Wärtsilä船用低速柴油机废气排放控制技术应用分析

2010-05-07李玉林

船舶与海洋工程 2010年4期

李玉林

（上海中船三井造船柴油机有限公司，上海 201306）

0 引言

船用低速柴油机废气排放中的NOx（氮氧）和SOx（酸氧）及CO2（碳氧）等空气污染物对全球环境和气候产生的严重影响，已成为当前国际社会关注的热点。人们所知的IMO tierⅡ（国际海事组织船机排放限值标准）已对船用低速柴油机废气排放的 NOx和 SOx提出了更为严格的限制规定。此外，还首次提出了对柴油机CO2和PM（颗粒物）排放的控制[1]。船用柴油机的废气排放控制技术因而成为一项关键技术。为应对下一个NOx排放的限制，对Wärtsilä RTA/RT- flex船用低速柴油机应用的主要技术方法及其特点作了研究与分析。

1 扩展内部调整的方法

Wärtsilä的内部调整方法也就是机内调控措施，这些方法在满足IMO tierⅠ时就已经采用，柴油机运转表明对可靠性并没有不良影响[1]。由于在内部调整方法的应用上有多种组合方式，因此扩展这种方法是该型船用柴油机满足IMO tier II排放规则首要采取的技术方案。按照这些技术的特点，内部调整方法可以分为“干式工艺”和“湿式工艺”。其中干式工艺简单、有效，而湿式工艺技术则比较复杂，但是降低NOx排放效果较好。

1.1 干式工艺

采用提高压缩比、延迟燃油喷射定时和排气阀定时及喷油器设计参数等方法来满足柴油机降低废气有害物排放的要求。

1.1.1 延迟燃油喷射定时

柴油机的氧化物 NOx是由于气缸内高温燃烧条件下空气中氧和氮的反应而生成。延迟燃油喷射定时可以降低气缸燃烧初期的高温，使燃烧过程更为迅速，缩短氧和氮在高温条件下的滞留时间从而抑制 NOx的生成。在燃烧劣质燃油时，会使柴油机的着火延迟，燃烧速度减慢，最高燃烧压力降低，因而燃油的消耗稍有增加。Wärtsilä在RT3X试验机上的试验也表明：柴油机在 100%负荷时，燃油喷射延迟曲柄转角2°可以减少25%的NOx排放，但是气缸压力将降低1MPa，燃油消耗将增加3%[2]。

1.1.2 提高压缩比

采用内部调整方法减少柴油机 NOx排放，提高压缩比是必不可少的措施。现代船用柴油机由于喷射压力提高，燃烧持续时间缩短。结合延迟燃油喷射定时，通过加厚活塞杆端部的垫片使活塞在气缸内的凸出高度增加，减小燃烧室容积。压缩比提高后使柴油机压缩温度提高,缩短柴油机滞燃期，减少燃烧过程中的NOx的生成。如果采用Miller（米勒循环）[3]把提高压缩压力作为一项补充措施进行组合，则可以很好地互为补充，减少柴油机高负荷范围内NOx的排放。

1.1.3 优化排气阀定时

排气温度与气缸内热负荷的大小和燃油质量的好坏有关。延迟燃油喷射会造成排气温度的增高，但是现代船用柴油机的平均有效压力meP 和扫气压力sP都有了很大的提高，通过与Miller循环相结合，延迟排气阀关闭可以降低气缸内的最高燃烧温度，提高柴油机内部废气的循环效率，降低NOx的生成。

1.1.4 采用低NOx喷油器

改善柴油机燃烧的一个重要途径是采用高压喷射技术使燃油微粒化并产生有效的涡流。Wärtsilä的低 NOx喷油器的概念就是对喷油器的几何形状、喷嘴的喷油孔径、喷油孔的数量、喷射的角度等参数进行新的优化和设计。新的Min-sac喷油嘴与原有的喷油器比较，在燃油雾化和燃烧特性，缩短滞燃期方面能够适应燃油喷射定时变化的需求，因而在降低NOx排放方面起到显著的作用[2]。

1.1.5 采用效率更高的增压器和空冷器

为了适应船用柴油机平均有效压力meP 和扫气压力sP的不断强化及与Miller循环相结合，采用高效率增压器是船用柴油机技术发展的趋势。如：在Wärtsilä RTA/RT- flex船用低速二冲程柴油机上采用瑞士 ABB的 A100-L型增压器的压比都已达到5.8:1。与此同时，Wärtsilä在保持柴油机空冷器原有外形尺寸不变的情况下，通过提高空冷器材质性能，改进翅片形状，增大散热面积，提高了冷却效率15%，为满足IMO tier II排放规则降低柴油机的NOx排放创造了条件。

