船舶柴油机颗粒物捕集及再生试验.pdf

船 舶 与 海 洋 工 程年 第卷 第期（总 第期）收 稿 日 期：基 金 项 目：上 海 市 军 民 融 合 发 展 专 项 资 金（）作 者 简 介：涂 世 恩，男，工 程 师，硕 士，年 生。年 毕 业 于 上 海 海 事 大 学 轮 机 工 程 专 业，主 要 从 事 船 舶 排 气 后 处 理装 置 研 究。：櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯殯殯殯 轮 机 与 辅 机船 舶 柴 油 机 颗 粒 物 捕 集 及 再 生 试 验涂 世 恩，沈腾，郭 明 山，冀 青 鹏，李悦，李 晓 波（上 海 船 用 柴 油 机 研 究 所，上 海）摘 要：颗 粒 物 捕 集 器（，）是 应 对 柴 油 机 颗 粒 物（，）排 放 的 有 效 工 具，针 对 某 型 船 用 发 动 机，设 计和 不 同 的再 生 方 式，对的捕 集 效 率 和 再 生 性 能 进 行 试 验 测 试。结 果 表明：该 型对 船 舶 柴 油 机 在 不 同 工 况 下 的排 放 均 有 较 高 的 捕 集 效 率，达 到以 上，但 会 造 成 柴 油 机 排 气 背压 和 油 耗 升 高；采 用 贵 金 属 催 化 剂 和 非 贵 金 属 催 化 剂 涂 层 均 可 降 低的 纯 被 动 再 生 活 性 温 度，实 现 有 效 再 生，但贵 金 属 催 化 剂 结 合 抗 硫 涂 层 的 耐 硫 性 能 优 于 非 贵 金 属 催 化 剂；采 用 燃 烧 器 主 动 再 生 装 置 提 高 柴 油 机 烟 气 温 度 可 有效 实 现再 生，再 生 效 率 和 再 生 程 度 较 高。根 据 试 验 结 果 对 船 舶 柴 油 机 匹 配及 其 再 生 系 统 提 出 建 议，为的 实 船 应 用 提 供 参 考。关 键 词：船 舶 柴 油 机；颗 粒 物 捕 集；再 生 性 能；台 架 试 验中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：（）（），：；引言近 年 来，船 舶 颗 粒 物（，）污 染 引 起 了 国 际 社 会 的 广 泛 关 注，相 关 国 际 组 织 和 各 国 相 继制 定 了 不 同 的 船 舶排 放 法 规，我 国 生 态 环 境 部 于年月日 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）（），对 船 机排 放 进 行 限 制。颗 粒 物 捕 集 器（，）是 目 前 国 内 外 公 认 的 最 有 效、应 用 最 广 泛 的 柴 油 机排 放控 制 器。主 要 通 过 碰 撞 吸 附、惯 性 拦 截、扩 散 拦 截 和 重 力 沉 降 等 过 程 实 现 对的 捕 集。随 着中集 聚 的不 断 增 多，会 逐 渐 增 加 柴 油 机 的 排 气 背 压，需 及 时 清 除载 体 内 的，该 过 程 称 为再 生。再 生 可 分 为 主 动 再 生 和 被 动 再 生种，其 中：主 动 再 生 是 利 用 外 界 给 予 的 能 量，在 高 温 条 件 下 使内的燃 烧，达 到 再 生 的 目 的；被 动 再 生 是 在载 体 表 面 涂 覆 催 化 剂，以 降 低 碳的 氧 化 温 度，实 现 再 生。的 捕 集 效 率 和 再 生 性 能 对 柴 油 机 的 正 常 运 行 有 关 键 性 影 响，本 文 在 柴 油 机 试 验 台 架 上 对的捕集 效 率 和 不 同 形 式 的 再 生 方 案 进 行 测 试，为的 实 船 应 用 提 供 参 考。试 验 装 置 及 方 法 试 验 装 置图试 验 台 架试 验 台 架 见 图。