瓦 锡 兰
减少排放的海洋技术1
Heinrich Schmid2和German Weisser3
瓦锡兰瑞士公司，温特图尔（瑞士北部城市）
概要
废弃排放的控制主要通过船舶的设计和运行的优化。也就是说，船舶作为整个运输系统的一部分，主要通过优化船舶设计和操作达到最佳来控制废气的排放。本文综述了船舶设计和运行中的几个方面对船舶排放水平的影响。
本文还概述了各种可用的技术，正在开发或已经在使用低速二冲程船用柴油机有限，进一步降低尾气排放产生有益的影响。这些包括低NOX优化，电控共轨系统（Sulzer[瑞士品牌,世界著名的工业集团]RT-flex发动机），与废气再循环水直接注入，通过选择性催化还原技术（SCR）。一个新的总热回收的概念提供了一个路线：显著下降总体排放量，包括二氧化碳（二氧化碳）。
对硫氧化物的排放（SOX），本文也涉及有关低硫燃料在低速二冲程船用柴油机应用的一些方面。
引言
大气排放一直是政治和航运界多年来的一个重大课题。然而最近，气候已经从局部污染的问题逐渐演化成为了一个“全球变暖”的主题。
陆路运输和发电的废气排放量已经严格地规定到了非常低的限制，从而大大减少了排放量。相比之下，航运业还没有受到很大的影响，事实上，在绝对条件下的排放量正随着海上贸易的增长而上升。运输消耗全球石油消费的5% [1,2]，导致约1257万吨/年的全球氮氧化物的排放量，约1054万吨/年的全球SOX的排放[1]。
在美国，港口被认定为主要污染源。仅在洛杉矶，港口每天排放约31.5吨的氮氧化物，相当于650000辆汽车的氮氧化物排放量[3]。
显然，航运业将会定制更严格的空气污染管制条例。然而，还不知道哪种气体的排放量比较于以前将会被调整规定。
关于“温室气体”（主要是二氧化碳）的京都议定书于2005年2月16日生效。国际海事组织，作为负责航运的责任主体，已经在处理这一问题。在这方面，据报道，世界航运每年产生约4亿3800万吨的二氧化碳，相当于全球二氧化碳排放量的1.8%[4]。
船舶行业是造成大气污染的第一大因素，体现在国际海事组织通过了MARPOL 73／78公约附则VI，并将生效2005年5月19日。除了全球规范对NOX排放和燃油硫含量的上限，MARPOL附则VI还规定减少对指定的SOX排放控制区SOX的排放限制的规定（SECA）。
船用发动机，自2000年1月以来，一直依照这个附件中NOX的法规制造。结果，自那天起，船上少了25%到30%的氮氧化物排放量相比较于前一代的船。
在欧盟和其他国家的官员和政客们已经在讨论第一部的延伸和其他该介绍。
但我们必须记住，尽管航运对全球排放量的巨大影响，但航运是最有效的形式的货运，我们依赖于它的国际货运运输。航运业运输货物产生的排放物虽然以吨-千米为单位，但相比于飞机、公路和铁路的排放量还是要低得多。
在过去的几十年中，航运业已经取得了显着的改善，主要体现在发动机的燃油效率和船体设计，现在使用更大的货物承载能力的船舶。其结果是减少燃料消耗和废气排放。例如，考虑集装箱运输的发展。
在1972年，最先进的就是“利物浦湾”级集装箱轮OCL。它携带2300TEU以26节航速航行。它们每个都有双螺杆推进的59664千瓦的推进动力。一个这样的汽轮机厂典型的燃料消耗量大概是270克/千瓦时，相当于242g/TEU-mile的排放量。
目前一种典型的超巴拿马型集装箱轮运送8000箱，由Sulzer 12rt-flex96C共轨柴油发动机68680千瓦的最大连续功率驱动。它有25节航速在90%的效率下，油耗在166.8g/kWh。这个结果减少了51.5g/TEU-mile燃料消耗。
因此，与30年前相比，15年后的“利物浦湾”，现代船舶的运输量大约是原来的248%。运输效率的增益，从汽轮机厂低速柴油机的变化相结合，多年来在发动机的效率收益（减少15%的油耗的发动机苏尔寿型1974年的发动机类型，在rt-flex96C Sulzer）标箱英里的油耗降低到了21%，相比较于在30年前的国际空气会议中提出的指标。
这2艘船的排放量并不是真正可比的，作为蒸汽厂排放控制的唯一形式是一个“明显的排气，而新的船舶符合国际海事组织规定的氮氧化物排放量。然而，减少废气排放量将大致相当于减少燃料消耗，因为许多类型的排放量的燃料消耗量成正比。