1.2 湿式工艺

在柴油机燃烧过程中，把水与燃油混合能降低最高燃烧温度，使 NOx的生成量减少。在多种多样的湿式工艺中，燃油乳化技术和直接喷水技术较典型而且研究的时间也最长[2]。

1.2.1 燃油掺水乳化技术（WFE）

采用WFE（Water-Fuel Emulsions）燃油掺水乳化技术，从理论上讲可以降低柴油机 50%的 NOx排放。但是 WFE加水比例首先受到燃油喷油泵喷射能力的限制。对于机械式凸轮轴驱动的柴油机来说，欲最大程度降低柴油机高负荷下 NOx排放，其喷油系统及其相关的零部件还需重新设计。由于WFE掺水比例受到乳化黏度和加热要求的限制，喷油器的喷油孔径等设计必须适应流体喷射量加大的变化，因此对喷油器的雾化性能也就提出了更高的要求。同时，由于机械式凸轮轴驱动的柴油机在燃油喷射定时方面的局限性，在喷油器不喷水时，将会对燃油的消耗和零部件产生过热[2]。然而，电子控制的共轨型 RT-flex柴油机在参数设定、喷油模式上具有很大的灵活性，如图1所示。采用WFE在喷射乳化燃油或仅仅喷射燃油时，对不同的喷射定时、喷油模式和控制性能都容易调整和适应。此外，柴油机还可以按负荷和转速的变化进行优化，电子喷射系统可控制 WFE燃油乳化添加剂与柴油机负荷相匹配的剂量。WFE在全电子控制的共轨型RT-flex柴油机的应用上虽然也会遇到因加水比例而受到燃油喷油泵喷射能力限制的问题，但是与机械式凸轮轴驱动的柴油机比较，可以满足燃油乳化对燃油泵容量的要求，所以 WFE技术能把柴油机的NOx排放降低30%以上。

图1 燃油的三种喷射模式

1.2.2 直接喷水技术（DWI）

采用DWI（Direct Water Injection）直接喷水技术可以有效地降低气缸内最高燃烧温度 50%～60%，对燃油喷射系统的喷射性能没有影响，还可降低柴油机的NOx排放。图2所示CFD(计算流体力学)的仿真计算表明：由于RT-flex共轨型柴油机的燃油喷射受到精确的电子控制和设定，因而为DWI提供了喷射最大水量的可能性。水和燃油的喷射是在气缸压缩过程中以喷油器上2个内置式喷嘴在针阀的作用下进行并行或独立的喷射。燃油的喷射特性不受喷水开启/ 关闭影响。DWI可以以100%的水，即水和油的比例为1:1喷射。试验表明：在70%的水和油的比例下，DWI能够减少50%的NOx排放[2]。尽管DWI在试验机上运转了相当的时间，但是仅以试验机的结果作为实船运转的依据是不充分的，因为在实船上采用 DWI还必须对水质进行充分的处理并具备提供足够水量的能力。

图2 CFD仿真计算，采用DWI与NOx生成比较

1.2.3 水喷射与废气再循环结合（WaCoReG）

如图3所示，DWI技术可以在柴油机上单独采用，也可以与 EGR（Internal Exhaust Gas Rrecirculation）内部废气再循环的方法结合使用。内部 EGR是通过排气阀定时延迟，使气缸内的残余废气增多，减少氧含量从而达到减少NOx生成。但是内部 EGR因为没有冷却，对降低燃烧温度不利。通过对残余气体的喷水冷却技术 WaCoReG（Water Cooled Residual Gas，combining internal exhaust gas recirculation with direct water injection）可以把减少NOx排放70%～80%。一般来说，EGR会增加柴油机的热负荷。但是，与水喷射方法相结合可以降低燃烧室内最高燃烧温度，把柴油机的热负荷保持在柴油机没有采用内部EGR运转时的等同水平。采用 WaCoReG，在气缸压缩过程中进行喷水要比单独采用DWI稍稍提前。由于EGR是在燃油燃烧的源头上通过有效减少气缸氧含量，提高气缸进气的比热容，减少燃烧速率来抑制 NOx生成的，所以与四冲程中速柴油机的外部EGR（一般通过外部排气支管把部分排放的废气与新鲜空气混合为充量重新参与燃烧）比较，采用改进扫气过程来降低气缸里的氧纯度要更为合理一些。这就是当二冲程柴油机采用内部 EGR并在气缸开始压缩时，通过降低扫气口的高度来减少气缸扫气空气的流通量，以满足采用小型号增压器来减少气体流的要求。同时，降低的扫气口的高度也有利于气体在气缸里能较好地膨胀并且改进燃油的燃烧特性[2]。因为，减少气体流可以从提高的废气排放温度中获益，有助于废热回收系统对热能量的回收再利用。

