船舶柴油機(jī)余熱的分析及利用

陳志龍

【摘 要】本文綜述了船舶柴油機(jī)余熱回收利用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。簡(jiǎn)單介紹了余熱的定義和特點(diǎn)。進(jìn)而分別從加熱、發(fā)電、制冷、動(dòng)力四個(gè)方面詳細(xì)介紹了余熱在船舶上的應(yīng)用，并對(duì)其利用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)性作進(jìn)一步分析。

【關(guān)鍵詞】船舶柴油機(jī)；節(jié)能減排；余熱利用；發(fā)電；制冷

節(jié)能減排是中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略方針，也是一個(gè)非常緊迫的任務(wù)。通過(guò)回收廢熱來(lái)減少能源消耗，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，余熱的回收利用對(duì)改善工作環(huán)境、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本等方面起著無(wú)可比擬的作用，已經(jīng)成為能源利用不可忽略的一部分。在船上，余熱的使用大致分為兩個(gè)方面：一方面是用于加熱，比如船員的生活熱水，冬天機(jī)艙、油箱的加熱和保溫，遠(yuǎn)洋船舶的海水加熱蒸餾制淡水等[1]。

1 余熱的定義和特點(diǎn)

余熱是指生產(chǎn)過(guò)程中釋放出來(lái)的可被利用的熱能。主要有高溫廢氣等，余熱的利用可以通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)熱能做機(jī)械功或發(fā)電，也可用來(lái)供暖或生產(chǎn)熱水[2]。

余熱有品質(zhì)高低之分。根據(jù)“按質(zhì)用能，各用其所”的原則，如果需要產(chǎn)生動(dòng)力，應(yīng)該使用較高品味的余熱。如果將高品位余熱用于加熱，則會(huì)導(dǎo)致“大材小用”不合理現(xiàn)象。反之，若將低品位余熱用于做功，則也是一種‘能質(zhì)不匹配的現(xiàn)象。同時(shí)在使用熱能的過(guò)程中，也要遵循“按質(zhì)供能，能質(zhì)匹配”的原則，在熱能供需過(guò)程中，不僅做到數(shù)量相等，更重要是在質(zhì)量上合理搭配[3-4]。

2 船舶柴油機(jī)余熱構(gòu)成及分析

2.1 柴油機(jī)余熱構(gòu)成

2.1.1 廢氣余熱

船舶柴油機(jī)是船舶在海上航行的動(dòng)力源，它排放的廢氣余熱將近占總熱能的40%。其排出的廢氣余熱溫度在350℃-410℃之間，如果直接排放到大氣中，會(huì)大量浪費(fèi)沒(méi)有經(jīng)過(guò)利用的熱能[5]。

1）柴油機(jī)排氣熱的總量為：

Q=C■■·M·T■-C■■·M·T■

式中：Q——柴油機(jī)排氣所含的熱量；

C■■，C■■——分別為煙氣在溫度為T(mén)1、T2時(shí)的定壓比熱KJ＼Kg·K；

M——為排煙的質(zhì)量Kg；

T2——為廢氣渦輪增壓器渦輪出口溫度；

T1——為環(huán)境溫度。

綜上所述，柴油機(jī)排氣量愈大，排氣溫度愈高，廢氣熱量就愈多。因此，若要減少排氣熱，可以通過(guò)減小排氣溫度，降低過(guò)量空氣系數(shù)。

2）排氣中可供利用的熱量

當(dāng)廢氣溫度小于125℃時(shí)，廢氣中的硫與空氣中的氧氣形成的的氧化物會(huì)對(duì)柴油機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生低溫酸性腐蝕[5]。為了減輕低溫腐蝕，廢氣溫度應(yīng)該大于150℃，所以廢氣中實(shí)際可以利用的余熱熱量：

Q■=C■■·M·T■-C■■·M·150

式中：C■■=1.083KJ＼Kg·K；

C■■=1.042KJ＼Kg·K。

2.1.2 冷卻介質(zhì)余熱

船舶柴油機(jī)在工作過(guò)程中，許多零部件是處在高溫下工作的。為了保證柴油機(jī)設(shè)備整體的強(qiáng)度以及使用壽命，對(duì)金屬構(gòu)件需要進(jìn)行冷卻。因此，在柴油機(jī)中往往需要消耗大量的冷卻水。此外也有用空氣、惰性氣體或礦物油作為冷卻介質(zhì)。

通常情況下，計(jì)算冷卻水帶走的總熱量為：

Q■=C■·m■·？駐T■+C■·m■·？駐T■=4.2×m■×10+4.2×m■×10

式中：C■、C■——分別為氣缸冷卻液、活塞冷卻液的定壓比熱；

m■、m■——分別為氣缸冷卻水和活塞冷卻液的質(zhì)量流量；

T■、T■——分別為氣缸冷卻水和活塞冷卻液的進(jìn)出口溫差。

2.1.3 其余散熱

在燃油燃燒產(chǎn)生的總能量中，大約有16%的其他散熱。這部分余熱大多數(shù)通過(guò)柴油機(jī)本身、空氣冷卻裝置、增壓空氣、滑油冷卻裝置等多條途徑散失，另外還有一小部分由于燃油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)余熱。若利用這部分余熱，經(jīng)濟(jì)成本較高且操作困難，不實(shí)用[6]。