船舶废气排放
从船用柴油机尾气排放包括以下几组：
bull;NOX（氮氧化物）
这些都充分体现在MARPOL公约附则VI下73/78。它们主要涉及发动机的燃烧过程，但有些是来源于燃料中的氮。
bull;SOX（硫氧化物）
虽然部分监管的73/78 MARPOL公约附则VI，他们被看作是一个局部问题，在这个调控，它们完全依赖于燃料的硫含量。
bull;烟
这是当地的规定。它与发动机的过程有关。
bull;CO2（二氧化碳）
这是一个全球性问题，是一种“京都议定书”下的“温室气体”，但目前还不规范。这是在国际海事组织的CO2排放问题是燃油量烧成正比。
bull;HC、CO、颗粒物这些不规范。
它们与发动机的过程有关。
虽然个别类型的排放量可以不同程度，单独控制，有排放类型之间的权衡，必须考虑。例如，一个控制溶液的二氧化碳通常会增加氮氧化物排放量，反之亦然。
影响排放的船舶参数
虽然技术被应用于船用柴油机的排放，和其他正在开发中，更可以在减排方面通过优化船舶设计和操作了，甚至整个运输系统。
例如，它可以表明，大型船舶需要更少的燃料运输货物单元（tdw-mile或TEU-mile），因此减少排放（图1至5）。此外，大型船舶可以操作的速度比小的船只的燃料要求TDW英里或箱里。这可能出现在逻辑上，但它可以证明。
在以下的考虑，每一种情况下，指的是单独优化设计的基础上的等效技术水平。这里使用的图表是根据集装箱的例子但方法同样适用于其他类型船舶。
所产生的排放是一个功能的推进力。船舶设计所需的推进功率随设计速度的增加而增加，因此，一个功率因数可以计算为一个给定的类的集装箱船舶的26个因素为基础的一个结船舶（图1）。
图1：船舶航速为容器的推进功率因数的变化。
同样，一个时间因素也可以派生的货物运输的速度。对于一个给定的交易量，更快速的船舶可以在特定时间内运送更多的货物，或者需要更慢的船舶在同一时间内运送相同数量的货物。因此，时间因素是成反比的设计船舶的速度，再次与时间因素26的1个结船舶（图2）。
图2：随时间变化的集装箱船设计船舶的速度变化，表明更慢的船只需要运输相同的货物较少的更快的船只。
将2个因素相乘，用于推进功率和时间，给出了一个能量因子，表示在不同的设计船的速度（图3）
图3：能量因数的变化，通过增加推进器功率和时间因素，设计船舶航速的容器。
移动一个给定的货量所需的能量。假设废气排放与能量因素成比例，很明显，更快的船舶在绝对数量上产生更大的排放量。
当推进动力投入与运输的关系，即功率要求每吨自重（TDW）在一个给定的速度，很明显的，更大的船只需要较少的功率比较小的船只运输货物单元（图4）。
图4按设计船舶航速22节的设计船舶的船舶使用功率的趋势。
反过来，这意味着大轮船的大气排放量较小，每货运单位，比较小的船舶。叠加时间因素对每过曲线的功率要求给出了一系列以千瓦时/ TDW定船英里的能源需求曲线速度（图5）。
图5：多船功率曲线的组合，每一个不同的恒定速度曲线（如图4），表明对于一个给定的能量消耗，更大的船舶可以航行的船只比更小更快，减少排放的空气从TDW英里或箱里。在所示的例子，每过哩同所需要的能量：
bull;在26节时，80000 TDW容器（约7000 TEU）
bull;在24节时，47000 TDW容器（约5000 TEU）
bull;在22节时，30000 TDW容器（约3000 TEU）
bull;在20节时，20000 TDW容器（约1800 TEU）
这些表明，对于一个给定的能量消耗，从而一个给定的排放量，较大的船舶可以比较小的船舶航行更快。
不仅这些船舶设计具有相同的能源使用，他们也有相同的环境影响的排放量每货物单位。操作大型，快速船舶，从而对船舶运营商有明显的经济效益。
它也有利于操作大型，快速船舶从环境的角度来看。更大、更快的船减少空气排放方面的质量每tdw-mile或TEU-mile。
发动机技术影响排放
一旦船舶在其总体设计和运行模式进行了优化的经济和低排放，它仍然需要一个低排放的推进装置。
一系列的技术，现在可以或正在开发中，以控制废气排放。这些主要关注氮氧化物的排放量，但有些影响所有排放的总体水平。一些技术，例如低氮氧化物的调整，关注发动机工艺的适应。其他形式的排放控制如SCR后处理和余热回收涉及附加系统。技术纳入RT-flex柴油发动机要求发展的新方向，而低硫燃料当前物流问题。