图3 采用WaCoRec技术示意图

2 电子控制技术的应用

为了满足IMO tier Ⅱ的排放规则，Wärtsilä为电子控制的RT-flex柴油机推出的Standard Tuning（标准运转）、Delta Tuning（三角形运转）及Low Load Tuning（低负荷运转LLT）3种运转模式，由于低 NOx概念喷油器的使用和共轨系统燃油喷射和排气阀参数设定的灵活性，因此不需要改变硬件设施，只需对 WECS9520（Wärtsilä柴油机控制系统）相关参数的设定进行柔性化的调整，其运转模式的特点如下：

2.1 标准运转和三角形运转

这两种运转模式称之为成本优化模式，其在主要运转范围内的两种标准燃油消耗率曲线，如图 4所示。通过这两种运转模式的软件控制进行参数调整，以柴油机 90%负荷为交汇点，在中、低负荷运转范围的燃油消耗率 BSFC（Brake Specific Fuel Consumption）可以低于柴油机 90%负荷以上的BSFC，因而中、低负荷运转范围节省出的BSFC可以补偿给柴油机在 90%以上高负荷运转时作为降低NOx排放的补偿。这两条BSFC曲线表明：在柴油机整个运转范围内都能满足IMO tier Ⅱ排放规则。目前，这两种运转模式是 Wärtsilä各型船用低速柴油机满足IMO tierⅡ废气排放规则的标准技术选择。

图4 RTA-RT-flex96C柴油机成本优化型运转示例

2.2 低负荷运转

近年来，柴油机专利商们一直致力于通过船舶减速航行的方式来进一步降低柴油机的燃油消耗和废气排放。Wärtsilä的低负荷运转同时又称为效率优化型运转模式，其特点是利用提高柴油机扫气压力与高压比A100-L高效增压器的结合，通过提高辅助风机电机 35%～40%的功率以及调整软件控制的参数设定，改进柴油机燃烧性能使船舶航速降低，在 40%～75%负载范围运转时显著地减少燃油的消耗以取得节能减排的效果。采用LLT需要在排气集管上专门设置一个气动旁通阀并外接一根专用排气管用于释放多余的废气，以防止柴油机在高于80%负载时废气能量对增压器的过载作用。

3 改进燃油品质

3.1 采用低硫燃油

减少SOx排放主要是降低燃油的含硫量。欧盟要求所有船舶2010年1月1日起必须采用含硫量小于0.1%的蒸馏油。虽然低硫燃油由于其燃烧特性会在活塞头部形成过多积碳，容易对气缸产生酸性腐蚀，实际使用上还存在如黏度低易引起零件磨损等问题，这些都增加了低硫燃油的使用复杂性。但是 Wärtsilä RTA/RT- flex船用低速柴油机采用Tribopack（减磨设计方案）[4]后的运转经验表明：RTA/RT- flex船用低速柴油机都可以适应燃用低硫燃油的所有情况,可以在最大程度上降低对低硫燃油的敏感性。

3.2 50DF双燃料船用柴油机

为了符合低排放的要求，液化天然气（LNG）燃料受到航运界的关注。Wärtsilä的50DF双燃料船用柴油机可以适应燃烧形式变化的需求，对 LNG和燃油之间进行灵活的切换[4]。LNG和燃油在柴油机的运转结果比较表明: 废气排放中 NOx降低了90%，PM减少了37%，CO2减少了25%，实现了硫化物的零排放。因此，50DF双燃料船用柴油机受到欧洲市场的欢迎。

