MAN B&W 推出符合Tier III 排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)

陳新

摘要：最近，IMO通過MARPOL公約修正案，修訂MARPOL附則VI第13條和14條以及附錄VII的修訂案。具體規(guī)定：增加加勒比海域?yàn)镹Ox及SOx排放控制區(qū)。2020年1月1日之前，在北美海域、加勒比海域內(nèi)航行時可以不滿足第14.4條規(guī)定的硫含量限值。 所有前往這些排放控制區(qū)的船舶，需要實(shí)施Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn)及更低的燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn)。隨著越來越多的區(qū)域被指定為排放控制區(qū)（ECA），意味著越來越多的船舶需要安裝符合Tier III標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，所以最近MAIN B&W 柴油機(jī)生產(chǎn)廠商推出符合Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)。

關(guān)鍵詞：Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn) 排氣再循環(huán)（EGR） 燃油添加水技術(shù)（WIF）

1簡介

為了應(yīng)對Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，世界主要柴油機(jī)生產(chǎn)廠商 MAN B&W 推出符合Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)并在一些船舶進(jìn)行試驗(yàn)。從2008年8月到2010年3月在馬士基公司的

1 092TEU集裝箱輪“ALEXANDER MAERSK”進(jìn)行柴油機(jī)排氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation）試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。由于目前世界上只是應(yīng)對Tier II標(biāo)準(zhǔn)，靠柴油機(jī)本身技術(shù)改造，如電噴，燃?xì)馊紵夹g(shù)等柴油機(jī)本身改造就能夠達(dá)到。對于Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，目前單靠柴油機(jī)本身技術(shù)改造已無能為力。所以，MAN B&W生產(chǎn)廠家推出符合Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的兩種柴油機(jī)：排氣再循環(huán)柴油機(jī)（Exhaust Gas Recirculation）、排氣NOx催化劑處理器柴油機(jī)（Selective Catalyst Reduction），目前世界上已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用。本篇主要介紹排氣再循環(huán)柴油機(jī)（Exhaust Gas Recirculation）。

2排氣再循環(huán)柴油機(jī)（Exhaust Gas Recirculation）簡介

船舶柴油機(jī)燃燒排放有害物主要是柴油機(jī)排氣排出的CO（一氧化碳）、HC、NOx（碳?xì)浠衔锖偷趸铮⒊粞?、PM（微粒，碳煙）等有害氣體。為控制船舶對大氣污染，IMO對于不同的柴油機(jī)提出不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求。IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)“對于轉(zhuǎn)速低于130轉(zhuǎn)/分鐘大型低速柴油機(jī)氮氧化物排放不能超過3.4克/千瓦”。

IMO Tier II已經(jīng)實(shí)施（氮氧化物排放不能超過14.4克/千瓦）。對于在2016年1月1日安放龍骨的船舶實(shí)施IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)，雖然目前離實(shí)施還有一段時間，但已經(jīng)引起各大柴油機(jī)廠商重視，著手準(zhǔn)備。目前全球所有生產(chǎn)的柴油機(jī)都不符合新排放標(biāo)準(zhǔn)，不管是電噴還是液化氣燃燒技術(shù)等都無法滿足新要求。因此MAN B&W生產(chǎn)廠商在2009年推出和試驗(yàn)全新設(shè)計(jì)概念的柴油機(jī)：符合Tier III NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的全新概念的排氣再循環(huán)大型低速二沖程柴油機(jī)。從實(shí)際試驗(yàn)、測試來看，完全能滿足IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)及要求。

3氮氧化物NOx的生成機(jī)理和降低生成方法

氮氧化物包括NO、NO2等，在燃料的燃燒過程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，其中，以NO為主。NO占90%以上， NO2占5%～10%。燃燒過程中NOx來源于燃料中的氮化合物和空氣中的氮?dú)獾难趸^程，氮氧化合物NOx形成主要是受溫度和氧的濃度因素影響。隨溫度和氧濃度的增加，熱力型NOx的濃度在增加。因此，降低熱力型NOx的基本原理就是降低柴油機(jī)掃氣中的氧的含氧濃度、降低柴油機(jī)氣缸燃燒爆炸溫度以及縮短燃燒期高溫區(qū)的停留時間等，降低柴油機(jī)燃燒溫度和含氧量，就能降低氮氧化合物NOx形成。采用煙氣再循環(huán)（EGR）、燃油參水（WIF）等技術(shù)都是利用上述原理來控制熱力型氮氧化合物NOx的生成措施，達(dá)到減少熱力型氧化氮NOx排放目的。

