燃油在線乳化技術應用分析

劉 安，馬晶晶，蔡愛國

(1.中國船級社武漢規范研究所，武漢430022;2.武漢航海職業技術學院，武漢430063;3.泰州中航船舶重工有限公司，江蘇 泰州225327)

燃油乳化技術不但可以降低發動機油耗，同時也可以降低氮氧化物(NOx)和顆粒(PM)等廢氣排放。對于提高柴油的品質及利用效率，降低柴油機械的比油耗，節約能源、改善環境、減少污染以及提高企業的經濟效益都有重要意義。鑒于該技術的諸多優點，不少科研單位將其作為節能減排的重點技術進行研究，但該技術在使用過程中也存在著一些問題，本文對在線乳化技術在實際應用中的問題進行分析探討。

1 乳化技術及其分類

船用柴油機廢氣中有害排放物主要有硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)以及碳煙等顆粒物(PM)等，其中SOx目前主要是通過燃油含硫量進行控制。PM的產生是一個復雜的、動態的組成，其產生和組分會隨著發動機的工況特征、技術水平和燃油品質等因素的不同而發生變化。NOx的生成受可燃混合物組成、燃料在反應區停留時間、燃燒溫度和工作壓力等因素的影響。燃油乳化技術就是通過降低氣缸溫度等來降低NOx的產生。

燃油乳化技術是將燃油和水按一定比例混合后噴入高溫燃燒室。理論上，增加一個百分點的水將減少一個百分點的NOx。此技術主要優點是:設計上無需特別改變;對燃燒的穩定性無影響;水消耗量低，投資費用低。燃油乳化技術分為:機外合成乳化油技術和在線乳化技術兩種。

20世紀70年代出現能源危機、環境污染等問題，由此人們開始關注和研究油摻水乳化燃燒技術，但早期的研究方向主要是機外合成乳化油技術。實踐證明，這種方法能夠有效地降低氮氧化物(主要是NOx)和碳煙微粒PM，但是，混合的乳化油也同時降低了燃燒室的溫度，而燃燒室過早的低溫容易導致加大點火延遲和加重發動機噪聲。而且，乳化劑的價格比較貴，配制的乳化油也很不穩定，長久放置容易分層。另外，使用乳化油對冷啟動和瞬態變換環境下的操作也不太有利。

在線乳化較機外合成技術有著明顯的優勢，國內有不少單位對此有所研究，并開始實船應用。

2 在線乳化應用的基本情況

2.1 船舶基本情況及設備構成

1)船舶基本情況。

船舶類型 貨

載重噸/t 8 036

總(凈)噸位 4 852(3 110)

建造年月 1991

總長(寬)/m 109.58(18.3)

滿吃水/m 7.25

國籍 巴拿馬

船級 CCS

2)在線乳化設備特點。該套設備采用了加壓方式精確控制油水的比例從而實現燃油的乳化。通過這一方式省去了昂貴的乳化劑，降低了使用成本，同時也避免了機外合成技術中出現的乳化油分層和破乳、不能長期儲存的弊病。具體的在線乳化過程見圖1。

圖1 重油在線乳化過程示意

在柴油機燃油系統管路中并聯一個水路和乳化系統，使用轉換閥在原管路與乳化裝置之間進行切換。水管與水箱連接，經摻水電磁閥接到計量泵的吸入口。進油管與油箱連接，油箱中裝有加熱器，使180 mm2/s重油加熱到125℃。重油經油路電磁閥與從穩壓器出來的水在均質器中混和，混和均勻的重油和水在乳化器的旋渦加壓乳化下，實現初步乳化。乳化重油通過齒輪泵、然后進入乳化器進行二次乳化形成均勻的乳化液。

該設備有三種運行模式:①一般運行模式，此時單片機控制通水電磁閥關閉，計量泵和乳化器電機等元件停止工作。油箱電磁閥開啟后，油液直接送入柴油機，柴油機正常工作;②在線乳化運行模式，此時通水電磁閥開啟控制水箱，同時將由轉速傳感器檢測到柴油機主軸轉速(或轉矩)送入單片機程序進行分析，通過分析的數據結果來控制計量泵將水箱中水注入乳化器，生成乳化油;③停用模式，該模式只在船舶進出港口時使用。當船舶進出港時，柴油機改用柴油燃燒時，轉換開關至停用模式。此時裝置處于停用狀態，當柴油清洗乳化裝置管路后關閉相應閥門，保護傳感器等精密件。

2.2 實驗數據

整套設備由以下裝置組成:運行控制及指示器、柴油機煙度測試儀、乳化裝置和一臺電腦。設備均布置在集控室附近，整個設備的安放不會影響機艙原有的布置，同時船舶的管路也不需要進行特殊的改進。在實際操作中，船員只需要掌握簡單的開關切換就可以對該套設備進行操作。

對于節油率的試驗，在實驗室的臺架上已經進行過，試驗結果如下。

1)試驗用柴油機基本參數。

柴油機型號 C6300ZC18B

標定功率/kW 1 323

缸徑×行程/mm 330×380

氣缸數 6

活塞總排量/L 161

額定轉速/(r·min-1) 550

壓縮比 12.5∶1

噴油壓力/MPa 22.5

噴油提前角(順車)/(°) 16～18

生產廠家 寧波中策動力機電集團

2)試驗結果見表1。

表1 柴油機試驗結果 %

從試驗結果來看:在船舶常用的功率范圍內(額定功率的85%～90%)，使用乳化燃料能較大程度降低氮氧化物的排放，同時也可以降低油耗。

3 局限性及有待解決的問題

1)設備穩定性。該套設備在設計時總共提供了5種摻水率以適應船舶運行狀況，但實際情況是，由于船舶運行工況與實驗室有著較大的區別，設備一直處于調試狀態，故設備的穩定性和耐久性有待提高。

2)動力損失。實船運行狀況表明，在柴油機相同轉速的情況下，摻水率為5%工況下使用乳化燃料時噴油量有所增加，動力影響并未得以明顯降低。如果該套設備能正常實現五種工作狀態，摻水率達到了21%的極限，動力損失情況有待驗證。理論上，NOx排放量隨著摻水率的增大逐漸減少，但摻水量增加過大時，由于油品熱值過低，將影響柴油機燃燒的穩定性，最終也將會影響動力輸出，如何平衡節能與動力影響之間的關系在一定程度上困擾著航運企業。

3)安全性問題。乳化燃料的使用意味著同等情況下進入氣缸內的水分將猛然增加，而氣缸內的水分與燃油中的硫分結合必然生成硫酸。隨著摻水率的增加，將嚴重腐蝕活塞、缸套、氣缸頭等零部件，增加維修工作量，長時間的積累會對主機的安全造成嚴重影響，縮短整機的使用壽命，這是目前最亟待解決的問題。相對于節能減排而言，船舶及航行安全是最重要的。

4)對NOx減排率的影響。從實驗數據來看，該技術對NOx排放的降低率約為15%，與其它諸多文獻的數據吻合。根據MARPOL公約附則Ⅵ的要求。已于2011年生效的柴油機氮氧化物TieⅡ排放要求較TieⅠ的標準降低約20%，配合了機內技術的燃油乳化技術勉強能滿足該要求，而將在2016年生效的TieⅢ排放要求將較TieⅠ的標準降低約80%，按此公約要求，不管是機外合成或在線乳化技術都已不能滿足其排放限值要求。因此，將燃油乳化技術作為降低NOx排放的主要方式并不十分合適。