对于这些排放控制技术比较的基准是标准SULZER RTA和RT-flex发动机。作为标准配置，所有SULZER RTA和RT-flex低速船用发动机制造今天遵守对NOX排放作为附录VI MARPOL 73／78公约IMO规范。这是通过海事组织调整，它使用的内部措施，以适应发动机的调整和燃油喷射。
为顺应然后等待IMO规范了Sulzer引擎1996年底的措施，和第一引擎认证符合本条的规定是建立在1999年[5]。
没有额外的设备被应用于海事组织遵守的发动机。它涉及应用一系列的标准措施，即增加压缩比，延迟喷射定时和调整排气阀的时间，以及不同的燃料喷嘴。这些应用在不同的预注三顺序喷射角度的喷射，三种不同的燃油喷射方式可采用Sulzer RT-flex共轨燃油喷射系统的喷油特性的获得。在预注入和三次注入，在每个气缸的三个喷油器操作的一致，而顺序注射三个喷油器分别操作。根据NOX还原为具体的发动机型号和额定点必要的程度。该方案简单、有效，对发动机的可靠性没有不利影响，对燃油消耗的影响很小。
精度和灵活性，发动机设置在Sulzer RT-flex共轨发动机来实现（见下文）也方便与IMO的NOX监管合规。
低氮和低氮注入
在国际海事组织的调整要符合IMO规范可以应用在RTA和RT-flex发动机类型实现氮氧化物排放量进一步减少，也许每低于IMO限制措施分五。这种技术是指定的低NOX调谐和会招致一些2克/千瓦时大油耗燃料罚款。
人们必须记住，燃料消耗量和氮氧化物排放量之间有一个权衡。减少一个导致其他增加，反之亦然。这是由法律基础的基本面造成的物理化学与燃烧化学。
Sulzer RT-flex共轨发动机，但是，有更大的能力比机械控制的RTA引擎通过优化措施达到降低氮氧化物的排放水平。RT-flex发动机完全集成的电子控制系统给他们更大的灵活性和准确性在引擎设置可能比固定时间系统在RTA发动机凸轮轴。在同一时间，在大的自由的燃料喷射压力的选择，使他们有更好的燃烧。
在RT flex引擎选择性注入模式（图6）
图6：三种不同的燃油喷射方式可采用Sulzer RT-flex共轨燃油喷射系统的喷油特性的获得。在预注入和三次注入，在每个气缸的三个喷油器操作的一致，而顺序注射三个喷油器分别操作。
和低NOX优化技术能降低NOX排放或者20%以下的MARPOL公约限制分选项。这种低的氮氧化物的注入选项可能是适当的时间，降低氮氧化物排放量需要当地监管。
再次，由于NOX排放和油耗之间不可避免的权衡，结果造成约4克/千瓦时与标准燃料的处罚，MARPOL公约规引擎。虽然在世界上其他地方经营的正常燃油经济将是可能的。
Sulzer RT-flex发动机
近年来的一系列六-苏尔寿RT-flex发动机类型和全电控共轨系统引入了适合各类远洋船舶，最大连续输出功率从5800千瓦到80080千瓦。
它们共同的铁路系统提供燃油喷射和排气阀操作的主要功能。燃油（在名义上1000巴）和伺服油（在压力高达200巴）是由一个齿轮驱动的供应单元安装在发动机侧，在发动机与多达七个气缸和在一个更大缸数的中间齿轮传动的驱动端。燃油供给泵是在驱动装置的一边与液压伺服油泵在另一边。泵的数量、大小和排列方式与发动机型号和汽缸数量相适应。
在一个恒定的200巴的压力控制油是由重复的电动泵输送。伺服和控制油都来自发动机润滑油通过全自动自清洗精密过滤器系统。
供应装置在安装在气缸盖的侧边的轨单元中提供共同的导轨。该电子控制系统设置在该轨道单元的外部安装的控制单元的数量上。
燃油压力是根据发动机的要求调节的，需要通过吸气控制的燃油供给泵与螺旋控制的灌装量调节。加热燃油从燃油轨道通过一个单独的喷射控制单元对发动机各缸的标准燃料喷射阀的高压燃油液压操作。喷油控制单元，采用快速作用的调节阀，调节喷油的时机，控制喷油量，并设置喷油规律的形状。的大发性公共铁路系统提供了自由选择这些发动机的设置，连同精度的燃料注入到单个气缸的体积。
在每个气缸盖的三个燃料喷射阀分别控制，以便它们可以被编程为单独或在协调一致（图7）。
图7：Sulze
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