船舶柴油机节能减排技术浅析

摘要

随着经济全球化的快速发展，船舶作为运输工具在经济全球化中承担重要作用，船舶柴油机作为船舶的主要动力来源，它在航行中会产生大量废气污染物，将会对全球环境造成恶劣影响。目前，国际海事组织已制定了船舶废气污染物排放标准。本文首先对船舶柴油机废气污染物的成分、危害和生成机理进行了总结，并对重点污染物NO_X、SO_X的排放控制措施进行了分析。其次，对现有的节能减排技术进行了归纳，对相应技术的发展难点和应用效果进行了总结。最后，针对船舶在远洋和内河两种不同工作环境下的不同排放指标，结合现有的船舶废气污染物节能减排技术，给出了远洋和内河两种环境下船舶所采用的节能减排方案，为远洋和内河船舶在节能减排技术的发展、船员对于船舶节能减排设备的管理等方面提供了一定的参考。

关键词  船舶柴油机 废气污染物 节能减排技术

Abstract

With the rapid development of economic globalization, ships as a means of transportation bear the main capacity in economic globalization, and marine diesel engines as the main source of power for ships. It generates a large amount of exhaust pollutants during navigation and will have a severe impact on the global environment. At present, the International Maritime Organization has formulated standards for ship exhaust pollutants. This article first summarizes the composition, hazards and generation mechanism of marine diesel exhaust pollutants, and analyzes the emission control measures of key pollutants NO_X and SO_X. Secondly, the existing energy-saving and emission-reducing technologies are summarized, and the development difficulties and application effects of the corresponding technologies are summarized. Finally, according to the different emission indicators of ships in two different working environments of ocean and inland rivers, combined with the existing energy-saving emission reduction technology of ship exhaust pollutants, the energy-saving and emission reduction schemes adopted by ships in ocean and inland river environments are given. It provides a certain reference for the development of energy-saving and emission-reduction technologies for ocean-going and inland ships, and the management of energy-saving and emission-reduction equipment for ships by crew members.

Key words:   marine diesel engine, Exhaust pollutants, Energy saving and emission reduction technology

第1章  绪论

1.1 背景和意义

生态环境作为当今世界上的一项备受关注的问题。在温室气体过多排放，全球气候变暖以及各种污染加剧的今天，环境问题更加受到了越来越多国家的重视。现阶段我国海上船舶近些年的发展尤为迅速，作为推动船舶主要运行的系统之一的柴油机系统，它的重要性不言而喻，但船用柴油机工作时排除的大量污染物，也违背了当今我国对可持续发展的先进理念。目前国际海事组织（IMO）和海上环境保护委员会（MEPC）第62届会议已经成功通过了《MARPOL公约》附Ⅳ修正案关于针对温室气体减排的《73/78防污染公约》，这就更加强制要求了船舶航行中要做到更好的节能减排，船用柴油机作为船舶航行的灵魂，也是船舶上污染物排放较多的系统机器之一，由此可见船用柴油机的节能减排要更加迫在眉睫。

然而，我国的船舶节能减排的方向还需明确，根据我国在21世纪初颁布的相关法律依据，船舶柴油机的排放指标与现阶段我们进行航行工作的船舶排放量还有较大的差距，原因是节能减排技术尚未完善，部分船只也缺少环保意识。因此，首先发展节能减排技术更有利于船舶航行中减少相应的污染物的排放。

但当前船舶柴油机的节能减排还处于初级发展阶段，国外目前的发展较我国更为超前，主要原因在于法律和技术方面的支持，以欧盟为例，该组织颁布了防污染法律，并且创新了船舶节能技术，大力提升了防污染物排放技术。我国近些年也颁布了相关法律，但在柴油机的节能技术方面，缺乏硬性技术指标，仅简单地将节能技术分为机内技术和机外技术两大类，主要目的是减少使用污染能源为燃烧能源作为基础，目前已产生相应的效果，但也存在不少弊端。同时，世界各海事组织也没有对节能减排技术指标进行细化，也未对远洋和内河下不同水域的防污染技术指标进行完善，因此，针对不同水域，对不同类的柴油机节能减排技术进行分析，分析各自优缺点，并给出更适合远洋和内河水域下的不同节能减排技术具有重要意义。

