船舶柴油机尾气检测系统设计研究

2012-01-23帅军

船海工程 2012年1期

,, ,,,帅军

(上海海事大学商船学院轮机工程,上海 200135)

海上船舶排放的废气造成大气的污染占据整个大气污染源的10%，已经成为大气污染重要的来源之一。船舶柴油机排放废气中的SOx和NOx严重影响了大气环境和气候变化，引起了国际社会的广泛关注。

《Marpol 73/78》附则VI——防止船舶造成空气污染规则将对船舶排放废气中的SOx和NOx的含量进行限制并禁止损害臭氧物质的故意排放。但目前的技术水平还无法提供有效的检测手段，遵守公约完全靠船员和船东的自觉性。因此，开发新型的在线检测尾气装备，协助PSC监督船舶航行时的情况对于保护海洋环境很有必要[1-3]。

1 检测技术现状

1.1 船舶尾气检测装置的环境

1) 被检测气体温度高。以船舶主机型号MAN B&W 7L58/64为例，其额定功率9 800 kW，正常负荷运行时排气总管废气温度约达525 ℃，废气涡轮增压器前废气温度大约450～480 ℃，增压器后出口为375～400 ℃，废气锅炉前约为320～350 ℃，废气锅炉后约为260～280 ℃。温度过高会影响检测数据结果的正确性。

2) 尾气成分复杂。船舶的尾气排放物可以分为颗粒物和气态物。颗粒物主要包括炭粒和烟尘微，由炭烟、未燃的燃油和润滑油、硫酸盐等组成; 气态物主要是NOx、SOx、COx、HC、H2O、N2和过量的O2等，其中NOx包括NO、NO2、N2O4等，SOx包括SO2和SO3，COx包括CO和CO2等。

3) 船舶振动与噪声。由于柴油机的主要机件运动的往复性及工作的周期循环性，不可避免地导致整个柴油机产生整机性的振动及噪声。长时间的振动和噪声不但会使船员容易疲劳和损害健康，而且还会使机器和仪表工作失常，寿命缩短，甚至失灵损坏。这就要求仪器不但要有良好的检测性能，而且还要拥有良好的抗振性能。

1.2 现行的烟气检测技术

目前常规气体分析方法主要包括化学分析法、电化学分析法、色谱分析法、红外傅里叶变换分析法和吸收光谱法。吸收光谱法包括原子吸收光谱法和分子吸收光谱法。原子吸收光谱主要是分析金属元素，故其不能用于污染气体分子的在线测量。分子吸收光谱法包括分子荧光分析法、紫外-可见分光光度法和红外光谱法。对于目前市场上较为流行的SO2检测方法为紫外荧光法，NOx的检测方法则是化学发光法，但这些仪器通常只限于单点监测，而且烟气中的气体种类繁多、浓度比较高、测量环境复杂，并随着对烟气排放提出更高的限制和要求，因此传统的烟气监测技术已不能满足需要。

船舶尾气检测所需要的是一种简单的、能适应船舶恶劣检测环境的、能同时检测多种气体的检测技术。而基于差分吸收光谱法 (differential optical absorption spectroscopy，DOAS)的尾气排放检测系统仪器，灵敏度高、精密度好、分析范围广、分析速度快、可以连续自动测定、维护保养简单，可以同时进行SO2、NO、NO2等气体浓度的检测，是一种较理想的气体成分和浓度分析方法，在监控船舶柴油机尾气排放方面具有其它技术难以比拟的优势。

2 差分吸收光谱法基本原理

由于分子结构不同，气体分子对不同波长光谱的吸收存在着差异，差分吸收光谱就是基于利用不同气体在紫外至可见光波段具有对光选择性吸收的特性来测量船舶柴油机尾气中SO2、NO、NO2的质量浓度。

DOAS法是以Lamber-Beer 吸收定律为基础，由强度为Io(λ)的入射平行光照射并穿过被检测的烟气区域，该区域气体厚度L，气体质量浓度为C，则透射光强I(λ,p,T)与Io(λ)的关系如下。

I(λ,p,T)=Io(λ)exp[-σ(λ,p,T)CL]

(1)