试 验 用 发 动 机 为 某 船 用型 直列 增 压 中 冷 柴 油 机，其 排 气 管 道 上 布 置 有 烟 气 换 热 器、反应 器、温 度 传 感 器、压 损 传 感 器 和 烟 气 取 样 口。烟 气 换 热器 能 实 现 对 柴 油 机 烟 气 温 度 的 调 节，在 进 行性 能 试验 时，首 先 调 低 烟 气 温 度，以 进 行碳 载，随 后 逐 渐 升高 排 烟 温 度，以 进 行 再 生 性 能 试 验。反 应 器 内 部 布 置 有主 动 再 生 燃 烧 器 的 烧 嘴 和载 体，反 应 器 本 体 上 安 装有 导 门，可 对 不 同 型 号 的载 体 进 行 更 换。压 损 传 感器 取 样 口 布 置 在 反 应 器 两 端，在 试 验 过 程 中 根 据 反 应 器的 压 损 判 断载 体 表 面 碳 载 量 的 变 化。试 验 设 备 的 规格 参 数 见 表；工 况 下 柴 油 机 的 排 烟 参 数 见 表，其 中为 总 碳 氢（）。表试 验 设 备 的 规 格 参 数设 备 名 称型 号规 格发 动 机额 定 功 率 为，额 定 转 速 为 测 控 系 统电 涡 流 式油 耗 仪称 重 式压 损 传 感 器 量 程 为 ；精 度 为 排 气 采 样 仪 部 分 流 稀 释 采 样称 重 天 平 量 程 为 ；分 辨 率 为 颗 粒 称 重 室国 产表 工 况 下 柴 油 机 的 烟 气 参 数参 数烟 气 流 量（）占 比 占 比 占 比 占 比 占 比 数 值 载 体 及 再 生 方 式载 体 及 催 化 剂 的 规 格 参 数 见 表，其 中：前种 方 案 为 被 动 再 生；第 四 种 方 案 为 燃 烧 器 主 动 再 生。）第 一 种 方 案 为（）方 案，和的 材 质 分 别 为 堇 青 石 和 碳 化硅，其 中表 面 覆 有 贵 金 属 涂 层，布 置 在的 烟 气 上 游。涂 层 可 降 低 排 气 中氧 化 反 应 的活 化 能，在的 作 用 下 被 氧 化 为。新 生 的具 有 很 强 的 氧 化 活 性，可 使载 体 中 捕 集 的在涂 世 恩，等：船 舶 柴 油 机 颗 粒 物 捕 集 及 再 生 试 验一 定 的 温 度 下 发 生 氧 化 反 应，实 现再 生，具 体 过 程，为 （）（）该 方 案 要 求 柴 油 机 使 用 无 硫 的 柴 油，否 则 催 化 剂 会 因 中 毒 而 失 去 活 性。此 外，该 方 案 对 排 气 中 的含量 也 有 要 求。表 载 体 及 催 化 剂 的 规 格 参 数序 号载 体 型 号表 面 涂 覆截 面 尺 寸（）长 度 载 体 材 质 孔 密 度 方 案 一 堇 青 石无 碳 化 硅方 案 二 抗 硫 涂 层 碳 化 硅方 案 三非 贵 金 属 成 分 碳 化 硅方 案 四无 涂 覆 碳 化 硅 注：；为 非 金 属 涂 敷 的的 代 称。）第 二 种 方 案 为 第 一 种 方 案 的 优 化，将 贵 金 属 涂 层 直 接 涂 覆 在载 体 上；同 时，为 提 升 催 化 剂 的 抗 硫性 能，在 催 化 剂 表 面 涂 覆 抗 硫 涂 层。）第 三 种 方 案 为 非 贵 金 属 方 案，非 贵 金 属 涂 层 为 活 性 涂 层，可 选 自 钒（）、钨（）、钛（）、铜（）和 铁（）等 元 素 中 的种 或 多 种。该 方 案 的 催 化 剂 涂 层 对 燃 油 的 硫 含 量 没 有 要 求，且 不 受 发 动 机 排 烟 中含量 的 影 响。）第 四 种 方 案 的载 体 无 催 化 剂 涂 层，用 于 开 展 燃 烧 器 主 动 再 生 装 置 性 能 试 验，燃 烧 器 设 计 的 烟 气目 标 加 热 温 度 为 。