中速船用柴油机满足Tier Ⅲ 法规的技术路线模拟研究 4-减排技术-未来技术储备 Hu Wa，Yan Wang，Mingfa Yao，Zunqing Zheng，Yiqing Liu (Tianjin University） 摘要:随着船运业的发展和环境污染问题的增多，船用柴油机的排放法规也越来越严格。船用柴油机的发展在注重保持高热效率的同时，需要降低NOx的排放。本文采用三维CFD技术，对符合Tier III排放标准的技术路线进行了系统研究。 首先，CFD模型建立和验证了一个大缸径二冲程柴油机。结合遗传算法对两个喷油器的喷射策略进行优化，考虑的参数有喷射时刻、预喷时间间隔和预喷质量分数。基于喷油策略优化，米勒循环结合高几何压缩比、EGR、空气加湿技术、加水直喷法和其他技术对船用柴油机的NOx排放、燃油消耗率进行了研究。最后，通过这些技术的组合，提出三种满足船用二冲程柴油机排放法规的不同技术路线并进行了对比，这三种是米勒循环结合高几何压缩比和EGR、空气加湿技术与水直喷法相结合、SCR后处理技术。最后简要阐述了三种技术路线的优缺点。本文的研究成果为船用柴油机燃烧系统的开发提供了具有价值的指导。 关键词：仿真优化； 低速二冲程柴油机；技术路径；排放要求 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

二冲程低速船用柴油机低压SCR系统的开发 4-减排技术-未来技术储备 Xinna Tian1，Jiangfeng Guo2，Hanxiao Huang 3，Chunguo Hou2， Xiaolei Chen2 （1.China Shipbuilding Power Engineering Institute Co., Ltd.； 2. Hudong Heavy Machinery Co.,Ltd.；3. CSSC-MES Diesel Co. Ltd） 摘要：为满足国际海事组织Tier III排放标准的要求，SCR作为一种有效降低NOx排放的后处理技术，已被广泛应用于船用柴油机上。高压和低压SCR产品在市场上都有很高的需求。本文介绍了自主研制的低压SCR系统的概念和功能。该系统的工作模式包括Tier II模式, Tier III模式、冷启动预热模式、催化剂再生模式和Tier III排气模式。多种模式的可选和切换性，便于船用柴油机在排放控制区和非排放控制区下灵活切换运行，并且满足排放控制区港口系泊排放要求。以MDT 6S50ME-C8.2型二冲程船用柴油机为研究对象，进行了样机试验。试验测试了系统运行参数，如NOx转化效率、NH3逃逸。测试结果表明，系统性能符合排放标准，得到的试验数据可用于低压SCR系统的进一步建模和优化。 关键词：SCR；尿素溶液；转化效率；氨气泄漏 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

大型二冲程船用柴油机匹配高压SCR后处理系统在恶劣气候条件下的瞬态运行 4-减排技术-未来技术储备 Michael Foteinos，George Christofilis，Nikolaos Kyrtatos （National Technical University of Athens） 摘要：本文研究了某大型二冲程柴油机的瞬态特性，该柴油机采用高压SCR系统来降低船舶在恶劣天气条件下的NOx排放。SCR技术是满足IMO Tier III 关于船用柴油机NOx排放新法规的主要解决方案之一。船用SCR系统面临的挑战之一是反应器入口温度的限制。理想情况下应该在300～500℃。将高压SCR安装在涡轮增压器前，在一定程度上缓解了二冲程柴油机的低温排气问题。 船舶在恶劣天气下航行时，船舶螺旋桨受到的阻力会增加，海浪引起的船体波动变大，螺旋桨工作的流动状态会发生变化。上述变化都将导致船舶扭矩需求、功率和废气温度的变化，进而影响到发动机和SCR的性能参数。为研究这一现象，考虑与发动机螺旋桨的相互作用，提出推进系统整体概念，包括船舶与SCR系统的主机、直接驱动的螺旋桨和船体。 对船舶发动机（大型船用二冲程柴油机）进行过程仿真建模，并与实测数据进行了验证。同时，为了模拟SCR系统的瞬态热响应，建立了SCR模型并与发动机模型集成。SCR系统分为3个基本部件：即蒸发器、反应器和连接管道。模型中还包括用于调节SCR流动的阀门。利用全尺寸的发动机SCR试验台的实测数据，对SCR模型进行验证。为了模拟瞬态扭矩，采用了四象限螺旋桨模型，还考虑了船舶运动对螺旋桨性能的影响。利用三维程序计算了船舶波浪运动和波浪附加阻力。最后，采用调速器来调节发动机在瞬态加载条件下的燃油。结合某船舶推进系统的实测数据，校核了耦合模型的有效性，并采用耦合模型分析了某船舶推进装置在瞬态载荷作用下，在恶劣天气条件下的响应。研究了瞬态变化下波浪运动和螺旋桨需求对发动机和SCR的影响及其挑战。 关键词：耦合系统；瞬态加载；SCR系统；过程仿真 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

摘要：国际海事组织（IMO）针对NOx、SOx、 CO2等的环境法规要求愈加严格。自2016年以来，NOx已在IMO Tier III级标准的主要国家海岸实施。韩国现代重工集团（HHI）已经完成了SCR和EGR的组合，以满足NOx排放法规，并从2011年开始向客户提供这些解决方案。近年来，HHI致力于产品的小型化和降低成本，以满足用户需求。本文介绍了4个领域的主要研究成果。 1）通过集成和统一主、辅机的SCR控制器，易于维护和降低制造成本，并对主机低压 SCR、燃烧器和SCR控制进行了统一； 2）由于主机低压 SCR排气温度低，燃烧器是必不可少的。开发等离子燃烧器代替传统的工业燃烧器，消耗的空气流量小，尺寸可以小型化； 3）HHI通过CFD分析设计了卧式反应器和立式反应器，优化了反应器的形状，使进出口的流量不影响催化上的流动均匀性。 4）SCR反应器的尺寸取决于所用催化剂单元的尺寸。用高密度催化剂单元代替传统的催化剂单元测试，减小了反应器的容积。 关键词：SCR控制集成；等离子燃烧器；卧式反应器；高效催化剂 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

