劉 安,馬晶晶,蔡愛國
(1.中國船級社武漢規(guī)范研究所,武漢430022;2.武漢航海職業(yè)技術(shù)學院,武漢430063;3.泰州中航船舶重工有限公司,江蘇 泰州225327)
燃油乳化技術(shù)不但可以降低發(fā)動機油耗,同時也可以降低氮氧化物(NOx)和顆粒(PM)等廢氣排放。對于提高柴油的品質(zhì)及利用效率,降低柴油機械的比油耗,節(jié)約能源、改善環(huán)境、減少污染以及提高企業(yè)的經(jīng)濟效益都有重要意義。鑒于該技術(shù)的諸多優(yōu)點,不少科研單位將其作為節(jié)能減排的重點技術(shù)進行研究,但該技術(shù)在使用過程中也存在著一些問題,本文對在線乳化技術(shù)在實際應(yīng)用中的問題進行分析探討。
船用柴油機廢氣中有害排放物主要有硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)以及碳煙等顆粒物(PM)等,其中SOx目前主要是通過燃油含硫量進行控制。PM的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的、動態(tài)的組成,其產(chǎn)生和組分會隨著發(fā)動機的工況特征、技術(shù)水平和燃油品質(zhì)等因素的不同而發(fā)生變化。NOx的生成受可燃混合物組成、燃料在反應(yīng)區(qū)停留時間、燃燒溫度和工作壓力等因素的影響。燃油乳化技術(shù)就是通過降低氣缸溫度等來降低NOx的產(chǎn)生。
燃油乳化技術(shù)是將燃油和水按一定比例混合后噴入高溫燃燒室。理論上,增加一個百分點的水將減少一個百分點的NOx。此技術(shù)主要優(yōu)點是:設(shè)計上無需特別改變;對燃燒的穩(wěn)定性無影響;水消耗量低,投資費用低。燃油乳化技術(shù)分為:機外合成乳化油技術(shù)和在線乳化技術(shù)兩種。
20世紀70年代出現(xiàn)能源危機、環(huán)境污染等問題,由此人們開始關(guān)注和研究油摻水乳化燃燒技術(shù),但早期的研究方向主要是機外合成乳化油技術(shù)。實踐證明,這種方法能夠有效地降低氮氧化物(主要是NOx)和碳煙微粒PM,但是,混合的乳化油也同時降低了燃燒室的溫度,而燃燒室過早的低溫容易導(dǎo)致加大點火延遲和加重發(fā)動機噪聲。而且,乳化劑的價格比較貴,配制的乳化油也很不穩(wěn)定,長久放置容易分層。另外,使用乳化油對冷啟動和瞬態(tài)變換環(huán)境下的操作也不太有利。
在線乳化較機外合成技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢,國內(nèi)有不少單位對此有所研究,并開始實船應(yīng)用。
1)船舶基本情況。
船舶類型 貨
載重噸/t 8 036
總(凈)噸位 4 852(3 110)
建造年月 1991
總長(寬)/m 109.58(18.3)
滿吃水/m 7.25
國籍 巴拿馬
船級 CCS
2)在線乳化設(shè)備特點。該套設(shè)備采用了加壓方式精確控制油水的比例從而實現(xiàn)燃油的乳化。通過這一方式省去了昂貴的乳化劑,降低了使用成本,同時也避免了機外合成技術(shù)中出現(xiàn)的乳化油分層和破乳、不能長期儲存的弊病。具體的在線乳化過程見圖1。
圖1 重油在線乳化過程示意
在柴油機燃油系統(tǒng)管路中并聯(lián)一個水路和乳化系統(tǒng),使用轉(zhuǎn)換閥在原管路與乳化裝置之間進行切換。水管與水箱連接,經(jīng)摻水電磁閥接到計量泵的吸入口。進油管與油箱連接,油箱中裝有加熱器,使180 mm2/s重油加熱到125℃。重油經(jīng)油路電磁閥與從穩(wěn)壓器出來的水在均質(zhì)器中混和,混和均勻的重油和水在乳化器的旋渦加壓乳化下,實現(xiàn)初步乳化。乳化重油通過齒輪泵、然后進入乳化器進行二次乳化形成均勻的乳化液。