试 验 结 果 及 分 析 捕 集 效 率 及 其 对 柴 油 机 性 能 的 影 响图 捕 集 效 率 及 压 损 试 验 结 果对反 应 器 前 后 的排 放 进 行 取 样 测 量 分 析，同时 测 量反 应 器 的 压 损，试 验 结 果 见 图。从 图中 可看 出，柴 油 机 的 原 始排 放 在 各 工 况 下 均 较 高，在 （）以 上，远 高 于 法 规 限 值，且 低 工 况 下 的排 放 值大 于 高 工 况（工 况，工 况，工 况，工 况，工 况）下 的排 放 值，这 是 由 于 柴 油 机 高 负 荷 运 行时 燃 油 燃 烧 情 况 较 好，减 少 了 初 始 碳 烟 粒 子 的 形 成。柴 油机 加 装之 后，排 放 值 大 幅 度 减 小，不 同 工 况 下 的 减排 效 率 分 别 为、和，后 的加 权 比 排 放 值 为 （），满 足 国 内 法 规 的 要 求。同 时，从 图中 可 看 出，随 着 柴 油 机 负 荷 的 增 加，空 速 增 大，反 应 器 的 压 损 也 增 大，负 荷 工 况 下 的 压 损 最 高，为 ，对 应 的 空 速 值 为 。此 外，柴 油 机 在 加 装之 后 因 排气 阻 力 增 大，导 致 不 同 工 况 下 的 油 耗 率 变 大，测 得种 工 况 下 油 耗 率 的 增 加 比 例 分 别 为、和，油 耗 率 增 加 是 柴 油 机 排 气 背 压 增 加 造 成 燃 烧 室 残 余 废 气 增 加，缸 内 燃 烧 恶 化，燃 油燃 烧 效 率 下 降 导 致 的。纯 被 动 再 生 性 能 测 试，方 案 一、方 案 二 和 方 案 三 的 催 化 剂 再 生 平 衡 温 度 测 试 结 果 分 别 见 图、图和 图。船 舶 与 海 洋 工 程年 第期图方 案 一 的 催 化 剂 再 生 平 衡 温 度 测 试 结 果 图方 案 二 的 催 化 剂 再 生 平 衡 温 度 测 试 结 果图方 案 三 的 催 化 剂 再 生 平 衡 温 度 测 试 结 果 由 图可 知：当 温 度 达 到 时，反 应 器 压 损 继 续 增大，再 生 不 明 显；当 温 度 到 达 时，反 应 器 压 损 趋 于稳 定，此 时载 体 内 的 碳 颗 粒 集 聚 速 率 与 氧 化 再 生 速 率达 到 动 态 平 衡；当 温 度 继 续 增 加 时，反 应 器 的 压 损 开 始 下降，且 压 损 下 降 的 速 率 随 着 温 度 的 升 高 而 增 大。由 图可知：当 温 度 达 到 时，方 案 二 的 反 应 器 压 损 稳 定 之 后 开始 下 降；温 度 继 续 升 高，反 应 器 压 损 下 降 速 率 增 大，方 案 二的 再 生 平 衡 温 度 与 方 案 一 相 同，均 为。由 图可 知：当 温 度 达 到 时，方 案 三 的 反 应 器 压 损 稳 定，此 时 已 达到 催 化 剂 的 再 生 平 衡 温 度；当 继 续 增 加 温 度 到 时，反应 器 压 损 下 降，再 生 速 率 增 大。综 上，方 案 一 和 方 案 二 的 再 生 平 衡 温 度 为，方 案 三 的 再 生 平 衡 温 度 为，当 采 用 非 贵 金 属 催 化 剂 涂 层 时，的 再 生 平 衡 温 度 比 采 用 贵 金 属 催 化 剂 涂 层 低，非 贵 金 属 催 化 剂 涂层 的 活 性 更 优。为 测 试 方 案 二 中 的 催 化 剂 和 方 案 三 中 的 催 化 剂 对 燃 油 硫 分 的 耐 久 性 能，在 燃 油 的 含 硫 量 为 的 条 件下 对 这种 方 案 进 行 约 的 耐 硫 性 测 试，试 验 时 将 烟 气 温 度 依 次 调 至 低 温 和 高 温，进 行 碳 载 和 再 生 循 环测 试，每 个 循 环 中 再 生 工 况 结 束 的 依 据 为 反 应 器 的 压 损 降 至 最 小 值。