第2章  柴油机污染物的排放及控制

由于柴油机具有高效率、低能耗、低成本、功率可调范围大并且易于维修等众多特点，使得柴油机成为目前大多船舶都倾向于使用的动力推动设备，它在一定程度上推动了船舶事业的快速发展。但由于船舶柴油机在燃烧的过程中经常会由于燃烧的不充分而排放出较多有害气体，例如CxHy、 NOx、SOx、CO等，这些气体会对环境会造成很大的影响，与可持续发展和海洋生态文明建设背道而驰。为了更好地发展船舶节能减排技术，本章首先对船舶柴油机的主要污染物进行分析。

2.1 排放污染物及其危害

2.1.1 各种有害气体的成分

柴油机排放的废气的主要产物由燃烧产物和剩余空气组成。具体来说，它可以分为两类：有害气体和无害气体。无害气体包括：水蒸气（H₂O），二氧化碳（CO₂），部分空气和剩余的氮气（H₂）等； 有害气体也称为污染物质，主要包括：一氧化碳（CO），氮氧化物（NOx），碳氢化合物（HC），硫化物（SOx），臭氧和一些微量颗粒物。根据中国的污染物排放标准，废气中的有害物质以及二氧化碳和一些碳氧烟雾物质统称为排放物。^[1]

2.1.2 各种排放物的相关危害

• 一氧化碳（CO）：CO是一种无色无味的有毒气体，人体如果不慎吸入后，CO会与人体里的血红蛋白发生反应形成碳氧血红蛋白，这种细胞会导致人体缺氧，引发恶心、头晕等一系列症状，如果吸入过量的话，很有可能导致人窒息死亡。在柴油机排放的过程中CO的含量一般不是特别大，只在高负荷时排量较大，但如果在密封空间内的话，也有致命地风险，所以需要船舶经常通风透气。
• 氮氧化合物（NOx）：柴油机排气的过程中之所以使用NOx来表示，是因为在排气过程中的氮氧化合物90%以上时NO，只有少量的是NO₂，为了方便表达，有关规定统称为NOx。在氮氧化合物中，NO为无色气体，本身毒性偏小，但在大气的作用下会缓慢氧化成NO₂，NO₂是一种棕色的刺激性有毒气体，毒性尤其对人的心肺功能会造成很大的损害，NO₂是在地面形成光学烟雾的主要条件之一。
• 碳氢化合物（HC）：柴油机燃烧后HC中会残留的物质很多，包括未燃烧和没有完全燃烧的各种燃油、润滑油以及各种已经分解和部分氧化的各种产物，例如：烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等各种类型的物质，共上百种成分。烷烃是一种基本上没有任何味道的物质，对人体几乎没有影响。烯烃是一种略微带甜的刺激性物质，对人体有一定的麻痹作用，它和氮氧化物一起在紫外线和强光的照射下会发生一定作用，从而形成有毒的光化学烟雾。芳香烃是一种对神经系统和血液循环造成很大危害的物质，特别是多环芳香烃（PAH）和由PAH伴生出来的衍生物质有致癌作用。醛类也是一种刺激性物质，对，口腔以及血液系统有很大危害。
• 微粒物质：柴油机排放出的微粒物质主要成分有黑烟、蓝烟和白烟。三种烟内含有的微量颗粒是我们看不见摸不着的，但是进入口腔和鼻腔后会有异物感，而且三种烟都对人体有很大危害。其中黑烟不仅影响人的正常视线，而且对人的呼吸系统有很大的伤害，另外由于在碳烟微粒的孔隙中吸附着SO₂和多环芳香烃，是致癌的物质。蓝烟和白烟的生成条件有很大不同，它们生成在柴油机启动时和低负荷运转期间，作为两种不同类型的颗粒，二者相比之下，蓝烟的颗粒状态更小。两者在排出的同时，会伴随着燃烧和甲醛等物质一起排出，所以有很大的刺鼻气味。
• 二氧化硫（SO₂）：SO₂是柴油机中燃油燃烧过程中必须会产生的物质。也是节能减排技术中最需要攻克的一项，它具有刺激气味，直接影响人的口腔鼻腔等，吸入少量就会引起呼吸道的很多问题。此外它对大气环境的危害也是巨大的，它排出到空气后，氧化形成SO₃与水作用产生硫酸并形成我们通常所说的酸雨，危害极大！

