干式洗涤技术：脱硫药剂和清洁技术 6-2020年的限硫令-应对法规要求的策略 Uwe Etzien1，Robert Bank1，Rom Rabe2，Thomas Bauer3 （ 1.FVTR GmbH，2.University of Applied Sciences Flensburg，3.Solvay Chemicals GmbH3） 摘要：2020年全球硫排放法规的实施是目前航运业新技术和燃料概念的主要推动力。根据不同航运业的范围和要求，在不久的将来可能会有多种燃料兼容的解决方案。一种可能是进一步使用含硫残油与洗涤器相结合的方法。 相对于湿法脱硫系统，干法脱硫技术在洗涤器下游具有额外的脱硝作用。因此，本文开展了进一步研究和开发工作，将基于陆用系统的钠粉和过滤概念转化为海上应用的新型干式洗涤器概念。向废气中注入无害吸收剂和耐高温过滤器是该系统的两个关键特性。该粉末的最低活化温度是140度，适用于大型二冲程和中速四冲程柴油机的废气净化。废气过滤的一个积极副作用是高颗粒去除率。 本文首先阐述了新型干法脱硫的概念，并结合吸附剂的特点，强调了干法脱硫概念在船运工业中的特殊优势，包括在早期开发阶段用于产品优化的现有陆用系统的简要概述。此外，本文介绍了产品本身的优化，以及改造安装和新建船舶安装的布置方式。在技术方面，介绍了中速四冲程柴油机试验台的试验结果。本文对典型离岸运行条件下的实测结果进行了展示。整套系统安装在一台燃用重油的船用辅机的排气下游。 关键词：干式脱硫方法；碳酸氢钠吸附剂；直接喷射；实船验证 译者简介： 金玉山，男，40，中国船舶重工集团公司第七一一研究所，高级工程师，专业方向：性能排放。 翻译：金玉山 校对：李翔

某低速二冲程发动机配套涡前SCR系统的性能分析 4-减排技术-未来技术储备 Xingyu Liang，Bowen Zhao，Fei Zhang，Peijian Yang， Enxing Zhang，Xinyi Cao，Qingling Liu （天津大学） 摘要：国际海事组织（IMO）提出了比Tier II更为严格的Tier III排放法规，即严格限制船舶发动机产生的NOx排放。为满足IMO Tier III规定，船用发动机制造商必须采用适当的NOx减排技术或使用额外的后处理装置，这些技术可将NOx排放量降低95%以上，且在车用发动机上得到了广泛应用。SCR的工作原理是将尿素溶液注入废气，在一定的催化温度下，将SCR系统中的NOx转化为N2。然而由于船用发动机排温较低，传统的SCR催化剂转换温度范围较大，限制了SCR在船用低速二冲程柴油机上的应用。目前有几种方法可以克服这一限制，其中之一是开发适合于较低温度的创新催化剂，或将SCR布置在涡轮增压器之前，置于较高的温度和压力下。通过对布置在涡轮前SCR的研究，与其布置在涡轮后进行对比，可以减小布置在涡轮后SCR的体积，提高燃油经济性。柴油机制造商MAN B&W公司已将布置在涡轮增压前SCR应用于实际船用柴油机中。 本文研究了涡轮前SCR和传统的增压器后SCR对船舶发动机NOx减排性能、燃油经济性等性能指标的影响。由于低温催化剂Cu-chabazite良好的催化活性，它被用来在做模拟研究和建立涡轮前和涡轮后SCR后处理模型，分析低速二冲程柴油机上不同位置SCR的影响。基础发动机上，涡前和涡后温度随着负荷的增加而增大。发动机负荷从25%到100%时，温差在50～200°C。SCR系统布置在涡后位置时，SCR入口压力略高于大气压。SCR布置在涡前位置时，SCR入口压力在全负荷时明显增大到4.2 bar，同时产生的压降明显小于涡后位置。发动机在全负荷下运行时，布置在涡前SCR产生为0.07bar，约为涡后SCR压降的一半。压降越大，排气背压越大。因此，涡后SCR的船用发动机背压较大，并随发动机负荷的增加而增大。涡前SCR系统相比涡后SCR系统在燃油消耗率和功率输出方面具有优势，燃油消耗率减少0.66%，满负荷时输出多1%功率。在NOx减排方面，涡前SCR转化效率普遍高于涡后SCR系统，两种系统转化效率差异为31.86%。随着发动机负荷的增加，SCR内的空速和NH3氧化活性增加，导致涡前SCR系统NOx转化效率略有下降。一般来说，船用低速二冲程柴油机涡前SCR系统比传统的涡后SCR系统产生的压降更小，导致排气背压相对较低，具有燃油经济性和动力性的优势。同时涡前SCR系统在较高的废气压力和温度下，NOx转化效率较高，可以符合更严格的排放法规。 关键词：软件仿真；SCR；还原反应；铜基催化剂；排放分析；转化效率 译者简介： 金玉山，男，40，中国船舶重工集团公司第七一一研究所，高级工程师，专业方向：性能排放。 翻译：金玉山 校对：李翔