該設(shè)備有三種運行模式:①一般運行模式,此時單片機控制通水電磁閥關(guān)閉,計量泵和乳化器電機等元件停止工作。油箱電磁閥開啟后,油液直接送入柴油機,柴油機正常工作;②在線乳化運行模式,此時通水電磁閥開啟控制水箱,同時將由轉(zhuǎn)速傳感器檢測到柴油機主軸轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)矩)送入單片機程序進行分析,通過分析的數(shù)據(jù)結(jié)果來控制計量泵將水箱中水注入乳化器,生成乳化油;③停用模式,該模式只在船舶進出港口時使用。當船舶進出港時,柴油機改用柴油燃燒時,轉(zhuǎn)換開關(guān)至停用模式。此時裝置處于停用狀態(tài),當柴油清洗乳化裝置管路后關(guān)閉相應(yīng)閥門,保護傳感器等精密件。
整套設(shè)備由以下裝置組成:運行控制及指示器、柴油機煙度測試儀、乳化裝置和一臺電腦。設(shè)備均布置在集控室附近,整個設(shè)備的安放不會影響機艙原有的布置,同時船舶的管路也不需要進行特殊的改進。在實際操作中,船員只需要掌握簡單的開關(guān)切換就可以對該套設(shè)備進行操作。
對于節(jié)油率的試驗,在實驗室的臺架上已經(jīng)進行過,試驗結(jié)果如下。
1)試驗用柴油機基本參數(shù)。
柴油機型號 C6300ZC18B
標定功率/kW 1 323
缸徑×行程/mm 330×380
氣缸數(shù) 6
活塞總排量/L 161
額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1) 550
壓縮比 12.5∶1
噴油壓力/MPa 22.5
噴油提前角(順車)/(°) 16~18
生產(chǎn)廠家 寧波中策動力機電集團
2)試驗結(jié)果見表1。
表1 柴油機試驗結(jié)果 %
從試驗結(jié)果來看:在船舶常用的功率范圍內(nèi)(額定功率的85%~90%),使用乳化燃料能較大程度降低氮氧化物的排放,同時也可以降低油耗。
1)設(shè)備穩(wěn)定性。該套設(shè)備在設(shè)計時總共提供了5種摻水率以適應(yīng)船舶運行狀況,但實際情況是,由于船舶運行工況與實驗室有著較大的區(qū)別,設(shè)備一直處于調(diào)試狀態(tài),故設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性有待提高。
2)動力損失。實船運行狀況表明,在柴油機相同轉(zhuǎn)速的情況下,摻水率為5%工況下使用乳化燃料時噴油量有所增加,動力影響并未得以明顯降低。如果該套設(shè)備能正常實現(xiàn)五種工作狀態(tài),摻水率達到了21%的極限,動力損失情況有待驗證。理論上,NOx排放量隨著摻水率的增大逐漸減少,但摻水量增加過大時,由于油品熱值過低,將影響柴油機燃燒的穩(wěn)定性,最終也將會影響動力輸出,如何平衡節(jié)能與動力影響之間的關(guān)系在一定程度上困擾著航運企業(yè)。
3)安全性問題。乳化燃料的使用意味著同等情況下進入氣缸內(nèi)的水分將猛然增加,而氣缸內(nèi)的水分與燃油中的硫分結(jié)合必然生成硫酸。隨著摻水率的增加,將嚴重腐蝕活塞、缸套、氣缸頭等零部件,增加維修工作量,長時間的積累會對主機的安全造成嚴重影響,縮短整機的使用壽命,這是目前最亟待解決的問題。相對于節(jié)能減排而言,船舶及航行安全是最重要的。
4)對NOx減排率的影響。從實驗數(shù)據(jù)來看,該技術(shù)對NOx排放的降低率約為15%,與其它諸多文獻的數(shù)據(jù)吻合。根據(jù)MARPOL公約附則Ⅵ的要求。已于2011年生效的柴油機氮氧化物TieⅡ排放要求較TieⅠ的標準降低約20%,配合了機內(nèi)技術(shù)的燃油乳化技術(shù)勉強能滿足該要求,而將在2016年生效的TieⅢ排放要求將較TieⅠ的標準降低約80%,按此公約要求,不管是機外合成或在線乳化技術(shù)都已不能滿足其排放限值要求。因此,將燃油乳化技術(shù)作為降低NOx排放的主要方式并不十分合適。