生物柴油在船用發動機上的應用及技術分析

張德福，韓世民，馬海石，肖會超

(1.天津理工大學 海運學院,天津 300384;2.天津海事局 基建裝備處,天津 300456)

技術交流

生物柴油在船用發動機上的應用及技術分析

張德福1，韓世民1，馬海石2，肖會超1

(1.天津理工大學 海運學院,天津 300384;2.天津海事局 基建裝備處,天津 300456)

簡要介紹已開發的內燃機替代燃料的種類及其燃料特性，介紹生物柴油在船用發動機領域的國內外研究成果和應用現狀，重點圍繞生物柴油在船用柴油機上的運轉特性和排放特性進行綜合分析，針對生物柴油應用中存在的問題，探討了可能采取的技術措施。

生物柴油；船用發動機；低溫燃燒技術；排放

1 替代燃料概述

替代燃料是指可以替代發動機使用的常規汽油和柴油等的燃料，分為以下4類。

1)醇醚類燃料，包括甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、二甲醚(Dimethyl ether)等。

2)合成燃料，主要以煤和天然氣及生物物質為原料生產的合成液體燃料，如以天然氣為原料合成的柴油稱為GTL(gas-to-liquids)。

3)氣體燃料，包括壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)。

4)生物質燃料，主要是生物柴油，生物甲醇和生物乙醇。

以上替代燃料中天然氣在船舶動力裝置領域應用最廣，而生物柴油獨有的可再生性使其最具發展前景。

生物柴油是一種脂肪酸甲酯或乙酯類化合物，它是通過植物油或動物脂肪與醇類化合物(主要是甲醇)在催化作用下酯化反應的生成物。生物柴油的生產工藝經歷了2個階段，第一階段生物柴油是以天然植物油、動物油和廢棄油為原料制成；第二階段生物柴油利用木質纖維素為原料生產，解決了第一階段以糧為原料的困局。

2 生物柴油在船用發動機上的研究

2.1 燃料特點

國內外大量的研究成果表明，生物柴油與石化柴油在碳數上相近，可以作為發動機的替代燃料。生物柴油具有下述的優良性能。

1)閃點高，生物柴油閉口閃點可達100 ℃，比強制性規定的60 ℃的標準要高，存儲、運輸及使用較安全；生物柴油的十六烷值最小為56(石化柴油最小為49)，更適合在壓燃發動機上應用。

2)無毒可降解。

3)生物柴油含氧達 10%左右，遠高于石化柴油。著火后的自供氧效應，使其燃燒速度高于柴油，燃燒持續期短，燃燒完善程度比石化柴油好。

4)不含硫、鉛、芳香烴及鹵化物等，排氣中有毒物質少，可降低有害排放物。

2.2 船用發動機燃燒生物柴油的實驗室研究

諾丁漢大學Hoon Kiat Ng等人的研究認為，純生物柴油可在不改動或者少量改動原機結構的基礎上即可使用。但是，100%純生物柴油由于運動粘度高，對燃料噴霧質量不利。再有，純生物柴油燃料傾點和濁點溫度高，直接使用將影響發動機低溫啟動性能[1]。

美國能源研究實驗室在綜合考慮生產成本、排放、冷啟動性能、材料兼容性以及可溶性等影響因素后，認為B20(即20%生物柴油+80%柴油)是最佳的方案，陸地加油站已廣泛使用。

泰國Kasetsart大學Kamolpatara Limratana等人在功率441 kW主機和177 kW發電輔機上分別開展了棕櫚油的試驗研究。配置了100%棕櫚油(B100)和5%棕櫚油+95%石化柴油的混合油(B5)2種試驗用油，并在60%和40%負荷進行性能測試。結果表明，由于棕櫚油的熱值低，主機燃用B100的油耗率比B5高16.14%～26.00%；低轉速區(800 r/min) CO排放B100比B5高11.09%，高轉速區(1 100～1 400 r/min), B100比B5降低27.25%。分析認為，B100 比B5閃點高，在800 r/min低轉速區時，排溫低，B5比B100更易燃燒，CO排放降低；在1 400 r/min高轉速區時，排溫升高，燃料的閃點不再是主要影響因素，而B100比B5含氧量更高，高轉速區燃燒會更完善。鑒于以上結果，建議主機使用B100純生物燃料時，為降低CO排放，持續運轉的轉速應不低于1 100 r/min[2]。

西班牙S. Murillo等人利用自餐廚廢油提煉的生物柴油作為試驗油，開展了舷外機應用生物柴油混合油的性能測試。結果表明，生物柴油單獨或者混合使用均能用于壓燃式舷外機，CO排放降低12%，NOx上升了20%，同時油耗率小幅上升11.4%[3]。

江蘇大學王忠采用內窺鏡直接高速攝影的方法,對比研究了柴油和生物柴油對發動機著火延遲期、著火點位置、燃燒溫度和燃燒速度的變化規律。結果表明:生物柴油中氧的存在促進了燃燒,使得預混燃燒階段的燃燒速度大于柴油在相同工況下,生物柴油的燃燒終點早于柴油,燃燒持續期和最高燃燒溫度也小于柴油[4]。