如今针对内燃机的法规越来越严格。从2020年开始，国际海事组织规定的船用燃油将会改变，燃油中的硫含量需要低于5%，使用超低硫燃油是行之有效的解决方案。本文对这些低硫新型燃料用光学燃烧分析仪在二冲程柴油机上进行了实验，并对它们的联系进行了讨论。 光学燃烧分析仪对十五年来各种船用燃油的着火和燃烧特性进行了评估。本文中光学燃烧分析仪是一个有大石英玻璃窗的定容弹，可以实现柴油机的高压和高温条件。为了实现稳定的扩散火焰，采用单孔单束喷油，喷油持续期为30ms。喷油之后燃油自着火，燃烧开始。滞燃期是利用4个光电探测器对燃烧过程的发光特性分析确定。燃烧起点和喷雾火焰通过高速摄像机进行观测，并确定自动着火的位置。火焰顶端贯穿距、抬升高度、后燃特性等燃烧现象通过图像处理详细分析。本文对光学燃烧分析仪进行了优化，使其可以研究再柴油机上采用EGR降低NOx排放的可行性。氧气含量可以在21%～16%之间调整，当氧气含量降低时，所有燃油的滞燃期都增加，抬升高度变长。降低氧气含量可以使着火特性和燃烧特性变差。因此，本文对2种产自马来西亚和荷兰的超低硫燃油：低硫柴油和重油，利用燃烧分析仪进行了评估。 接着，对荷兰的超低硫燃油和低硫柴油在二冲程单缸机上进行了试验。缸径和冲程分别为400mm和1360mm。通过缸压曲线对柴油机性能和放热率进行分析，并测量了NOx和PM的排放，对各种燃油的燃烧特性的关系进行了讨论。燃烧分析仪与柴油机的结果表明，超低硫燃油的燃烧特性与低硫柴油非常接近。

通常，随着发动机尺寸增大，冷却损失减少，其效率增加。然而对于气体发动机，随着缸径的增加，由于爆震限制线降低，使其很难维持稳定的燃烧。因此，为了实现大缸径发动机的高效率稀薄燃烧，有必要研究一种稳定燃烧技术，既能避免异常燃烧，例如爆震，又能减少冷却损失。项目初期设立了多个研究课题来实现560mm缸径发动机的稀燃稳定燃烧，并在一台新的单缸机上进行试验验证。研究内容分别是： i） 优化燃烧室温度分布技术的研究； ii） 燃烧速度发展技术的研究； iii） 米勒循环优化技术研究； iv） 下一代点火技术研究； v） 均质混合气形成技术研究。 最终开发了一种在目标功率下能够实现稳定燃烧的燃烧技术。在本文中，简述了其研发过程。此外，简略的介绍了这套系统的概况，利用此系统可以在未来进一步提高最大爆发压力。 为了减小在试验阶段的评估变量，在前期开发阶段利用FEM、CFD分析技术进行了研究，提高了开发效率，在本文中也对此进行介绍。 本文的试验结果来自于NEDO项目。

