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船舶柴油机颗粒物排放特性及其控制技术研究

周金喜  
【摘要】:船舶柴油机排放的颗粒物对近岸大气环境和人类健康的危害正逐步受到关注,国内外对船舶颗粒物的排放也提出了更高的要求。对船舶柴油机颗粒物排放特性的研究是正确认识颗粒物生成机理和满足排放法规的基础,也为选择合适的船用燃料及颗粒物控制技术提供科学依据,而对后处理技术的研究是减少颗粒物排放满足排放法规的保障。本文以船舶柴油机为研究对象,选取满足硫含量限制值要求的燃油,基于台架实验从燃油性质和柴油机类型、颗粒物粒径分布、化学组分及毒性等方面深入系统地研究了排放颗粒物的理化性质,对比研究了颗粒物控制技术,并通过理论计算得出船舶废气洗涤器对颗粒物的去除效果及其影响因素,本文主要内容如下:(1)船舶四冲程柴油机燃用普通柴油(LSDF,0.1%m/mS)和配置的高硫柴油(HSDF,3.09%m/mS),船舶二冲程柴油机燃用低硫重油(HFO,0.5%m/mS),利用台架实验,研究了柴油机颗粒物数量和质量排放及粒径分布特征,并基于质量法研究了颗粒物的挥发性。研究表明,不同类型的船舶柴油机燃用不同燃油时排气颗粒物数量浓度曲线呈多峰分布,但其数量浓度模态分布有所不同,燃用普通柴油的四冲程柴油机排放颗粒物数量主要集中于核模态,而燃用重油的二冲程柴油机颗粒物数量则主要集中于积聚模态;燃油硫含量的降低可以降低总颗粒质量、数量排放及挥发性成分的比例,而小粒径颗粒物挥发性最高;相对于高硫含量普通柴油,燃用低硫重油排放的颗粒物仍然较高,这主要与重油的性质有关。(2)研究了燃油硫含量、燃油质量、柴油机类型、运行工况和动力学粒径等对排放颗粒物主要化学组分的影响,主要组分包括有机碳(OC)、元素碳(EC)、离子、元素、多环芳烃(PAHs)以及烷烃等。结果表明,船舶柴油机排放的颗粒物中有机碳高于元素碳,燃用重油的二冲程柴油机颗粒物排放中此特征尤为明显,同时颗粒物中含碳物质等主要成分存在着明显的粒径分布特征;低硫轻质柴油对颗粒物排放的抑制效果主要表现为有机碳和硫酸盐的减少;相对高硫轻质柴油,燃用低硫重油的二冲程柴油机颗粒物排放仍较高,起主导作用的是有机碳。颗粒物多环芳烃中以16种优控的多环芳烃的含量最高,又以三环和四环芳烃居多,颗粒物中还含有大量正构烷烃,碳数集中在20左右。基于毒性因子法评价得出了16种优控的多环芳烃的当量毒性浓度,其中五环PAHs当量毒性浓度所占比例最高,其次为六环和四环,而单体多环芳烃中苯并[a]芘茚并(BaP)贡献率最高,其次为二苯并[a,h]蒽(DahA),小粒径颗粒物的当量毒性浓度最高;多环芳烃的粒径分布与有机碳具有一定的相关性。燃用重油的二冲程柴油机排放的颗粒态多环芳烃的当量毒性浓度远高于四冲程柴油机。此外,船舶柴油机排气中气态污染物与颗粒物及各组分之间存在一定的相关性。(3)通过实验和对比分析,研究了柴油机颗粒捕集器(DPF)、低硫燃油和洗涤器对颗粒物的减排效果。研究结果表明,DPF对于燃用普通柴油的船舶四冲程柴油机排气颗粒物的数量和质量都有90%以上的去除效率,且对积聚模态颗粒物的捕集效率高于核模态,此外DPF还可以显著降低船舶柴油机排气颗粒物化学组分的含量。燃油硫含量的减少和燃油质量的变优,可以降低颗粒物总质量排放,但对元素碳没有明显的减排效果,也并不能明显减少排放颗粒物的数量,甚至还会出现增加的趋势。而洗涤器不仅可以减少废气中的总颗粒物,而且对有机物、元素碳和多环芳烃也有较高的去除效果,洗涤器还可以明显抑制颗粒物的数量排放。(4)基于颗粒物的湿法捕集机理,建立了洗涤器捕集颗粒的数学模型,利用模型预测了洗涤器颗粒捕集效率,分析了洗涤器结构参数和操作参数对捕集效率的影响,得出喷淋室高度、捕集体液滴尺寸以及液气比是影响颗粒物捕集效率的主要因素。


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