2.2 有害物质生成机理

2.2.1 氮氧化物（NO_X）生成机理

氮氧化物在清洁气体中所占的比例是很小的。但在自然界中不代表不会生成氮氧化物，自然界中的植物，小到微生物都会生成一定的氮氧化物，只是这些氮氧化物的含量微乎其微，在空中可以忽略不计，所以造成氮氧化物的主要排放还是来源于人为因素的影响，其中包括：工业窑炉，锅炉和柴油机。不同的因素，有不同的燃烧材料和燃烧条件，因此所生成氮氧化物的生成机理也各不相同。其中，就本篇所研究的柴油机为例，在柴油机的运转过程中产生大量的氮氧化物，在产生的氮氧化物中，NO₂占比较小，只有5%-10%左右。关键是由于氮氧化物在高温下生成比较复杂以及燃烧效果而定的。

在燃烧过程中，燃料中的物质氧化形成氮化合物。原因是因为氮物质在柴油机内燃烧时温度低于热分解的温度，在600-800摄氏度左右就会生成，但是在柴油机中，因为含有的氮化物质少，所以燃烧后机体内存有的NO_X含量就少。NO的含量较多，生成NO的化学反应链为：

O₂ → 2O                  (1)

O+N2 → NO+N             (2)

N+OH → NO+H             (3)

由反应（2）中的化合式可以看出，NO是有O切断了N₂分子得出的，温度是NO_X形成的主要因素之一，因此降低柴油机燃烧温度可以有效改善反应速度。此外，由于氮和氧反应需要有反应时间，这段间隔的时间成为了NO_X形成的一个重要因素。

2.2.2 硫化物生成机理

硫化物作为柴油机燃烧过程中另一大污染物，生成机理与氮氧化物不同。硫化物的主要污染物质为SO₂和SO₃，二者排放的条件和排放的效果相同，但是数量有很大差别，SO₃数量很少，只占所有硫化物里的1%-5%左右。船舶航行产生的大量硫化物占全球硫化物排放的7%，占比已经十分惊人。硫化物与氮氧化物生成的过程相比更加简单，它只是燃料的其中一小部分残留物而已，温度也无须过高，就会反应生成像SO₂等众多硫化物，反应时间快，所需介质少。

2.3 有害物质排放的具体控制措施

柴油机排放物控制的重点包括：NO_X与PM颗粒，以及SO_X。通常情况下，NO_X、PM、SO_X三种物质在柴油机燃烧期间释放出后，有不同的控制排放的措施来减少有害物质的排放。

2.3.1 SO_X的排放控制

柴油机在进行燃烧的过程中，全部燃烧结束后硫化物成分逐渐形成SO₂和SO₃，燃料的含硫量和SO_X的生产量是呈正比例的关系，所以燃烧的硫越多，产生的硫化物也越多。因此，SO_X的硫化物的生成占比，完全由燃烧中硫的含量来决定，要想降低含有的SO_X必须做的就是降低燃烧前、中、后所含有物质的硫的成分。一般情况下降低硫含量大致有三种不同的方法。第一种是使用馏分油、天然气、生物燃料等含硫化物成分较低的物质作为燃烧材料。生成SO_X后处理的技术也有三种，分别是干法、半干法和湿法烟气脱硫技术。一般情况下，我们在船上选用的柴油机系统中，使用较多地是海水洗涤技术来处理硫化物。海水洗涤技术较为复杂，分为很多种步骤，其中关键的是利用海水技术将海水里的抗硫化物质的吸附性，把硫化物吸附后排入海水中。整个过程不需要其他化学药剂，使用成本低，产生的硫酸盐是海水的成分之一，因此对海水无二次污染。但是，排放过程较为复杂，部分过程需要人员手动参与，所以在今天依旧存在一些技术上的漏洞需要改进。