尽管与同水平的柴油机相比，固定式天然气发动机的污染物排放很少，但其仍然是发动机制造商关注的主要发展问题。当消费者要求高能量密度、低油耗及低安装成本时，社会却致力于降低整体污染物排放以保持当地的空气质量水平。对于采用稀薄燃烧技术和开式燃烧室的发动机，NOx的形成过程相对简单，即主要由温度和可燃混和气的组成决定。但对采用稀薄燃烧技术且含预燃室的发动机，由于可燃混和气在预燃室与主燃室间存在分层，且不同燃烧室内的温度分布和混合气构成均存在差异，相应NOx的形成过程则更为复杂。先前的研究结果表明，对于预燃室式发动机，绝大多数的NOx在预燃室内形成，特别是发动机在稀燃极限附近运行且主燃室内的空燃比为2.0左右时。为更深入了解预燃室内NOx的形成过程，本论文同时采用理论和试验的方法进行研究。本文从根本上分析了控制NOx生成的物理和化学机制。其中，作者改进的一维模型在某种程度上可从物理和化学机制上准确反映主燃室和预燃室的分层情况。本文利用该模型模拟了NOx排放，并与宽工况范围内整机NOx排放和不同曲轴转角下预燃室内的NOx排放试验结果进行了对比。同时，本文还详细介绍了利用高速气体取样阀精确测量预燃室中气体成分随曲轴转角变化的方法。本文的试验和讨论结果为中速天然气发动机预燃室对总NOx的影响提供了清晰的理论解释。

随着排放法规越来越严格，燃油品质要求也会日益提高。由于不同种类燃料理化特性的差异，通常不能简单的直接应用于现有的燃烧系统。燃油品质会影响发动机材料的选择和发动机校准和优化的限制，同时也会影响发动机排放、动力输出和驾驶性能。目前，该研究是另外一个更大项目的一部分，其目标是在不改变或少量改变发动机结构的情况下，提高发动机燃料使用的灵活性。本研究主要是阐释不同特性的燃料是如何影响燃烧过程，特别是滞燃期和缸内燃烧过程。Herzog采用PAC十六烷点火延迟510分析仪对9种船用和电厂的燃料的着火特性进行了研究。测量得出的十六烷值也用EN15195（IQT）方法进行了验证。研究的燃料分为四组：第一组-低硫轻质燃油和基准燃油、第二组-商业替代燃油、第三组-可再生替代燃油和第四组-含可再生燃料的混合燃油。CID510分析仪的结果表明，一些可再生替代燃料的点火性能比一些已经商业化的替代燃料好。包含可再生燃料在内的一些替代燃料适用于压燃式发动机，比如说基准燃料。相比之下，有的燃油在压燃式发动机中使用时具有较长的滞燃期，发动机的启动和停止必须采用燃油品质更佳的燃油。

由于缺乏对火焰里碳烟生成和氧化过程的定量描述，因此很难预测柴油燃烧碳烟排放。因此，本文将通过试验，研究了不同环境条件及喷射条件对柴油射流火焰中碳烟生成及氧化特性的影响。为了详细观察这一现象，在高压定容弹内生成柴油射流火焰，通过双色法分析火焰温度和碳烟浓度。定容弹内的高温高压条件通过氢气、氧气和空气的混合气燃烧实现，且燃烧后混合气中氧气含量处于预想值。氢气燃烧后，当定容弹内环境气体压力达到预想值时进行喷射，喷雾燃烧随即被记录下来。本次试验用的喷油系统是由作者自己设计的电控蓄油腔式的喷油系统。喷雾燃烧通过彩色高速相机拍摄，2色法用来计算火焰中温度和碳烟的二维分布。本文主要研究参数为环境气体密度及喷孔直径。试验结果表明，火焰中碳烟的分布可分为两个区域，一个处于喷雾前端漩涡区，另一个处于喷雾内部的锥形区。因此，碳烟的生成和氧化特性必须针对两个区域分别讨论。在喷射刚开始时，火焰在喷雾前端的漩涡区迅速发展碳烟也随之在该处迅速发展，然而在最初的燃烧过后，火焰开始处于一个准稳态过程且前端漩涡处不再出现明亮的碳烟区。因此，喷雾前端漩涡处的碳烟生成和氧化可以认为是一个瞬时现象。与之相反的是，喷雾内部锥形区内，火焰开始处于准稳态开始时与燃烧结束前的碳烟分布基本相当。因此可以认为火焰内部锥形区域内的碳烟生成和氧化是相对稳定的。从这些试验现象可以看出，不同试验条件下准稳态火焰中的明亮火焰的长度可以区分开来，且决定火焰长度的控制参数为油气混合质量及火焰前端位置，在非燃烧条件下火焰长度可以通过当量比较好地预测出。

