，直接危害到人体健康和出行安全，也影响城市美观。
据国际海事组织（IMO）统计，全世界的船舶柴油机每一年排放的废气含有NOX约1000万t、含有SOX约850万t[2]。随着大气污染的日益严重，环境和生活也受到了恶劣影响，船用柴油机尾气排放的危害性受到重视，人们开始采取措施控制船舶尾气中的有害成分。
1.2 国内外研究现状
针对船舶柴油机的尾气污染，IMO及许多国家主管机关制定了分阶段实施的船用柴油机排放控制法规以限制船用柴油机排放。IMO早在1973年就制定了《1973年防止船舶污染国际公约之1978年议定书》（简称MARPOL73/78公约）附则VI《防止船舶造成空气污染规则》。随后各国政府和相关组织也纷纷出台了区域性船舶排放标准，如欧盟排放标准（Emission From Non-Road Mobile Machinery，NRMM）、莱茵河排放标准（Central Commission for the Navigation of theRhine，CCNR）等，中国政府也在2015年颁发了自己的排放法规[1]。
MARPOL73/38公约附则Ⅵ对船舶排放NOX、SOX进行了规定。
附则Ⅵ第十三款明确了船用柴油机排气组分NOX的限值及实施时间，形成了IMO Tier III阶段排放规定，见表1[2]。
表1 船用柴油机排放物NOX限值及实施时间
| Tier | 实施时间 （船舶建造起始时间） | NOX排放限值［g·（kW·h）-1］ （n：柴油机额定转速，RPM） | ||
| nlt;130 | n=130~1999 | N≥2000 | ||
| I | 2000年1月1日（全球） | 17.0 | 45·n-0.2 | 9.8 |
| II | 2011年1月1日（全球） | 14.4 | 44·n-0.23 | 7.7 |
| III | 2021年1月1日（北欧） | 3.4 | 9·n-0.2 | 2.0 |
| 2021年1月1日（非控制区） | 14.4 | 44·n-0.25 | 7.7 |
附则Ⅵ第十四款规定了SOX排放限值。对于硫氧化物限排，采取的举措是限制燃油硫含量。船用燃油硫含量限值如表2所示[2]。
表2 船用燃油硫含量限值及实施时间
| 全球范围 | 排放控制区 |
| 2012年7月1日前：4.5%（m/m） | 2010年7月1日前：1.5%（m/m） |
| 自2012年1月1日：3.5%（m/m） | 自2010年7月1日：1.0%（m/m） |
| 自2020年1月1日：0.5%（m/m） | 自2015年1月1日：0.1%（m/m） |
2008年十月，海洋环境保护委员会（MEPC）完成了对MARPOL附则Ⅵ和NOX技术规则的修订评审，制定了《2008年NOX技术规则》。该规则旨在建立船用柴油机试验、检验和发证的强制性程序，以使柴油机制造厂、船东和主管机关能够确保所有适用的船用柴油机符合附则Ⅵ第13条规定的相关NOX排放极限值。
2015年，我国交通运输部发布了《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，首次设立了船舶大气污染物排放控制区，以控制船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放，为我国全面控制船舶大气污染奠定了基础。2016年8月，环境保护部和国家质量监督检验检疫总部共同发布了《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一，二阶段）》：GB15097—2016标准，对船舶NOX、CO、PM等的排放提出了明确的要求，并在2018年1月颁布了全新的《船舶水污染物排放控制标准》：GB3552—2018标准，于2018年7月1日开始实施。