2.3.2 NO_X的排放控制

一般情况下针对NO_X排放的三种不同形式，通常有三种不同的控制NOx排放的方法，燃料预处理，柴油机结构的改进和改进以及废气的后处理。其中，燃料预处理包括使用低氮燃料和燃料乳化；柴油机结构的改进和改造方法包括喷射器结构的改进和正时控制，缸内注水技术（DWI），排气再循环（EGR），净化空气的加湿，CASS技术和湿空气动力系统等；废气的后处理方法包括选择性催化还原法，吸附还原催化剂和碳纤维负载低压技术。因为NO_X的排放控制较为重要，因此下面对NO_X的排放控制中几点典型处理方法进行分析叙述。

• 湿空气动力系统（HAM）。 湿式空气动力学系统是降低NO_X排放量的一个关键的方式，具体原理是用湿气进气后降低了缸内燃烧的最高温度，因而降低温度以后，逐步取代了增压空气冷却器，并且达到了预设的效果。以瑞典ME公司的一台6000千瓦采用湿空气动力系统的中速柴油机系统为例，这台柴油机在运转时在没有启动HAM之前与启动HAM之后的硫化物的排放量相差了74%。这个效果可谓是十分显著。
• 燃油乳化系统。燃油乳化技术是充分利用了超声波和机械搅拌的技术，这样水就可以预先与燃料乳化油滴混合。二者在柴油机内部破碎成小颗粒，产生了“微爆”现象，这个现象是由于乳化的油喷入了高温燃烧室，导致产生了大量热量进而形成该现象。油滴改善了燃烧过程，在这个过程中水发挥了吸收热量和稀释的作用，因此完美地降低了燃烧温度，进而使柴油机NO_X的排量下降。
• 废气循环利用法（EGR）。废气再循环是从柴油机排放的一部分废气，经过冷却和过滤后再引入进气管，从而降低了燃烧前 汽缸的氧气含量。它所运用的原理是废气中含有的大量水蒸气和二氧化碳，这两种物质产生出的一系列反应可以把温度降低，从而让温度达到减少NOx排放的效果。

2.4 本章小结

本章对柴油机中主要污染物以及污染物所造成的危害进行了分析后，主要对柴油机排放污染物的成分、污染物的生成机理进行了分析，通过分析得知柴油机废气排放污染的主要来源是NO_X和硫化物，其中NO_X占总体废气污染物排放的比重更大，但硫化物的危害更大且更容易形成，在对柴油机节能减排技术研究中，应主要针对其中这两种主要排放污染物进行处理来，为后续章节的节能技术实施运用奠定了基础。

•  节能减排技术的运用与分析

现阶段，我国船舶柴油机的节能减排技术已取得一定成效，并且在航行的船舶中得到一部分的运用，取得的效果还是十分显著的。但目前仍有技术难点还未突破，部分技术还存在着一些欠缺，需要我们加以改进和分析。因此本章对正在使用的节能技术的优缺点分析，并在此基础上在进行对比分析。

3.1 节能减排技术的发展难点分析

通过第二章分析可知，船舶柴油机燃烧产生的主要有害气体为硫化物，氮氧化物、碳氧化物和一氧化碳等。另外，柴油机的燃烧是有周期性的，燃烧的过程中包含了进气和排气相应的过程，这就使柴油机燃烧室内有很好的冷却和传热的功能，使联系燃烧的燃气轮机相比柴油机的汽缸燃烧温度更高，效果也更好。为了燃烧过程有良好效果，柴油机燃烧难免会存在一些空气，这也就导致了氮氧化合物形成。根据氮氧化物的排放机理可知，燃烧速度的降低和燃烧温度的下降，有利于减少污染物的排放，但不利的是会失去燃烧经济性。目前，比较成熟的技术是电控技术，预先给船舶柴油机设置两种模式，分别是经济优先型和排放优先型。海洋环境的时候采用经济性优先模式，但由于燃油经济性的减少，导致了运行时间不是很长，所以影响不是很大。但这些模式需要控制二氧化碳的排放，因为是经济性，所以二氧化碳排量增大，由此可见这种模式不适合长久使用，所以要想更好的节能减排，需要对节能减排技术进行更深层次的优化。

3.2 现有的节能减排技术

目前正在使用的技术种类繁多，可将其分为三大类，分别为经济航行技术、柴油机内部技术和柴油机外部技术。

3.2.1 经济航行技术

经济航行技术是指航行中船舶的航行速度与柴油机燃烧运行的燃油消耗量之间的函数关系来得出的一个最佳的船舶航行速度，使用经济航行技术可以最大的降低燃油功耗，减少柴油机的燃烧频率，进而实现节能减排。

