刘 安，马晶晶，蔡爱国

(1.中国船级社武汉规范研究所，武汉430022;2.武汉航海职业技术学院，武汉430063;3.泰州中航船舶重工有限公司，江苏 泰州225327)

燃油乳化技术不但可以降低发动机油耗，同时也可以降低氮氧化物(NOx)和颗粒(PM)等废气排放。对于提高柴油的品质及利用效率，降低柴油机械的比油耗，节约能源、改善环境、减少污染以及提高企业的经济效益都有重要意义。鉴于该技术的诸多优点，不少科研单位将其作为节能减排的重点技术进行研究，但该技术在使用过程中也存在着一些问题，本文对在线乳化技术在实际应用中的问题进行分析探讨。

1 乳化技术及其分类

船用柴油机废气中有害排放物主要有硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)以及碳烟等颗粒物(PM)等，其中SOx目前主要是通过燃油含硫量进行控制。PM的产生是一个复杂的、动态的组成，其产生和组分会随着发动机的工况特征、技术水平和燃油品质等因素的不同而发生变化。NOx的生成受可燃混合物组成、燃料在反应区停留时间、燃烧温度和工作压力等因素的影响。燃油乳化技术就是通过降低气缸温度等来降低NOx的产生。

燃油乳化技术是将燃油和水按一定比例混合后喷入高温燃烧室。理论上，增加一个百分点的水将减少一个百分点的NOx。此技术主要优点是:设计上无需特别改变;对燃烧的稳定性无影响;水消耗量低，投资费用低。燃油乳化技术分为:机外合成乳化油技术和在线乳化技术两种。

20世纪70年代出现能源危机、环境污染等问题，由此人们开始关注和研究油掺水乳化燃烧技术，但早期的研究方向主要是机外合成乳化油技术。实践证明，这种方法能够有效地降低氮氧化物(主要是NOx)和碳烟微粒PM，但是，混合的乳化油也同时降低了燃烧室的温度，而燃烧室过早的低温容易导致加大点火延迟和加重发动机噪声。而且，乳化剂的价格比较贵，配制的乳化油也很不稳定，长久放置容易分层。另外，使用乳化油对冷启动和瞬态变换环境下的操作也不太有利。

在线乳化较机外合成技术有着明显的优势，国内有不少单位对此有所研究，并开始实船应用。

2 在线乳化应用的基本情况

2.1 船舶基本情况及设备构成

1)船舶基本情况。

船舶类型 货

载重吨/t 8 036

总(净)吨位 4 852(3 110)

建造年月 1991

总长(宽)/m 109.58(18.3)

满吃水/m 7.25

国籍 巴拿马

船级 CCS

2)在线乳化设备特点。该套设备采用了加压方式精确控制油水的比例从而实现燃油的乳化。通过这一方式省去了昂贵的乳化剂，降低了使用成本，同时也避免了机外合成技术中出现的乳化油分层和破乳、不能长期储存的弊病。具体的在线乳化过程见图1。

图1 重油在线乳化过程示意

在柴油机燃油系统管路中并联一个水路和乳化系统，使用转换阀在原管路与乳化装置之间进行切换。水管与水箱连接，经掺水电磁阀接到计量泵的吸入口。进油管与油箱连接，油箱中装有加热器，使180 mm2/s重油加热到125℃。重油经油路电磁阀与从稳压器出来的水在均质器中混和，混和均匀的重油和水在乳化器的旋涡加压乳化下，实现初步乳化。乳化重油通过齿轮泵、然后进入乳化器进行二次乳化形成均匀的乳化液。

该设备有三种运行模式:①一般运行模式，此时单片机控制通水电磁阀关闭，计量泵和乳化器电机等元件停止工作。油箱电磁阀开启后，油液直接送入柴油机，柴油机正常工作;②在线乳化运行模式，此时通水电磁阀开启控制水箱，同时将由转速传感器检测到柴油机主轴转速(或转矩)送入单片机程序进行分析，通过分析的数据结果来控制计量泵将水箱中水注入乳化器，生成乳化油;③停用模式，该模式只在船舶进出港口时使用。当船舶进出港时，柴油机改用柴油燃烧时，转换开关至停用模式。此时装置处于停用状态，当柴油清洗乳化装置管路后关闭相应阀门，保护传感器等精密件。

2.2 实验数据

整套设备由以下装置组成:运行控制及指示器、柴油机烟度测试仪、乳化装置和一台电脑。设备均布置在集控室附近，整个设备的安放不会影响机舱原有的布置，同时船舶的管路也不需要进行特殊的改进。在实际操作中，船员只需要掌握简单的开关切换就可以对该套设备进行操作。

对于节油率的试验，在实验室的台架上已经进行过，试验结果如下。

1)试验用柴油机基本参数。

柴油机型号 C6300ZC18B

标定功率/kW 1 323

缸径×行程/mm 330×380

气缸数 6

活塞总排量/L 161

额定转速/(r·min-1) 550

压缩比 12.5∶1

喷油压力/MPa 22.5

喷油提前角(顺车)/(°) 16～18

生产厂家 宁波中策动力机电集团

2)试验结果见表1。

表1 柴油机试验结果 %

从试验结果来看:在船舶常用的功率范围内(额定功率的85%～90%)，使用乳化燃料能较大程度降低氮氧化物的排放，同时也可以降低油耗。

3 局限性及有待解决的问题

1)设备稳定性。该套设备在设计时总共提供了5种掺水率以适应船舶运行状况，但实际情况是，由于船舶运行工况与实验室有着较大的区别，设备一直处于调试状态，故设备的稳定性和耐久性有待提高。

2)动力损失。实船运行状况表明，在柴油机相同转速的情况下，掺水率为5%工况下使用乳化燃料时喷油量有所增加，动力影响并未得以明显降低。如果该套设备能正常实现五种工作状态，掺水率达到了21%的极限，动力损失情况有待验证。理论上，NOx排放量随着掺水率的增大逐渐减少，但掺水量增加过大时，由于油品热值过低，将影响柴油机燃烧的稳定性，最终也将会影响动力输出，如何平衡节能与动力影响之间的关系在一定程度上困扰着航运企业。

3)安全性问题。乳化燃料的使用意味着同等情况下进入气缸内的水分将猛然增加，而气缸内的水分与燃油中的硫分结合必然生成硫酸。随着掺水率的增加，将严重腐蚀活塞、缸套、气缸头等零部件，增加维修工作量，长时间的积累会对主机的安全造成严重影响，缩短整机的使用寿命，这是目前最亟待解决的问题。相对于节能减排而言，船舶及航行安全是最重要的。

4)对NOx减排率的影响。从实验数据来看，该技术对NOx排放的降低率约为15%，与其它诸多文献的数据吻合。根据MARPOL公约附则Ⅵ的要求。已于2011年生效的柴油机氮氧化物TieⅡ排放要求较TieⅠ的标准降低约20%，配合了机内技术的燃油乳化技术勉强能满足该要求，而将在2016年生效的TieⅢ排放要求将较TieⅠ的标准降低约80%，按此公约要求，不管是机外合成或在线乳化技术都已不能满足其排放限值要求。因此，将燃油乳化技术作为降低NOx排放的主要方式并不十分合适。