4排氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）

4.1排氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）是將柴油機(jī)產(chǎn)生的排氣的一部分和柴油機(jī)壓氣端新鮮掃氣混合后壓入柴油機(jī)氣缸內(nèi)，由于再循環(huán)是柴油機(jī)一部分排氣具有惰性，不參加柴油機(jī)缸內(nèi)化學(xué)反應(yīng)，即原來掃氣含氧量進(jìn)入柴油機(jī)缸內(nèi)的含氧濃度被稀釋，氧氣濃度降低，從而也使柴油機(jī)燃燒周期可燃混合氣的發(fā)熱量降低。另外，由于排氣中的CO2及水蒸氣的熱容量較大，增大了混合氣的比熱容，降低了柴油機(jī)缸內(nèi)的高峰溫度。這兩者都使柴油機(jī)燃燒過程的著火延遲期增加，燃燒速率變慢，柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，從而破壞了NOx生成所需高溫富氧的條件，使柴油機(jī)的NOx 排放降低。具體實(shí)現(xiàn)是，排氣再循系統(tǒng)（EGR）是將柴油機(jī)排氣的一部分，經(jīng)過冷卻和洗滌器（Scrubber）除掉柴油機(jī)排氣再循環(huán)的排氣的硫和顆粒物，再次送回燃燒室中進(jìn)行二次燃燒來達(dá)到減少氮氧化物排放的目的。EGR降低NOx的原因可從稀釋的影響、熱量的影響和化學(xué)的影響進(jìn)行進(jìn)一步的理論解釋。從稀釋影響來看，EGR是將排氣的引入柴油機(jī)吸氣端，使得氧氣濃度降低，因而產(chǎn)生NOx的量得到降低。從熱量影響來看，當(dāng)排氣與新鮮空氣和燃油混合后，由于冷卻循環(huán)的氣體中CO2、水蒸氣的比熱大，會使峰值燃燒溫度降低，進(jìn)而NOx的量會降低。從化學(xué)影響來看，高溫下，排氣中CO2、水蒸氣會發(fā)生裂解，這一裂解是一個高的吸熱過程，會吸收一部分燃燒熱量，使得燃燒峰值溫度降低，制止了柴油機(jī)因燃燒溫度過高造成的氮氧化物增加對排放影響。

4.2 EGR系統(tǒng)的任務(wù)就是使柴油機(jī)排氣的再循環(huán)量在每一個工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況和滿足Tier III新排放標(biāo)準(zhǔn)，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放污染物中的排放值最低。由于排氣再循環(huán)量的改變會對不同的污染成分可能產(chǎn)生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折中的，使柴油機(jī)相關(guān)污染物總的排放達(dá)到最佳的方案。也就是說盡管提高柴油機(jī)排氣再循環(huán)率對減少氮氧化物NOx的排放有積極的影響，但同時這也會對顆粒物和其他污染成分的減少產(chǎn)生消極的效果。詳見試驗(yàn)結(jié)果（如表1）：endprint

4.3 燃油添加水（water in fuel 簡稱WIF）

為了進(jìn)一步提高柴油機(jī)有效降低氮氧化物排放，在燃料油添加一部分水，增加了新型柴油機(jī)降低氮氧化物排放能力。從化學(xué)影響來看：高溫下燃油中的水會蒸發(fā)，蒸汽會發(fā)生裂解，這一裂解是一個高的吸熱過程，會吸收一部分燃燒熱量，使得峰值汽缸溫度降低，制止了因峰值燃燒溫度過高造成的氮氧化物對排放影響。通過燃油加水技術(shù)，能得到令人滿意的結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果（EGR+WIF）見表2：

70%柴油機(jī)負(fù)荷時EGR+WIF混合作用時的試驗(yàn)結(jié)果

表2

參考 EGR Tier111 EGR Tier11 WIF（50%） WIF（50%）+EGR 28%WIF 28%WIF+EGR

ERG率 % 0 37 18 0 37 0 37

WIF % 0 0 0 50 50 28 28

NOXg /kWh 17.4 3.4 12.3 10.4 1.3 13.5 2.0

CO /kWh 0.7 1.4 0.4 0.24 0.3 0.25 0.67

SFOC % 0 0.3 -2.6 2.4 3.9 0.4 2.5

5 性能分析及評估

從試驗(yàn)曲線可以看到EGR會增加柴油機(jī)燃油消耗率，但是可以接受。一氧化氮（CO）也增加，但符合要求。氧化氮大大降低，能夠符合IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。

6 增加EGE后，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果和評估

柴油機(jī)各個關(guān)鍵部位給予令人滿意的結(jié)果。

7 新問題出現(xiàn)及應(yīng)對

1）EGR的應(yīng)用，酸性物質(zhì)的增多，柴油機(jī)面臨更苛刻的腐蝕和磨損環(huán)境，因此，要求潤滑油具有更好的清凈性能和抗磨損性能，對潤滑油的功能添加劑清凈劑、抗磨損性能添加劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑的用量有更高要求，同時對所有的基礎(chǔ)油要求質(zhì)量更優(yōu)。

2）EGR的應(yīng)用，排氣再循環(huán)造成柴油機(jī)進(jìn)氣顆粒物增加，磨損風(fēng)險(xiǎn)增加，所以在EGR系統(tǒng)中設(shè)有洗滌器（Scrubber）來去除再循環(huán)排氣中的顆粒物。

3）WIF的應(yīng)用，可能增加酸性腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加，通過洗滌器（Scrubber）來去除再循環(huán)排氣中的含硫分燃燒后的產(chǎn)物。