燃油消耗的管理是柴油机节能减排的一项重要工作，只有全面掌握住航速与燃油消耗存在的关系，才能根据船舶的各种因素，确定出一个最好最优的航速，保证其具有最好的经济效果，进而提高船舶航行的经济效益。为了更好实现节能减排，一般船舶在航行的过程中的经济航速，是船舶航行速度的有效控制，也是经济和技术的综合反映。船舶在航行的过程中，一般根据任务的重要程度，来适当把船舶调整到合适的航速。在一个任务允许的范围内，适当的降低航速，可以明显地降低燃油的消耗量，也就达到一定的节能减排效果。以降低船舶航速的10%为例，根据实际情况，主机的功率大会下降27%-30%左右，燃油的排放也会降低20%左右。如果把船舶航速降低了20%，则主机功率会下降50%左右，燃油消耗量将减少35%左右。如下图1所示。从下面中我们可以比较清楚地看到，如果在航行时采用了经济航速的方法，会将燃油的消耗大幅降低，但由于柴油机长期处于低速运转状态，会出现很多偏离设计工况的情况出现，例如柴油机出现扫气不足，产生燃烧过于强烈，加剧了柴油机各部件的磨损。为了防止柴油机工作在该工况下，一般将柴油机的燃烧节点设置到降低航速的10%左右最为理想。^[2]

图1 船舶航速与燃油消耗率指标图

选用经济航速的同时，要保证好船舶柴油机运行期间的日常维护保养，根据经验丰富的船员得知，维护保养过程中，要对柴油机各缸的提前角进行相应的调整，让其处于一个最佳的供油位置；定期调整柴油机的气阀间距，保证其进气和排气系统的畅通；定期调整供油定时并检查喷油压力，要确保在一定的范围内；燃烧室内各个组件的间隙要定期查看，保证柴油机润滑系统的通常，保证传动效果和操作系统性能良好，以便更好地提高机械效率，节约油耗。

3.2.2 柴油机内部技术

（1）电控高压供轨燃油喷射技术：

电控高压共轨燃油喷射技术的原理是通过高压油泵建立燃油压力，使用一个共轨管道进行燃油蓄压，共轨管具体可参考如下图2。燃油喷射的控制是利用压电晶体操作器和高速泄油电磁阀组成的。目前，通过对电控高压共轨技术的实施，逐渐可以实现喷油过程和供油过程的独立，使喷油压力一直受到容积式往复泵脉动式供油的影响得以改善，燃油的喷射也更加精准，燃烧过程得到了改善，燃烧效率得到了提高，排放也就减少了。最近几年，共轨技术的不断优化发展，共轨的结构在也得到了不同程度地优化，特别是在共轨管上面做出来的很大调整，蓄压器代替了共轨管并完成了蓄压系统内部的工作，现在船舶柴油机大多都沿用这种类型的共轨技术。^[3]

• 排气回放技术

排气回放技术（EGR）是改善柴油机冷启动性能和减少碳氧化合物生成的重要措施，它的原理是利用柴油机利用柴油机部分排气回放入进气空气中来提高进气温度，从而达到预期效果。EGR技术在节能减排中的正常使用，可以更好地将排放的空气进行收集，然后将其直接输送到进气口，将氧气进行很好地释放，进而使大量的热容可以存放在气体内部，在后续温度得以释放以后，烟气温度的参数也就得到了很好地控制，进而消除了氮氧化物的存在，带来的不利影响是柴油机燃烧效率会下降。该技术近年来也在不断改进中。

（3）水利用技术

有3种使用水的方法：使用乳化油，直接向燃烧室喷水或向空气冷却器喷水。随着柴油机的增压度的增加，压缩机出口的温度也升高，并且对于高增压柴油机而言，通过喷水冷却增压空气的效果更好。水汽化的吸热能延迟燃烧速率，降低最高燃烧温度，并减少产生的氮氧化物的量。同时，汽化后的膨胀功能可以部分地在汽缸和增压涡轮中实现，因此对燃油经济性影响很小。这是柴油机节能减排的重要措施。711研究所对过量喷射水对高压柴油机燃烧过程的影响进行了实验研究，并完成了电控喷射系统地研究分析和系统设计。注水试验是在小型柴油机上进行的。当水与油的质量比达到1：1时，氮氧化物的排放量减少了约75％，涡轮增压器压缩机的压力比增加了约5％，显示出提升的功能。大量国外研究报告也产生了类似的结果。所需的水可利用柴油机冷却水的热量通过海水淡化方法制取。^[4]

