船舶柴油机废气再循环技术研究与发展

船舶柴油机废气再循环技术研究与发展

0船舶柴油废气再循环egr新技术随着世界环境的恶化和人类环保意识的增强，近年来，防污染船舶的法律法规和技术发生了很大变化，控制车辆有害气体排放的要求非常高。以船舶柴油机的污染物排放为主的环境污染已经日益引起人们的关注。世界海事组织对船舶主动力即柴油机污染的控制也越来越严格。柴油机及其能源向绿色环保方向发展已经成为一种必然的趋势。我们对船舶柴油机的废气再循环(EGR)技术的研究状况,最新技术以及未来发展方向进行分析。2008年10月10日,IMO的海洋环境保护委员会(MPEC)会议上通过MARPOL73/78附则Ⅵ的修正案,定义了包括三个级别在内的IMO船用柴油机排放标准体系,增加了更加严格的TierⅢ标准,同意实现减排目标:2016年在排放控制区域(ECAs)达到更严格的TierⅢ要求。IMO排放标准日趋严格,见图1。满足TierⅢ阶段法规的技术措施主要为以下三种:在满足TierⅡ排放法规的柴油机机型上加装选择性催化还原(SCR)技术或者废气再循环(EGR)技术,以及双燃料的柴油机天然气模式。目前,SCR技术相比于其他技术,更加灵活,技术也相对更加成熟。所以众多大的柴油机厂商选择了SCR技术来应对TierⅢ排放法规。但是SCR技术也有着其弊端,这项技术设备投资和运行成本都相对高昂,因此各个船用柴油机厂商都没有放弃对成本相对低廉的EGR技术进行探索与研究。1减少燃气温度,减少nox排放气废气再循环技术就是利用废气的加入使燃烧区内氧气浓度降低,同时混入进气中的废气中所含的CO2,H2O等具有较大的热容量,从而达到降低燃气温度,减少NOx排放的目的。目前,柴油机NOx控制方法可以分为三类:一是机内净化,主要是根据NOx在气缸内的生成条件采取相应措施抑制其生成。二是后处理技术,后处理是指利用还原剂将尾气中已生成的NOx还原除去。三是前期处理,主要是燃油质量的提高与改善。各项技术措施对降低NOx排放所能达到的效果见表1。2国内研究现状我国对柴油机尾气排放控制起步较晚,标准也相对宽松,因此相应的净化水平与发达国家的相比存在一定差距。目前,国内在降低柴油机尾气排放方面的研究重点基本限于对车用燃油系统和尾气系统的改进。国内在最近几年也致力于船用EGR系统的研究,比如:武汉理工大学的钱作勤进行了船用柴油机排放措施以及船用EGR系统的控制措施的研究。李江华和江彦桥对船用NOx的产生机理进行了一系列研究,并且比较了几种减少船舶NOx排放的技术,对NOx净化效果、油耗率、烟度的影响等因素进行了分析,并对其中主要净化技术的净化效果、投资费用和运行费用等进行了比较分析。并且分析了船用EGR技术的优势以及需要做出的技术改进。李辉从实验和模拟两方面研究了EGR对柴油机晚喷燃烧和排放特性的影响,并且得到EGR率的增加,缸内平均压力和温度逐渐降低,NOx排放显著降低的结果。3egr对nox排放的影响国外针对废气再循环(EGR)系统的研究,已经在车用上有了很大的进展,并且也对船用的EGR系统进行了初步的研究。对于EGR系统的初步研究发现,EGR的确可以有效降低NOx的排放,但是对于柴油机的动力性却有了影响,并且并不是在所有工况下,EGR系统都可以运行。随着不同的工况,EGR率要有所改变,甚至要关闭EGR系统。因此单纯的EGR系统不能最大效用地满足国外严格的排放标准,因此,国外把更多的研究重点放在废气再循环(EGR)系统和其他技术相结合,从而降低NOx的排放。下面就对国外几种最新的研究成果进行简要介绍。3.1增压空气加压结合技术现代重工业有限公司(HHI)已经在研究增压空气加湿(ChAM)技术。就是使用水蒸气加湿空气,HHI通过在一个中速柴油机上将EGR技术结合ChAM系统来减少NOx的排放,并且已经通过实验结论。这项技术可以作为一种有效手段应对TierⅢ法规。EGR和增压空气加湿结合技术的原理图,见图2。柴油机EGR系统可以减少NOx的排放60%,EGR和增压加湿空气技术系统可以降低NOx排放75%,符合IMOTierIII的NOx的排放标准。但是,这种技术出现的问题是,降低NOx的效率受到水冷凝的限制,即当水浓度较高时压缩空气中的水会冷凝,从而限制了进入气缸的水量,所以NOx的下降量仅为10%~30%。而且该方法可能会对进气口和进气阀造成腐蚀或侵蚀,与此同时双系统的柴油机会导致燃油消耗率的恶化和CO的排放增加的问题。3.2后喷射与碳减排技术高EGR率导致了不必要和不可接受的烟尘排放,甚至增加空气注入压力。为了减少这些烟尘排放,就产生了后喷技术与EGR技术的结合。后喷技术证明是一种有效的碳减排措施。