随着排放法规的不断出台，船舶对设备、燃油和润滑油的要求也越来越高，各大主机厂商、船舶公司、油产品公司纷纷研究减排方法，以满足环境保护的要求。船用柴油机排放控制研究领域起步较晚，可以借鉴陆用柴油机排放控制技术，开发适合船舶柴油机排放控制的措施。如借鉴陆用机的湿排气硫净化技术，为船机安装洗涤净化塔等措施[4]。对于油耗大的远洋船舶，安装净化塔经济性很高。发展至今较为成熟的减排措施有燃烧管理方法，如涡轮增压、控制喷油压力、改变点火延时、调节压缩比等，以及后处理技术，如DOC、SCR、DPF等，均对柴油机减排有显著效果。
柴油机尾气中的主要气态污染物是NOX，且难以达到排放标准，又与另一主要污染物PM存在此消彼长的关系，只有将缸内净化技术与缸外净化技术结合才能科学地控制NOX的排放[5]。选择性催化还原技术（SCR）是当前较成熟的NOX排放控制措施，上世纪八十年代开始，高压SCR后处理系统就逐渐被国外应用到船舶柴油机（主要是豪华游轮）上了，随着排放控制法规的颁布，也要求各种货运轮船降低废气排放，为此世界各船舶动力装置制造商和研究机构纷纷开始投入研究低速柴油机SCR后处理系统以解决货运轮船减排的要求。其中比较有代表性的公司有挪威YARA公司、日本日立公司、WinGD公司。国内的SCR后处理技术起步相对较晚，上个世纪九十年代一些知名高校和科研机构，开始对船用低速柴油机SCR后处理系统进行研究。2015年1月沪东重机发布了国内第一款船用低速柴油机高压SCR后处理系统，同年730研究院与南通远洋船舶有限公司合作，开始涉足研发船用低速柴油机的SCR后处理系统，在船用低速柴油机的高压SCR后处理系统的研发工作中取得了很大成果，几乎达到国际领先水平[6]。
对于柴油机的各类污染物排放控制，国外S.S. Hoseini[7]等人研究论证表明，使用由柴油、生物柴油、乙醇组成的生物燃料，是最佳办法。目前以生物乙醇和生物柴油为主的生物燃料不含有普通柴油中常见的芳香族或环状成分，而芳香族分子的高能量密度则使其在混合燃料中得以应用。Midhat Talibi[8]等人的试验研究表明，混合燃料中烷基苯的浓度和芳香环上的甲基支链数影响点火延迟和热释放速率峰值，进而影响污染物的排放。此外，国内李明湖[9]等人研究了进气门关闭时刻对柴油机CO、HC和NOX排放水平的影响。王峰[10]等人通过CFD数值仿真方法，研究了预喷和后喷参数对柴油机低温燃烧过程中污染物排放特性的影响。谭亲明[11]等人对柴油机在不同比例O2、N2、CO2混合气工况下缸内燃烧放热、压力、温度场分布、排放性能进行了模拟计算。楼狄明[12]等人对柴油机加装DOC POC后处理装置前后的动力经济性和常规气态物排放特性进行了台架试验研究。刘泽民[13]等人通过测试排放特性考察了某生物机油添加剂作为摩擦改进剂对发动机原有机油性能的提升。冯谦[14]等人对不同的催化型DPF（即CDPF）的催化剂小样进行活性评价，进行了柴油机气态污染物排放影响研究。刘健[15]等人研究了某种复合催化剂对柴油机排放的四种污染物的催化效果。
为了解我国船舶排放是否达到规范，对某台国产柴油机进行台架试验，分析其排放。NOXNOX
2. 研究的基本内容与方案
针对《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一，二阶段）》：GB15097—2016标准，对某台柴油机进行气态污染物排放测试分析；查阅近年相关文献，并完成英文文献翻译，编写排放测试数据处理程序，对试验数据进行计算，以验证柴油机气态物排放是否符合规范。通过此次学习，熟悉船舶柴油机气态物排放规范，熟练掌握柴油机台架试验方法和计算程序。
3. 研究计划与安排
第1-3周：查阅资料，完成文献综述的编写和英文文献的翻译；
第4-5周：完成开题报告及对翻译的检查；
第6-8周：编写程序，学习法规和测试仪器的使用方法；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]占志恒,郑金花.新环境保护法规对船用发动机排放的要求[j].合成润滑材料,2018,45(04):19-24.
[2]赵东方,车驰东.船用柴油机废气排放控制法规介绍及应对[j].中国水运(下半月),2018,18(12):30-31 71.
[3]牛彦雷,王海宁.探讨降低柴油机有害排放物的控制技术[j].内燃机与配件,2019(02):186-187.