（4）涡轮增压技术

涡轮增压技术是一种提高柴油机进气能力的技术。涡轮增压的主要目的是在于提高发动机的进气量，从而使柴油机的功率和扭矩得到提高，一定层面上减低了污染物的排放量。但是，传统的柴油机存在极大缺陷，因为涡轮机依赖转速，因而柴油机在低水平作业下，涡轮增压无法到达最大的工作效率，因此使机体内的空气量受到了限制，最终导致燃料无法充分燃烧。涡轮增压技术通过对柴油机在各种条件下的速度和负载进行自动喷射后，可以快速而又高效地完成压缩空气量的匹配，这样就很好地解决了传统发动机出现的发动负荷过大的问题。进而收获到最大的工作效率，也提高了燃烧质量，节约能源。如果以8000HP的船舶为例，采用涡轮增压技术后，8000HP的船舶每小时能节省至少27kg的燃油。如果每个船舶都安装了涡轮增压技术后，每年可以减少790万吨的污染物排放，这个数字之大着实令人惊叹。

3.2.3 柴油机外部技术

（1）新型节能燃料技术

植物油，天然气，酒精燃料，氢气和燃料电池等是比较常用的一些新型节能燃料。使用它们可以很有效地减少污染物的排放，因为使用的大多都是二次能源。双燃料发动机、天然气发动机和生物燃料发动机是目前正在开发中的新型燃料发动机机型。其中，双燃料发动机的优势是将LNC（液化天然气）与燃烧产生的重油进行交替。这种发动机与传统的发动机相比燃料混合得更加灵活，污染物的排量更低了。当燃料混合更加灵活的体现在输出功率中时，燃料模式就可以和气体模式来回切换。近年来，在瓦锡兰，MAN B＆W和其他柴油发动机巨头的推动下，全球双燃料发动机技术得到了迅速发展。在中高速发动机方面，已经实现了许多实际的船舶中得以应用。

（2）排气后处理技术

排气后处理一般是将燃烧结束后的尾气进行环保处理，可有利于减少污染物，先多用两种技术进行排气处理，分别为补集技术和催化剂技术。后者是利用反应物来有效处理氮氧化物，主要运用氨气来作为还原剂，该技术由于成本较高导致其使用范围受到一定限制。

3.3 节能减排技术应用效果

（1）燃烧质量

当燃烧进行时，在压力和产生的气体很容易被记录的情况下，可以给燃烧中的燃料提供良好的条件，此时燃烧会与燃料充分混合，燃烧的效率随之提高。如果在传统的设备系统燃烧下，压力不足或者气体混合均匀不足都会使燃烧不充分，燃料就会浪费严重，进而导致更加容易产出有害气体。

在充分利用了节能减排技术之后，柴油机的工作状态得到了彻底的改善，使柴油机的整体运行效率得到了很大提高，而且还能保证燃料燃烧更加充分，避免过多的燃烧中的氮氧化物的排放，气体排放变得更加合理。还能更好地控制柴油机产生的热量并且可以使用多次，以达到更好的能源利用目的。^[5]

（2）压力

对于压力方面的该变，最关键的部分在于是让压力的调节变得更加的灵活，不再统一的进行压力调节，从而让柴油机更方便管理。在使用了高增压技术之后，可以有效改善内部燃烧的情况，主要关键在于优化了压力参数，增加了压缩的成效，当气体进入工作缸体后，温度可以得到更好控制，燃烧变得更加充分，在压力调节的过程中使压力更加灵活，可以为内燃机的燃烧提供合理的压力，以控制温度。

3.4 本章小结

本章主要描述的是现阶段正在使用和已经使用的柴油机节能减排技术，并且将相关技术进行分类整理，并且简要分析了柴油机节能减排的相关难点，根据对难点的分析，总结出来后可以让我们可以更清晰地了解到节能减排技术的相关特点，让我们在今后的船舶航行中更加有效的去使用节能减排技术，在提高船舶柴油机的利用率的同时，可以针对船舶不同的航行环境做到针对性的节能减排技术的使用。