双燃料发动机通常由主燃烧室（MCC）、预燃室（PCC）或扫气预燃室内的火花塞点燃。由于具有较高的点火能量，船用双燃料发动机一般采用扫气预燃室的点燃模式。为研究扫气预燃室的设计策略，本研究对一台典型船用低速双燃料发动机进行参数化研究。假设MCC和发动机边界条件都保持不变，本工作关注PCC的结构参数，包括体积比，管口长/直径比和引导燃油喷射方向对扫气效率、甲烷逃逸、峰值压力、累计放热量（AHR）、指示功率、平均有效压力（IMEP）、指示燃气消耗（ISGC）、氮氧化物排放的影响。有研究指出，高温时由MCC进入PCC的燃气会增加氮氧化物的排放，因此，在本文中同时研究了回流现象。 本研究基于传统计算流体力学软件（CFD）STAR-CD实现，相关数值模型经过试验数据验证。本文的研究成果展示了PCC结构设计参数对发动机特性的影响，并将为低速双燃料发动机的开发提供理论支持。

对于预混的奥拓循环天然气发动机而言，缸内润滑油滴的自燃是导致缸内预混混合气被提前点燃的主要原因之一，这是最具威胁的异常燃烧。了解润滑油自动点火机理对于避免这种异常燃烧非常重要。润滑油碳数（16～50）高于汽油和柴油，因此它的蒸发和点火特性与液体燃料有显著差异。为了描述比液体燃料含有更多较重组分的润滑油的蒸发和点火特性，开发了一种一维多组分模型，该模型考虑了液相的有限热传导和有限质量扩散、气相的多组分扩散、液滴界面处的真实气液平衡，并在蒸发模型的基础上增加了考虑全局反应的瞬态模型来预测化学点火延迟。然后，建立固体的热辐射吸收模型，来分析润滑油液滴中钙基添加和铁屑对润滑油自燃延迟的影响。对于钙基添加的润滑油，发现小油滴可以忽略热辐射的影响。随着液滴的增大和温度的降低，热辐射影响越明显。但是，对于含铁屑的润滑油，新油可以忽略热辐射的影响。随着燃料的使用，铁含量增加，热辐射的影响变得显著。最后，基于天然气发动机缸内实际的瞬态压力和温度，分析了润滑油的自燃特性。

日趋严格的排放法规及低价的天然气导致双燃料发动机成为大发动机市场一个极具吸引力的选择。双燃料发动机如此引人注意，是因为它们在气体模式下排放（CO2、NOx、SOx和颗粒物）低，可以在不采用高额的后处理系统的情况下满足排放法规要求，同时，可以根据需要在天然气与柴油燃料之间柔性切换。然而，与传统柴油机相比，双燃料机的功率密度与热效率低，这是因为,为了防止异常燃烧（敲缸和早燃）及预混燃烧主导导致的燃烧不稳定，必须采用较低压缩比。 尽管在过去已经做出了很多努力提高双燃料燃烧发动机性能，但双燃料燃烧过程仍没有很好的被理解，特别是中速发动机。双燃料发动机的燃烧是通过少量柴油（通常占额定负荷能量的0.5~2%）微喷引燃的，其在一个较长的滞燃期后自动着火。一旦柴油着火，它会引起同步的稀薄均质油气混合物燃烧。这个同步的燃烧过程高度复杂，包含自点火化学、预混湍流火焰传播及两者之间的转化，很难被理解。因此，有必要找出双燃料燃烧不同的运行与控制参数之间的关系，以提高发动机性能。 本文关注现代重工工业的一款H35DF双燃料中速发动机的燃烧过程分析。基于一个经验燃烧模型，对不同工况下的发动机的试验性能数据进行分析。运行参数变化包括微预喷正时、微预喷持续期、微预喷压力、燃烧室及压缩比。该模型用于提高对变工况观察到的变化的理解。最终，采了用双韦伯函数对燃烧放热过程进行数学表达。对每一个试验数据进行单独分析，以获得适用于韦伯函数的放热率。韦伯参数作为目标值，发动机参数作为输入值，以找到适当的相关性。利用线性方法建立相关关系。用这个相关性预测的韦伯参数足够准确。本文建立的燃烧模型较好的预测了双燃料燃烧现象。双燃料燃烧模型研究了多个参数对双燃料燃烧放热率的影响，可以用于发动机性能的优化。