8 如何改進(jìn)和管理

1）當(dāng)EGR量太小時，柴油機(jī)無法有效降低氮氧化物排放；而如果EGR量太大，則可能會導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒惡化，運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)甚至熄火，碳?xì)浠衔锱欧帕吭黾?。所以，必須根?jù)柴油機(jī)的工況精確控制排氣再循環(huán)量。一般情況下，柴油機(jī)在怠速和暖機(jī)時，由于混合氣質(zhì)量差，燃燒不穩(wěn)定，所以柴油機(jī)機(jī)不需要進(jìn)行排氣再循環(huán)，在大負(fù)荷和全負(fù)荷時，考慮到發(fā)動機(jī)對輸出功率的要求，也不進(jìn)行排氣再循環(huán)。

2）為防止柴油機(jī)采用EGR后磨損加劇，應(yīng)選用高質(zhì)量潤滑油和低硫柴油。

3）EGR系統(tǒng)的任務(wù)就是使排氣再循環(huán)量，在每一個工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成分最低。由于排氣再循環(huán)量的改變會對不同的污染成分可能產(chǎn)生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折中的，使相關(guān)污染物總的排放達(dá)到最佳的方案。比方說，盡管提高排氣再循環(huán)率對減少氮氧化物（NOx）的排放有積極的影響， 但同時這也會對顆粒物和其他污染成分的增加產(chǎn)生消極的影響。

4）EGR的另一副產(chǎn)品，就是煙灰會經(jīng)燃燒室造成氣缸潤滑油中不溶物的增加、黏度的增大，造成柴油機(jī)的磨損。因此要求氣缸潤滑油具有較強(qiáng)的煙灰分散和處理的能力。EGR的應(yīng)用帶來潤滑油的黏度增大主要是由于EGR中的煙灰經(jīng)燃燒室進(jìn)入潤滑油造成的潤滑油中不溶物增加而造成。潤滑油的氧化變質(zhì)也會造成黏度增長，但不是黏度增長的主要原因。使用更高性能的分散劑或提高分散劑的量所形成不溶物的粒徑更小，改善煙灰對潤滑油造成的黏度增長，同時對減小柴油機(jī)磨損有幫助。

5）含有H2SO3等酸性物質(zhì)的排氣返回柴油機(jī)燃燒室，會造成柴油機(jī)氣缸中酸性物質(zhì)的增加，氣缸油堿值的快速消耗，活塞環(huán)、缸套的腐蝕和磨損（EGR容易造成冷腐蝕，尤其是在柴油機(jī)低溫啟動和怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時、在超低負(fù)荷運(yùn)行時具有增壓器切斷柴油機(jī)或具有可變噴嘴增壓器柴油機(jī)進(jìn)一步增加冷腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此在柴油機(jī)任何工況，必須保證缸套溫度大于露點(diǎn)溫度）。當(dāng)使用EGR時，頂環(huán)磨損會提高，頂環(huán)磨損中，由于硫等酸性物質(zhì)帶來的腐蝕性磨損對頂環(huán)、缸套磨損的影響比由EGR中的煙灰及潤滑油對其的影響影響更大。因此要求潤滑油提供更有效的堿性清凈劑以中和這些酸性物質(zhì)，防止其對柴油機(jī)造成的腐蝕磨損。除采用措施降低硫等腐蝕性物質(zhì)的影響外，選用更高黏度指數(shù)的基礎(chǔ)油或合成油以提高油品的HTHS黏度、降低黏度指數(shù)改進(jìn)劑的用量，對改善閥系磨損同樣也起著重要作用。通過提高清凈劑量、降低燃料和潤滑油中的硫含量、選擇更優(yōu)性能的基礎(chǔ)油、降低黏度指數(shù)改進(jìn)劑的用量還對改善頂環(huán)槽充碳率有利。

6）通過分析硫氧化物（SOx）的生成機(jī)理，可以清楚看到SOx生成是由于燃油中所含硫分燃燒后的產(chǎn)物。當(dāng)柴油機(jī)缸壁溫度低于水蒸氣露點(diǎn)，則燃燒中生成的氣態(tài)水液化并與SOx形成亞硫酸和硫酸，對金屬造成腐蝕。所以在EGR系統(tǒng)中設(shè)有洗滌器（Scrubber），來去除再循環(huán)排氣中的含硫分燃燒后的產(chǎn)物，同時必須保證在柴油機(jī)任何工況，保證缸套溫度大于露點(diǎn)溫度，避免酸性腐蝕（冷腐蝕）。

7）EGR+WIF這兩者都使柴油機(jī)燃燒過程的著火延遲期增加，燃燒速率變慢，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，從而破壞了NOx生成所需高溫富氧的條件，使柴油機(jī)的NOx排放降低。盡管提高排氣再循環(huán)率對減少氮氧化物NOx 的排放有積極的影響，而如果EGR量太大，則可能會導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒惡化，運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)甚至熄火，碳?xì)浠衔锱欧帕吭黾印．?dāng)EGR量太小時，無法有效降低氮氧化物排放。只有通過最優(yōu)化設(shè)計(jì)和閉環(huán)電腦控制，才能達(dá)到排氣再循環(huán)率精準(zhǔn)控制，在滿足柴油機(jī)各種工況情況下又能滿足IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。endprint