第4章  远洋及内河船舶节能减排浅析

现阶段，随着船舶节能减排技术的不断发展，柴油机的节能减排也在逐步完善。但节能减排技术针对某些特定场合的运用，还没有进行更加深入地研究。例如在船舶航行任务中，船舶航行在远洋，内河两种不同环境下所运用的技术应各不相同，做到一环境一方案。根据远洋环境和内河环境下的排放指标，给出各自合适的节能减排方案具有重要意义。

4.1 远洋船舶相关发展浅析

4.1.1 远洋船舶排放指标

现阶段的远洋航行船舶的排放指标基本是参照国际船舶法规IMO法规和MARPOL公约中的相关指标来执行，其中，MARPOL公约对远洋船舶NO_X的排放有具体的限制：在MARPOL73/78附则Ⅵ第三章第十三条条例中规定了船舶柴油机氮氧化物的排放限量值。此条例一共有三个阶段，TIERⅠ是在1997年版的附则Ⅵ中修订的，TIERⅡ/Ⅲ在2008年附则Ⅵ的修订案中有规定，最新的附录Ⅵ管理要求详细见下表。其中Ⅰ阶段的标准适用于2000年1月后至2011年1月前的柴油主机或者1990年1月后至2000年1月前5000kW以上的柴油机。Ⅱ阶段标准适用于2011年以后的经过大改造的柴油机标准。Ⅲ阶段适用于2016年以  后的船用柴油机。

《船舶防污染公约》附录Ⅵ中的NO_X排放限值如下表1所示：

表1 《船舶防污染公约》附录Ⅵ中NO_X的排放限定值

阶段	实施日期	NOX限定值
		n<30	130<=n<2000	n>2000
Ⅰ阶段（TIER Ⅰ）	2000	17	45*n-0.2	9.8
Ⅱ阶段（TIER Ⅱ）	2011	14.4	44*n-0.2	7.7
Ⅲ阶段（TIER Ⅲ）	2016	3.4	9*n-0.2	1.96

另外，MARPOL公约对远洋船舶SO_X排放的要求同样严格，根据MARPOL73/78附则Ⅵ第三章中第十四条规定，从2012年1月起从最高的45000ppm降低到35000ppm。到2020年1月缩小到5000ppm。在IMO组织管理的排放控制区内，硫化物排放的标准更加严格，排量为1000ppm-10000ppm之间。

4.1.2 远洋船舶适用技术

根据在4.1.1中现在远船舶航行时的排放标准得出，在远洋船舶航行时，因为航速任务远，任务较重，排放的氮氧化物和硫化物数量多，但MARPOL公约对其要求很严格，所以应优先采用的技术主要包括：

• 涡轮增压技术（VTA）。涡轮增压技术可以实现的小排量大功率，这种减排技术对远洋船舶是最有利的，因为鉴于远洋任务的要求，需要这种排量不大，却功率很大的效果，因而保证在不违背防污染公约的前提下，也能最快速度的完成航行任务。以目前航运中使用的8000HP船舶为例，在远洋中使用涡轮增压技术，可以在每小时节约大致27kg的燃油，在远洋的长途航行中，一次航行任务中可以节省的燃油可达到万吨左右，从而因为燃油的减少，污染物的排放也随之减少。

4.2 内河船舶相关发展浅析

4.2.1 内河船舶排放指标

根据我国2000年9月颁布实行了《中华人民共和国大气污染防治法》，国家对排放的气体污染有明文的法律规定，国家海事局针对这项法律，颁布了我国内河船舶排放标准相关制度，内河的排放标准由《内河船舶法定检测技术规则》、GB20891《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》和GB15097《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》，并且参照部分IMO的相关规定来最终完善指标。虽然现在我相关部门颁布了各类船舶柴油机排放的标准，但由于这些标准大多属于行业标准，所以没有太大强制措施，所以实际上我国对船用柴油机的排放没有严格管理，所以只能根据相关规定拟定下表2作为标准以供下文参考研究。

