燃油在線乳化技術(shù)應(yīng)用分析

劉 安，馬晶晶，蔡愛國(guó)

(1.中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢430022;2.武漢航海職業(yè)技術(shù)學(xué)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(dòng)機(jī)油耗，同時(shí)也可以降低氮氧化物(NOx)和顆粒(PM)等廢氣排放。對(duì)于提高柴油的品質(zhì)及利用效率，降低柴油機(jī)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(jì)效益都有重要意義。鑒于該技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，不少科研單位將其作為節(jié)能減排的重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)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(duì)在線乳化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的問題進(jìn)行分析探討。

1 乳化技術(shù)及其分類

船用柴油機(jī)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(jìn)行控制。PM的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的組成，其產(chǎn)生和組分會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(gè)百分點(diǎn)的水將減少一個(gè)百分點(diǎn)的NOx。此技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是:設(shè)計(jì)上無(wú)需特別改變;對(duì)燃燒的穩(wěn)定性無(wú)影響;水消耗量低，投資費(fèi)用低。燃油乳化技術(shù)分為:機(jī)外合成乳化油技術(shù)和在線乳化技術(shù)兩種。

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)能源危機(jī)、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(jī)外合成乳化油技術(shù)。實(shí)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(shí)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(diǎn)火延遲和加重發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。而且，乳化劑的價(jià)格比較貴，配制的乳化油也很不穩(wěn)定，長(zhǎng)久放置容易分層。另外，使用乳化油對(duì)冷啟動(dòng)和瞬態(tài)變換環(huán)境下的操作也不太有利。

在線乳化較機(jī)外合成技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)有不少單位對(duì)此有所研究，并開始實(shí)船應(yīng)用。

2 在線乳化應(yīng)用的基本情況

2.1 船舶基本情況及設(shè)備構(gòu)成

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(zhǎng)(寬)/m 109.58(18.3)

滿吃水/m 7.25

國(guó)籍 巴拿馬

船級(jí) CCS

2)在線乳化設(shè)備特點(diǎn)。該套設(shè)備采用了加壓方式精確控制油水的比例從而實(shí)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(shí)也避免了機(jī)外合成技術(shù)中出現(xiàn)的乳化油分層和破乳、不能長(zhǎng)期儲(chǔ)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(jī)燃油系統(tǒng)管路中并聯(lián)一個(gè)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(jìn)行切換。水管與水箱連接，經(jīng)摻水電磁閥接到計(jì)量泵的吸入口。進(jìn)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(shí)現(xiàn)初步乳化。乳化重油通過齒輪泵、然后進(jìn)入乳化器進(jìn)行二次乳化形成均勻的乳化液。

該設(shè)備有三種運(yùn)行模式:①一般運(yùn)行模式，此時(shí)單片機(jī)控制通水電磁閥關(guān)閉，計(jì)量泵和乳化器電機(jī)等元件停止工作。油箱電磁閥開啟后，油液直接送入柴油機(jī)，柴油機(jī)正常工作;②在線乳化運(yùn)行模式，此時(shí)通水電磁閥開啟控制水箱，同時(shí)將由轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)到柴油機(jī)主軸轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)矩)送入單片機(jī)程序進(jìn)行分析，通過分析的數(shù)據(jù)結(jié)果來控制計(jì)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(jìn)出港口時(shí)使用。當(dāng)船舶進(jìn)出港時(shí)，柴油機(jī)改用柴油燃燒時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)至停用模式。此時(shí)裝置處于停用狀態(tài)，當(dāng)柴油清洗乳化裝置管路后關(guān)閉相應(yīng)閥門，保護(hù)傳感器等精密件。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

整套設(shè)備由以下裝置組成:運(yùn)行控制及指示器、柴油機(jī)煙度測(cè)試儀、乳化裝置和一臺(tái)電腦。設(shè)備均布置在集控室附近，整個(gè)設(shè)備的安放不會(huì)影響機(jī)艙原有的布置，同時(shí)船舶的管路也不需要進(jìn)行特殊的改進(jìn)。在實(shí)際操作中，船員只需要掌握簡(jiǎn)單的開關(guān)切換就可以對(duì)該套設(shè)備進(jìn)行操作。

對(duì)于節(jié)油率的試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)架上已經(jīng)進(jìn)行過，試驗(yàn)結(jié)果如下。

1)試驗(yàn)用柴油機(jī)基本參數(shù)。

柴油機(jī)型號(hào) C6300ZC18B

標(biāo)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(dòng)力機(jī)電集團(tuán)

2)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 柴油機(jī)試驗(yàn)結(jié)果 %

從試驗(yàn)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(shí)也可以降低油耗。

3 局限性及有待解決的問題

1)設(shè)備穩(wěn)定性。該套設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)總共提供了5種摻水率以適應(yīng)船舶運(yùn)行狀況，但實(shí)際情況是，由于船舶運(yùn)行工況與實(shí)驗(yàn)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(dòng)力損失。實(shí)船運(yùn)行狀況表明，在柴油機(jī)相同轉(zhuǎn)速的情況下，摻水率為5%工況下使用乳化燃料時(shí)噴油量有所增加，動(dòng)力影響并未得以明顯降低。如果該套設(shè)備能正常實(shí)現(xiàn)五種工作狀態(tài)，摻水率達(dá)到了21%的極限，動(dòng)力損失情況有待驗(yàn)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(shí)，由于油品熱值過低，將影響柴油機(jī)燃燒的穩(wěn)定性，最終也將會(huì)影響動(dòng)力輸出，如何平衡節(jié)能與動(dòng)力影響之間的關(guān)系在一定程度上困擾著航運(yùn)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(jìn)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(yán)重腐蝕活塞、缸套、氣缸頭等零部件，增加維修工作量，長(zhǎng)時(shí)間的積累會(huì)對(duì)主機(jī)的安全造成嚴(yán)重影響，縮短整機(jī)的使用壽命，這是目前最亟待解決的問題。相對(duì)于節(jié)能減排而言，船舶及航行安全是最重要的。

4)對(duì)NOx減排率的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，該技術(shù)對(duì)NOx排放的降低率約為15%，與其它諸多文獻(xiàn)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(jī)氮氧化物TieⅡ排放要求較TieⅠ的標(biāo)準(zhǔn)降低約20%，配合了機(jī)內(nèi)技術(shù)的燃油乳化技術(shù)勉強(qiáng)能滿足該要求，而將在2016年生效的TieⅢ排放要求將較TieⅠ的標(biāo)準(zhǔn)降低約80%，按此公約要求，不管是機(jī)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。