由 试 验 结 果 可 知：在 方 案 二 和 方 案 三中，每 个 循 环 反 应 器 的 压 损 在 烟 气 温 度 较 高 时 都 出 现 下 降 现 象；在 试 验 后 期，当 反 应 器 压 损 下 降 值 相 同 时，方案 二 中 的 烟 气 需 保 持 高 温 的 时 间 增 加。这 表 明，随 着 运 行 时 间 的 增 加，方 案 二 中 催 化 剂 的 抗 硫 性 能 无 明 显 变化，方 案 三 中 催 化 剂 的 抗 硫 性 能 衰 减。图燃 烧 器 主 动 再 生 性 能 测 试 结 果 主 动 再 生 性 能 测 试图为 燃 烧 器 主 动 再 生 性 能 测 试 结 果。由 图可 知：前 柴 油 机 烟 气 温 度 较 低，反 应 器 的 压 损 一 直 增 大，随 后 烟 气 温 度 升 高 至 左 右，反 应 器 压 损 保 持 增 加；在约 第 时，开 启 燃 烧 器，烟 气 温 度 迅 速 增 加 至 约，反 应 器 的 压 损 快 速 升 高 之 后 急 剧 下 降，最 后 趋 于 稳定。压 损 升 高 是 由 于 温 度 突 然 升 高，烟 气 的 工 况 体 积 增 大导 致 流 速 增 加，造 成 烟 气 动 能 损 失 增 大；压 损 迅 速 下 降 是 由于 载 体 内 的在 高 温 下 氧 化 燃 烧，载 体 中 的 孔 隙 得以 贯 通，烟 气 的 流 动 阻 力 减 小。当 关 闭 燃 烧 器 并 将 柴 油 机的 烟 气 温 度 冷 却 至 与 试 验 开 始 时 相 同 时，反 应 器 的 压 损 也 降 至 碳 载 前 的 初 始 值，表 明载 体 表 面 的 积 碳 得到 了 有 效 再 生，再 生 程 度 彻 底。表为 不 同 方 案 的 再 生 速 率 对 比，其 中 催 化 剂 方 案 的 再 生 速 率 均 为 时 的 速 率。燃 烧 器 的 再 生 速率 最 高，与 催 化 剂 相 比 高 出个 数 量 级，高 温 条 件 为 碳 的 氧 化 反 应 提 供 的 活 化 能 较 高，反 应 速 率 较 快。在 催化 剂 涂 覆 方 案 中，的 再 生 速 率 高 于，这 是 由 于 表 面 涂 覆 有 贵 金 属 的布 置 于载 体 上涂 世 恩，等：船 舶 柴 油 机 颗 粒 物 捕 集 及 再 生 试 验游，通 过氧 化 生 产 的可 与载 体 中 的 积 碳 充 分 接 触 并 发 生 反 应，而的 贵 金 属 直 接 涂 覆 于载 体 表 面，氧 化 生 产 的与 积 碳 接 触 的 时 间 相 对 较 短，造 成 碳 的 氧 化 反 应 速 率 较 慢。此 外，载 体表 面 的 抗 硫 涂 层 也 可 能 对 碳 的 氧 化 反 应 速 率 造 成 影 响。采 用 贵 金 属 与 非 贵 金 属 催 化 剂 涂 覆 方 案 的 再 生 速 率相 差 较 小，催 化 剂 涂 层 的 再 生 速 率 略 高 于催 化 剂 涂 层 的 再 生 速 率。表不 同 方 案 的 再 生 速 率 对 比再 生 方 案方 案 一方 案 二方 案 三方 案 四再 生 速 率（）结语根 据 试 验 结 果，能 有 效 应 对 柴 油 机 的排 放，去 除 效 率 达以 上，柴 油 机 在 加 装之 后 的排 放 值 满 足 法 规 的 限 值 要 求；同 时，柴 油 机 加 装之 后 背 压 升 高，油 耗 略 有 增 加，增 加 量在以 下。