适用于2020年后采用高硫含量重油的发动机的SCR系统 4-减排技术-未来技术储备 Kristoffer Sandelin, Adrian Marberger, Daniel Peitz （Hug Engineering） 摘要:本文着重介绍了使用高硫燃料的大功率发动机SCR系统的设计、催化剂的选择和工作条件。该项技术与发电行业相关，近年来也引起了远洋船舶的关注。目前，新的SOx和NOx法规正在海洋工业中实施，船舶上正在安装脱硫洗涤器。因此，这些船舶很可能在高硫燃料上运行SCR系统。2020年即将出台的船用燃料硫含量限制已经影响到炼油厂，也即将对发电厂使用的燃料产生影响。 上述法规的实施对高硫渣油的排放提出了特殊要求。尽管如此，对催化剂的转化活性和氨气泄漏仍然是设计的重要参数。在排气温度较低的情况下，首选活性高、含矾量高的低温催化剂。另一方面，由于还原剂的氧化，在高温下使用低矾催化剂。因此，高、中、低矾催化剂的性能与发动机排气温度相平衡，而排气温度随发动机负荷而变化。需要避免使用高帆催化剂，因为它对废气中含硫成分的硫进行氧化，导致生成蓝烟。排气中的不透明“羽化白烟”量会增加，同时生成的沉淀物会堆积在下游余热回收设备内。相对的，由于硫酸铵的冷凝，温度过低会出现催化剂失活。低温和低矾催化剂结合可能导致催化剂表面出现焦油等粘性烃类沉积，并在催化剂上形成粉尘堆积。 为了避免堵塞，催化剂单元表面的几何单元开口和壁厚将与燃料和润滑油灰分的粉尘特性相匹配，其余燃料催化剂系统通常配备吹灰装置，以避免堵塞。 为了满足这些要求，将SCR催化器的一些潜在缺陷降到最低，Hug Engineering公司开发了一种机械耐用并对大型沥青陶瓷支架进行涂覆的催化器。该催化器已经生产了十多年，并在全球数百台发动机上应用。本文对一种标准的催化剂转化效率进行评价，并与涂覆催化器的转化效率进行比对。此外，还研究了降低硫氧化速率的可能性，这与蓝烟和硫酸铵盐生成有关。 综上所述，本文阐述了在高硫残油燃料上运行大型发动机时降低NOx排放的关键设计准则。结论是，硫含量、废气温度和催化剂活性是SCR系统长期成功运行的关键参数，与非涂覆催化剂相比，涂覆催化剂在机械耐久性和避免硫氧化方面具有优势。 关键词：SCR；矾基催化剂；高硫油；硫氧化物 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

紧凑型船用高压SCR系统技术开发 4-减排技术-未来技术储备 Dirk Kadau, Martin Brutsche, Severin Zürrer, Flavio Soppelsa (Winterthur Gas & Diesel） 摘要：自2016年起，排放控制区已经要求遵守更严格的IMO Tier III排放限值，这促使了在海洋领域使用废气后处理技术。SCR是一项已经得到证实且在其他领域也得到广泛应用的减排技术。 对于大型二冲程柴油机，高压可调式SCR是首选解决方案，将可调高压SCR布置在涡轮前端，使发动机和SCR组成的整个系统效率更高、催化剂体积更小。通常，将SCR布置在发动机附近，因此在机舱内或附近需要额外的空间。 Winterthur Gas & Diesel公司正在开发一种更紧凑、集成的HP-SCR方案。将SCR布置在发动机上，与标准的Tier II发动机相比，只略微增加了机舱内的空间需求。设计关键点在于还原剂供应系统的紧凑性，要求尽可能减小蒸发/混合管系的长度，采用更高效紧凑的催化剂以减小反应器尺寸，另外要求系统能够承受更强的振动和温度波动条件。此外，还提出了先进的流量概念，包括集成废气流量控制阀和机械集成策略。 本文对一种紧凑的尿素喷射系统进行了说明，尿素在离开钢瓶后不久被注入废气，为保证系统模型和试验结果的一致性，采取了合适的蒸发/分解模型和足够的还原剂均匀度。此外在典型的操作条件下，可能会产生不需要的杂质。杂质只能在低温条件下产生，已被证实是一种可能的再生物，在达到中等柴油机负荷的温度下，杂质可以很容易的加热再生。 在Hercules-2项目中，开发了一种高效的催化剂，能够承受更恶劣的发动机工作环境。催化剂的高振动阻尼已被试验室测试和长时间的实际运行所证实。并且，催化器通过优化后具有最大的催化剂活性表面、较高的承受压力和抗排气颗粒能力。 本文阐述了SCR系统对发动机结构的影响，以及反应器生产中为保证尺寸精度和避免振动对发动机造成损害的设计要求。 本文介绍了上述关键技术的发展，将先进的流动概念和机械集成应用到发动机上，从而设计一个对安装空间需求较小的紧凑SCR系统。 关键词：金属基体催化剂；低速二冲程柴油机SCR系统；紧凑性；稳定性；加速振动试验循环 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

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。