2.2 余熱利用的經(jīng)濟(jì)性分析

由于高昂的燃油價(jià)格直接影響船舶的營(yíng)運(yùn)利潤(rùn)，導(dǎo)致越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始在船舶柴油機(jī)余熱利用方面進(jìn)行投資。通過(guò)余熱回收的廣義的收益是：減少燃料消耗，從而降低成本；減少?gòu)U氣的排放，以保護(hù)環(huán)境；減少燃料的存儲(chǔ)容量，從而增加船的載貨能力。

2.2.1 每年節(jié)約的燃油費(fèi)用

相對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)，若使用余熱發(fā)電機(jī)節(jié)約燃料消耗可用G表示為：

3 余熱在船上的應(yīng)用

3.1 余熱加熱

3.1.1 直接加熱

1）機(jī)組人員和乘客的飲食用水和生活用水預(yù)加熱，以及燃油加熱；

2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行暖機(jī)預(yù)熱、解決冷啟動(dòng)問(wèn)題；

3）余熱還可以對(duì)船員生活區(qū)進(jìn)行供暖。

3.1.2 余熱制淡

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，海上運(yùn)輸愈來(lái)愈多，船舶航行也愈來(lái)愈遠(yuǎn)，此時(shí)船舶對(duì)淡水的需求量也日益增大。其中，海水淡化裝置通常采用蒸餾法獲取新鮮淡水。利用廢氣余熱制淡具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 余熱發(fā)電

船舶柴油機(jī)工作過(guò)程中，向外排放了大量的高溫廢氣余熱資源。一般的余熱回收系統(tǒng)是把這些熱能轉(zhuǎn)化為熱水或水蒸汽，供機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)或生活所需。但是這種熱能利用方式，往往受制于船舶的工作條件，很多情況下并不能將這些熱能充分利用?？梢酝ㄟ^(guò)余熱發(fā)電技術(shù)直接將余熱熱量轉(zhuǎn)化為使用和傳輸方便的電能，這樣就使船舶運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益顯著提高。

3.3 余熱制冷

雖然可以直接將中、低溫余熱用于生活加熱，并且設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可行，但是供暖有季節(jié)性，在非供暖期這些余熱就只能排放掉。如果余熱作為低溫?zé)嵩吹臒岜?，熱泵增加溫度水平，可以擴(kuò)大使用范圍，可以提高低溫余熱的利用價(jià)值[7]。

3.4 余熱的動(dòng)力應(yīng)用

渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)有百余年的歷史，大中型船用柴油機(jī)基本上都采用廢氣渦輪增壓器技術(shù)，帶有渦輪的小型高速柴油機(jī)也迅速發(fā)展。由廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)空氣系統(tǒng)的壓縮機(jī)，向氣缸內(nèi)注入高壓氣體。由于渦輪增壓器利用柴油機(jī)的排氣能量驅(qū)動(dòng)，而不消耗柴油機(jī)本身的功率，從而有助于提高船舶柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，一般可降低燃油消耗3%～10%[8]。

4 余熱新型利用及展望

4.1 余熱新型利用

燃?xì)廨啓C(jī)是理想的卡諾循環(huán)機(jī)，由于其排氣溫度高，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)效率不比汽輪機(jī)效率高多少?，F(xiàn)代的高溫燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度已達(dá)600℃左右，比汽輪機(jī)循環(huán)的初溫都高。這樣的高溫廢氣排向大氣中，造成能源的巨大浪費(fèi)，因此用高溫廢氣來(lái)加熱水產(chǎn)生蒸汽，通向汽輪機(jī)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電。這就構(gòu)成了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱再利用系統(tǒng)。

熱聲制冷技術(shù)的基礎(chǔ)是熱聲效應(yīng)。吸收船舶柴油機(jī)余熱能量，把熱能轉(zhuǎn)化為聲能量，然后利用熱效應(yīng)，消耗聲能，從而實(shí)現(xiàn)制冷。熱聲制冷系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)部件，可靠性高，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。

4.2 余熱利用展望

1）隨著船員對(duì)船舶機(jī)艙舒適性要求的提高，余熱利用技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)在各種船舶中得到普及，如船舶機(jī)艙加熱和船載冰箱的制冷等。

2）余熱技術(shù)利用在發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱保溫上，可以解決高緯度地區(qū)及冬季柴油機(jī)冷啟動(dòng)的問(wèn)題，并且可以改善船舶燃油的經(jīng)濟(jì)性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]船舶主機(jī)熱平衡分析及其余熱利用[J].船海工程，2008，37（2）：66-69.

[2][6]吳伯才.船舶柴油機(jī)余熱的利用[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.

[3]姚壽廣.船舶熱力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]黃志杰.能源管理[M].北京：能源出版社，1984.

[5]董桂田.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱的溫差發(fā)電[J].北京節(jié)能，1997（4）：7-9.

[7]陳武，蔡振雄.船舶吸附式空調(diào)制冷系統(tǒng)研究[J].水運(yùn)科技信息，1999.

[8]MAN B&W Diesel A/S. Main Engine Room Data for 12 K 98 ME-C[M].Internal data.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]