式中：σ——气体的吸收截面，与波长λ、压力p、温度T有关。

以上是理想化的公式，其前提条件是压力、温度恒定，气体在检测室里分布较为均匀，而且入射光是单一波长。

当被检测的气体有多种时，式(1)为

I(λ,p,T)=Io(λ)exp

(2)

式中：σi(λ,p,T)——第i种气体的吸收截面；

Ci——第i种气体在光程L上的平均质量浓度；

Cm(λ)——气态污染物吸收、颗粒物吸收与散射等各种作用相加引起的光强衰减系数。

(3)

可得谱线结构:

(4)

Io′(λ)包含了干扰因素，如颗粒物、白光等，其吸收系数是σM(λ)。

可得差分光学密度：

(5)

实际情况下，结果会随着压力、温度、气体、入射光等多方面综合因素的影响而有所变化，尤其是在船舶机舱这样比较恶劣的条件下进行检测时，要对检测数据结果进行处理，以减少误差。

3 检测系统的设计与实验装置

3.1 气路设计

考虑到船舶尾气的成分复杂、温度较高的特点，设计了基于船舶机舱实际环境的尾气检测系统的气路装置，见图1a)。

气路的主要部件由取样管道、吹灰空气管道、过滤装置、冷却装置、干燥装置、尾气输送泵、检测室、真空泵及管道等组成。考虑到柴油机排气成分较为复杂，尤其颗粒物多，如直接在烟道测量，会严重影响测量的效果，也会产生颗粒物污染仪器的问题。所以建议使用取样检测法，而且在气路系统中加入了吹灰管系，意在防止烟灰堵塞管道。而且考虑到气体的温度过高和含有水分对检测结果的影响，在管道上加入了冷却装置和干燥器。整个气路系统的动力来源于尾气输送泵，检测室出来的气体最后排入大气。

3.2 光路设计

光路的设计较为简单，其主要的理念在于防止光的互相干涉以及避免光损失，以保证测量数据的正确性。在选择仪器时应该注意光源的稳定性、光谱仪分辨率对测量结果的影响、温度及压力(各种气体的分压和总压)对吸收截面测量的影响等因素、以及背景信号的影响等因素，见图1b)。

图1 船舶柴油机尾气检测系统设计

光路的主要组成有光源、透镜、检测室、光纤、光谱仪、计算机；整个工作路线是电源发射紫外光，经透镜变成平行光照射被检测气体，吸收后的紫外线再经透镜会聚于光纤，传送到光谱仪的分光系统进行分光，之后投射到CCD阵列转化为电信号，经模/数转化后输入计算机处理。

3.3 实验装置

基于差分吸收光谱的基本原理，搭建了实验平台，作为初步的实验研究。本实验检测系统主要包括：光源(氘灯)，光谱仪，透镜，加热器，光纤，计算机(处理器)。光谱仪是实验的核心装置，采用美国Ocean Optics公司HR4000CG光纤光谱仪,分辨率为0.5 nm。在样品室布置加热器以及温度控制器，安装了温度表，将样品室连续加热稳定到一定的温度。实验装置见图2。

图2 实验装置

实验目的是基于船舶尾气温度较高的问题，通过测量气体的差分吸收截面，研究温度对SO2、NO、NO2的差分吸收特征影响，针对被测气体的特征提出相应的修正措施。

4 实验结果与分析

温度考查范围为323～423 K。首先将样品室抽至真空，然后注入1个大气压下容积为2 000 cm3的NO标准气体，与之混合的气体为高纯度的N2，将样品室连续加热稳定至323、373、423 K并分别保持7～8 min，单独测量差分吸收截面15次左右，所测得的吸收截面平均值见表1。

NO的吸收波段为200～230 nm，总共有三个明显的吸收峰。由表1可见，吸收截面变化率最大为17.33%。从323～373 K，随着温度的上升，吸收截面逐渐减少。但从373～423 K，随着温度的上升，吸收截面反而逐渐增大。上述结果说明差分截面峰值随着温度的变化规律并不是单调的，只有在一定的温度范围内，吸收截面峰值随温度变化规律才是单调的。这也表明在应用DOAS法检测柴油机尾气中的NO气体时，必须考虑温变对NO测量结果的影响，在对NO气体浓度测量时应进行温度补偿计算，从而提高气体浓度测量的精度。