表2 拟内河船舶柴油机排气污染物限值

船机类型	单缸排量（SV）（L/缸）/	CO	HC+NOX	PM	SO2
	额定净功率（P）（kW）	g/(kW·h)	g/(kW·h)	g/(kW·h)	g/(kW·h)
第一类	SV< 0.9，且P≥37	5.0	7.5	0.40
	0.9 ≤ SV< 1.2	5.0	7.2	0.30
	1.2≤ SV< 5	5.0	7.2	0.20
	5≤ SV< 15	5.0	7.8	0.27	1.5
第二类	15≤ SV< 20 且P <3300	5.0	8.7	0.50
	15≤ SV<20 且P ≥3300	5.0	9.8	0.50
	20≤ SV<25	5.0	9.8	0.50
	25≤ SV<30	5.0	11.0	0.50

4.2.2 内河船舶适用技术

由4.2.1所拟定的内河船舶柴油机排气污染物限值表中，与4.1.1中的远洋NO_X排放表和SO_X排放的相关指标进行对比后发现，内河船舶排放标准中对NO_X的排量要求明显低于远洋船舶的要求，针对这个特点，我们可以采用的节能减排技术有：

1. 排气回放技术（EGR）。EGR技术作为一项十分高效的节能减排技术，在远洋船舶中广泛使用，在内河船舶中的使用也十分频繁，因为在内河航行时NO_X的排放量更大，运用EGR技术可以很好地控制NO_X的排量，以做到节能减排的要求。在内河中航行的船舶鉴于国内船舶污染物排放的相关规定，使用EGR技术可以很好的控制污染物的排放，因而在短路程的航行任务中，可以得到最低的污染物排放。
2. 水利用技术。运用这项技术是基于生成燃油乳化系统，通过柴油机的增压度的增加，压缩机出口的温度也升高，并且对于高增压柴油机而言，通过喷水冷却增压空气的效果更好。水汽化的吸热能延迟燃烧速率，降低最高燃烧温度，并减少NO_X的排放量。
3. 新型节能燃料技术。目前，内河船舶多使用双燃料发动机，运用LNC于重油进行交替的方式，将两种新型燃料交替混合后产生的新型节能燃料进行燃烧使用，这种燃料排放的污染物含量更低，不仅符合内河航运的法律法规，也利于在短途航行任务中节约能源。现在国内很多企业生产的中高速柴油机已经普遍采用这项技术。

4.3 本章小结

本章主要是对现阶段的节能减排技术在远洋和内河航行中的不同使用做出的简单的分析。根据对远洋和内河排放标准的不同总结出适合于远洋或内河航运时所运用的节能减排技术，根据研究结果更加针对性地对航行中的船舶选择更加合理的柴油机节能技术，以实现目前一直践行的绿色可持续发展的目标。

第5章 总结与展望

5.1 总结

本文以船舶柴油机节能减排技术为主要研究对象，通过对船舶航行中排放的污染物、有害气体的成分和生成机理，以及对现有的节能减排技术进行归纳整理，在阅读了大量最新的参考文献和一些相关法律法规的基础上，对远洋和内河不同的航行环境所可用的节能减排技术做出了简单的分析，结合节能减排技术目前的发展趋势得出如下总结：

1. 柴油机废气排放污染的主要来源是NO_X和硫化物，其中NO_X占总体废气污染物排放的比重更大，但硫化物的危害更大且更容易形成，在对柴油机节能减排技术研究中，应主要针对其中这两种主要排放污染物进行处理。
2. 我国的柴油机节能减排技术仍然处于初期发展阶段，技术水平和实施推广还不够完善，节能减排意识的还不够高。
3. 内河船舶与远洋船舶航行时还不能针对性地使用合适的节能减排技术，导致内河和远洋环境不同排出的有害物体含量相差明显。

5.2 展望

现根据上述总结，做出一些展望：

1. 我国现阶段应加大立法和监管制度，在船舶柴油机中广泛推广节能减排技术，以控制燃油排放污染，提高燃烧效率。
2. 在节能减排期间不能一味追求技术而忽视人为因素，在科技节能发展的今天也要加大对船用节能减排意识的培养。

3、针对航行的环境，在远洋和内河航行中提高针对性的节能减排策略，使用正确又高效的节能减排方法，更有利于船舶的航行。

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