4 后处理技术

4.1 废热回收装置（WHR）

一般而言，船用柴油机的热效率为50%。采用WHR（Waste Heat Recovery Plant）废热回收装置使柴油机废气排放的总体水平可以显著降低，由WHR产生的电力可用于增加船舶推进系统和其它方面的用电。从等效的观点上来说，WHR减少了柴油机 12%的燃油消耗，减少了废气的排放，柴油机的热效率因而可提高55%～56%[5]。WHR技术特点在于柴油机增压器从机舱外直接进气（又称舷外进气），避免机舱内高温空气对增压器性能的影响。通过与增压器的匹配，增加了柴油机在整个负载范围内的废气能量。通常，船用柴油机增压器从机舱进气的进口温度设计值按热带条件为45℃，但是采用舷外进气，增压器的进气口温度不会超过35℃。这样柴油机的热负荷将低于通常设计条件的状态而获得很高的废气能量。由于现代的高效率增压器在与柴油机负荷范围的匹配上具有一定的裕度，所以柴油机大约10%的废气流可以从增压器布置上分岔出支流用以带动发电设备的动力涡轮或为废气锅炉提高蒸汽温度。柴油机采用与舷外进气方式的增压器匹配后由于热负荷降低对柴油机可靠性没有影响。因此柴油机排放的废气流中的能量因而能被回收，产生约为12%柴油机功率的电能可用于轴带发电机或船上的其它方面的用电，如图 5所示。例如：在一条主机功率为29400kW的VLCC（超大型油船）船上，安装能够提供 1000kWe的WHR装置，就可以使得该轮在海上航行时，无需再运转其它辅机系统。这样该船将在一年里可节省超过1400t燃油的同时也降低了废气的排放，特别是CO2的废气排放。所以WHR在降低船用柴油机的燃油成本和控制废气CO2、、SOx、NOx等两方面都起到了显著的作用。

图5 WHR示意图

4.2 选择性催化还原法（SCR）

船用柴油机采用 SCR（Selective Catalytic Reduction）选择性催化还原法技术对废气排放进行后处理，可降低柴油机90%的NOx以至更多的排放。SCR是通过剂量喷射和在催化设备处理以前把含氨的添加剂（如尿素类）溶液的混合物喷入排出的废气流中。经混合以后的废气在流经催化设备的处理后，此时的废气流中的绝大部分 NOx转化成氮气和水蒸气。在Wärtsilä的船用低速柴油机上，SCR技术的设备通常布置在柴油机排气支管后和增压器涡轮进口之间，选择这个位置是保证废气温度≥350℃，这是催化剂工作特性最为理想的温度，以便对废气进行催化处理，图6是SCR技术应用在3条RO-RO滚装船上7RTA52U柴油机的配置示意，其NOx的排放都达到5g/kWh水平。据Wärtsilä介绍，如果在RT-flex共轨柴油机上也采用SCR技术，就可充分利用电子控制的共轨柴油机的灵活性，把燃油消耗降低到最低程度并使 SCR获得效果最好的NOx排放水平。目前有近百台Wärtsilä船用柴油机采用了SCR技术，预计到2016年实施IMO tier Ⅲ排放规则时采用SCR技术的可能性极大。但是SCR的投资昂贵，还需要占有较大的安装空间，这是SCR技术目前还不能普遍推广采用的主要原因。

图6 SCR布置示意图

4.3 海水洗涤法

海水洗涤不失为一种可选择的方法。该技术由Wärtsilä与专业机构合作研发，它的结构并不复杂，主要是充分利用海水的天然碱性，因此几乎可以洗涤掉柴油机废气排放中 80%的 SOx[4]。2006年Wärtsilä启动了这种海水洗涤装置试验，随着IMO对海水洗涤技术的认可也加速了它的实船应用。

4.4 研发中的新技术

干式静电沉淀器,微粒过滤器,固体氧化物燃料电池（SOFC）等都是Wärtsilä船用柴油机近年来研发出的新技术，这些“绿色、环保”的新技术对大气环境不产生影响，它们的诞生有力地推动了船用柴油机排放技术的多样化发展。

5 减少气缸润滑油消耗

气缸润滑油在柴油机中并非仅仅为了在活塞环和气缸套之间提供良好的润滑功能，还将进入燃烧室起到中和燃油硫元素和酸性腐蚀物等作用[4]。但是润滑油黏度大，挥发性低，难以雾化致使燃烧不充分。所以进入燃烧室的润滑油非常容易形成不可燃烧物质的HC（碳氢化合物）和PM（颗粒物）。减少气缸润滑油的消耗旨在减少HC和PM。Wärtsilä近年推出PLS（Pulse Lubricating System）气缸润滑油脉冲式注油系统受到航运界的欢迎。由于采用电控技术以精确的计量和定时，使气缸滑油在气缸壁上分布更为均匀，气缸润滑油进油率可随柴油机负荷和转速变化而优化，也可按柴油机工作状态调整，因而进油率已降低到0.7～0.8g/kWh，减少了柴油机润滑油的消耗。