不同后喷射对烟尘排放效果已经显现。图3即为EGR与后喷射结合技术的原理图。在中速大型柴油发动机上没有推广EGR,主要原因是EGR尾气的高硫含量导致腐蚀废气燃料组件。当采用废气再循环技术时,废气中的烟尘排放量会不可避免地上升。这时可以应用多喷射技术,就是在主要喷射道使用后喷射技术,这是一种可以降低增加烟尘的有效措施。实验结果显示,碳烟排放可以通过后排放技术减少到40%。3.3级增压结合米勒循环降低NOx排放,因为它控制了较低的缸内气体的温度,提高循环效率,这项技术当时被用来满足TierⅡ排放标准。当有非常高的增压压力时需要较强的米勒循环,较强的米勒循环和二级增压的结合在减少NOx排放方面有较好的前景。两者结合大概可以减少NOx排放50%。但是这还不能符合IMOTierⅢ排放标准。因此,结合EGR技术将被视作应对排放标准的一种手段。但是一些诸如耐久性和可靠性的现实因素也需要考虑。3.4ham系统的原理HAM(HumidAirMotor)技术,最初是德国MuntersEuroform公司开发的一种改进型进气加湿系统。HAM系统是由加湿器、循环泵、增加水温的热交换器、泄放系统、水箱和过滤器等组成。其工作原理是用水蒸气加湿进气管中的进气,这种湿空气进入气缸燃烧,使燃烧最高温度降低,从而降低NOx的产生。图4是HAM系统原理图。从压气机中出来的热压空气进入被称之为“加湿器”的装置中,通过用发动机废热加热的水不断地冲刷热交换器表面,使水吸热汽化。由于过热空气的放热作用,使空气的相态发生变化,即从过热空气变化至饱和空气,同时使混合气温度降低。在加湿器中,经过3级加湿,压气机出口的约160℃的空气经加湿后的相对湿度达到98%,温度降低到65~70℃。为确保蒸发过程良好,在整个蒸发过程中只有5%~10%的水被蒸发。3.5变化的排放控制WEF(WaterEmulsifiedFuel)技术是使用水溶入油形成乳化油,在喷油之前将燃油和水进行乳化,再喷入气缸,可以降低NOx排放20%~30%。这项技术的主要优点是:设计上无需特别改变,对燃烧的稳定性无影响,即使水量达到30%,对燃油消耗率也没有影响,有利于排烟,水消耗率低(10%的水可使NOx减少10%),投资费用低。所存在的乳化油稳定性以及不用乳化油时柴油机性能变差、供油系统腐蚀等问题己得到了解决。对于二冲程柴油发动机,使用新开发的EGR&WEF结合技术可以有效应对TierⅢ排放法规。使用EGR和WEF结合技术的发动机,可以有效降低氮氧化物与燃油的消耗损失。有实验通过对MANB&W2S50ME-C发动机的实验,EGR&WEF结合技术可以使氮氧化物的排放达到预期的减排。这项技术中,将涡轮增压器切断系统(TurbochargerCut-outSystem)和变截面涡轮增压技术(VariableTurbineNozzleArea)使用到EGR系统中,涡轮增压技术可提高柴油机的空燃比,使燃烧完善,微粒排放大幅降低。然而,采用常规的涡轮增压技术不能保证在大部分转速范围内都与柴油机良好匹配,因此采用电控可变截面涡轮增压可以根据发动机的工况优化调节涡轮喷嘴截面积,以改变涡轮机的转速。这样就可以在燃油消耗量增加很少的前提下,减少NOx的排放,并且可以根据海域的不同来对这个系统进行开闭。同时,湿式除尘器(WetScrubber)以及废水处理系统(WasteWaterTreatment)也被应用到EGR&WEF系统中。这可以除去EGR系统的循环气体的SOx和PM,从而防止腐蚀和污染,起到净化空气的作用。湿式除尘系统的原理图见图5,废水处理系统原理图见图6。研究人员对水的残留物的检测和控制已经进行了大量的研究和试验。水处理系统现在是EGR系统最重要的系统之一。但是,这项技术也面临以下问题:EGR&WEF技术在NOx减排方面有很大前景,但是WEF对于限制NOx的排放是需要付出燃油消耗提高的代价。同时WEF为保持发动机的功率输出量,这种方法尚须使用超大尺寸的喷油装置,以及洗涤器洗水的中和剂将会成为提高EGR率的负担。如果EGR系统没有废气压力控制,那么废气压力、压缩压力和最高燃烧压力将会随着EGR率的升高而降低。这样会使燃油消耗变得更糟糕。因此,在现有技术上的改进是,将废气压力控制引入到高压力的EGR&WEF系统中。4电控egra.EGR是控制发动机NOx排放的一项重要措施,是一种发展趋势。b.柴油机EGR仍旧有很多技术问题等待解决。EGR的控制与调节是解决柴油机EGR问题的关键,是EGR研究的重点和难点。其中电控EGR不仅可以实现整个工况范围内EGR率的精确控制,保证EGR技术和发动机性能的优化匹配,而且可以使EGR技术和柴油机其它后处