载 体 涂 覆 贵 金 属 催 化 剂 和 非 贵 金 属 催 化 剂 之 后 均 能 在 较 低 的 温 度 下 实 现再 生，其 中 非贵 金 属 催 化 剂 的 活 性 温 度 范 围 低 于 贵 金 属 催 化 剂，且 其 再 生 速 率 略 低 于 贵 金 属 催 化 剂。然 而，贵 金 属 涂 层 结合 抗 硫 涂 层 对 含 硫 燃 油 的 耐 久 性 能 优 于 非 贵 金 属 催 化 剂。燃 烧 器 主 动 装 置 对载 体 中 的 积 碳 的 再 生 速 率较 高，相 比载 体 表 面 涂 覆 催 化 剂 的 纯 被 动 再 生 方 式 高 出个 数 量 级。由 以 上 分 析 可 知，船 舶 柴 油 机 采 用能 有 效 去 除 烟 气 中 的，而的再 生 可 根 据 柴 油 机 排 气特 性 的 差 异 采 用 不 同 的 方 式 实 现。对 于 船 用 低 速 柴 油 机，由 于 排 气 温 度 通 常 在 以 下，且 燃 料 中 含 有硫，建 议：采 用载 体 结 合 燃 烧 器 或 电 加 热 器 等 其 他 能 提 高 烟 气 温 度 的 主 动 再 生 装 置，将 柴 油 机 的 烟 气 温度 提 升 至 以 上，使 积 碳 燃 烧 氧 化，实 现再 生；采 用载 体 表 面 涂 覆 贵 金 属 催 化 剂 和 抗 硫 涂 层，同时 装 配 加 热 装 置，提 高 烟 气 温 度 至 以 上，实 现再 生。对 于 船 用 中 高 速 柴 油 机，由 于 其 排 气 温 度 较高，可 直 接 采 用 涂 覆 催 化 剂 的 纯 被 动 再 生 方 式，且 有：当 柴 油 机 的 燃 料 中 不 含 硫 时，可 采 用 的 方 式实 现 纯 被 动 再 生，同 时 保 持 较 高 的 再 生 速 率；当 柴 油 机 的 燃 料 中 含 硫 量 低 于 时，可 采 用载 体 表 面涂 覆 贵 金 属 催 化 剂 和 抗 硫 涂 层 的 方 式 实 现 纯 被 动 再 生。【参考文献】犤犦 中 国 国 家 环 境 保 护 部，国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局船 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）：北 京：中 国 环 境 科 学 出 版 社，：犤犦 张 韩 西 子，刘?昊船 舶 柴 油 机 颗 粒 物 排 放 控 制 技 术 研 究 进 展 舰 船 科 学 技 术，（）：犤犦 周 松，肖 友 洪，朱 元 清内 燃 机 排 放 与 污 染 控 制 北 京：北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社，：犤犦 胡 俊，孙 平颗 粒 捕 集 器 捕 集 效 率 及 对 柴 油 机 性 能 影 响 的 研 究 机 械 设 计 与 制 造，（）：犤犦 邹 莉重 型 柴 油 机的 加 载 及 再 生 性 能 的 数 值 模 拟 大 连：大 连 理 工 大 学，：犤犦 黄 铁 雄，胡 广 地，孟 忠 伟，等面 向 控 制 的再 生 效 率 建 模 和 试 验 研 究 汽 车 工 程，（）：犤 犦 王 可 欣非 贵 金 属催 化 剂 催 化 氧 化 碳 烟 的 低 温 活 性 及 抗 硫 性 能 研 究 大 连：大 连 理 工 大 学，：，犤犦 李 路，孟 忠 伟，陈 超，等 再 生 性 能 的 试 验 研 究 车 用 发 动 机，（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥毣毣毣毣加 快 推 动 海 洋 装 备 产 业 转 型 升 级着 力 提 升 产 业 链 供 应 链 现 代 化 水 平船 舶 与 海 洋 工 程年 第期