2.3 生物柴油的實船試驗研究

考慮到生物柴油的可再生性及優良的燃料特性，世界各研究機構和航運公司積極開展生物柴油實船試驗研究，研究認為,最有希望用于船用的生物燃料是生物柴油和粗制植物油。生物柴油最適于替代船用輕油，粗制植物油最適于替代船用重油[5]。

2006年舷號NOAA R/V Huron Explorer的游艇在美國能源部聯合能源管理項目資助下，完成了使用純植物油為燃料的船舶試航，測試評估發現：長期使用生物柴油的發動機會受到燃燒排放物和未燃燃料酸性的雙重作用，造成發動機部件腐蝕。

2010年3月馬士基與英國勞氏船級社開展為期2年的船用發動機生物柴油試用試驗。試驗船舶為馬士基旗下Maersk Kalmar號集裝箱船。試驗初期,使用5%～7%的生物柴油混合油,之后混合比例逐步增加,測試結果表明：第一代生物柴油在船舶上應用是可行的。

2010年3月AVIVA與香港大學合作推出香港第一艘環保船,該船采用生物柴油B5混合油 (5%生物柴油、95%超低硫柴油)作為燃料,燃燒后的污染物排放較一般超低硫柴油的碳煙減少10%、一氧化碳減少5%及碳氫化合物降低10%。

世界著名船用發動機生產廠商Wartisla公司在固定式裝置使用生物燃料方面積累了豐富的經驗。上個世紀90年代初期，Wartsila公司開展了利用木質纖維制取的生物柴油在內燃機上的研究，結果表明，船用發動機燃燒生物柴油引起的技術問題主要集中在噴油泵穴蝕、油管阻塞、密封橡膠的材料選擇等方面。1995年開展的另一項研究表明，菜籽油最適合作為發動機替代燃料，發動機改動量最小。干貨船nascent是首艘航行于波羅的海的雙動力系統船舶，同時也是歐洲首條使用液態生物燃料持續運轉的貨船，該船用柴油作為備用燃料。結果表明，生物燃料的成本是石化燃料的2倍，但是考慮到今后碳稅的增加，2種燃料的使用成本差額將會縮小。

3 船用發動機應用生物柴油存在的問題及措施

生物柴油應用于船舶發動機具有優良的燃燒和排放特性，但現階段生物柴油在船舶動力裝置上應用較少，多數處于初期探索階段，發動機改裝數量遠沒有達到商用化規模。究其原因主要受到以下幾方面影響。

3.1 燃料性質與石化柴油存在差異

1)生物柴油熱值低，發動機輸出功率有所下降。對于液態燃料生物柴油，通過增加循環供油量并適當調整供油策略來提高發動機輸出功率，在技術上易于實現。

2)生物柴油穩定性差，燃料儲運要求高。生物柴油含有多個不飽和雙鍵，氧化穩定性偏低。在一定條件下，油品與空氣中的氧起反應，生成新的氧化產物，一方面會縮短燃油存儲周期，并在燃油系統中形成大量沉積物。另一方面，當氧化產物滲入潤滑油時也會在滑油系統產生大量沉積物，造成油路阻塞。現階段的防護措施包括盡量避免與空氣接觸或光照等接觸以及使用燃料改性劑。隔絕空氣可借鑒貨油艙充注惰性氣體的方式。常用的生物柴油改性方法有過氧化法和抗氧化法。過氧化法是指采用分子氧、雙氧水、臭氧等強氧化劑破壞生物柴油分子中的不飽和雙鍵,減少雙鍵數目，增加燃料的飽和程度；抗氧化法是指采用丁基對苯二酷、丁基羥基茴香醚(BHA)及檸檬酸等抗氧化劑抑制生物柴油的氧化，提高生物柴油的氧化安定性。

3.2 生物柴油在原料、生產及供應方面存在障礙

1)原料來源不夠充足。從第一代的糧食作物、餐廚廢油到第二代的植物纖維素，理論上生物柴油的原料是廣泛的，但是實際生產中卻存在著與人爭糧，廢油規模回收量少，植物纖維提煉成本高的問題，造成實際原料不夠充足。

2) 生物柴油生產成本高。美國統計數據顯示，1 L生物柴油成本相當于石化柴油的2～3倍，因此, 用廉價原料及提高轉化率是生物柴油實用化的關鍵。借鑒船舶柴油機燃用重油的技術，船舶柴油機可使用粗制生物柴油以降低燃料成本。冰島大學商學院Sevar Birgisso等人認為，政府補貼是生物柴油生產的根本保障，冰島生物柴油工業相對更完善，這與政府的減稅及刺激性補貼有很大關系[6]。

3) 生物柴油供應鏈沒有形成規模化。相關研究認為，大型海運船舶受到各航次貨源地不同的影響，航線及停靠碼頭不固定，無法形成生物柴油的可靠供應鏈，現階段的商業應用還有困難。而游艇耗油量小，經常航行于敏感水域，因此生物柴油在此類船舶上具有一定的市場。

3.3 改善生物柴油發動機NOx排放的技術

1)低溫燃燒技術，生物柴油發動機能夠明顯降低 CO、HC 和 PM 排放，但是由于生物柴油分子中含有12%的氧，在采用傳統擴散燃燒方式時，導致NOx排放相比傳統柴油高 10%～12%左右。研究表明：NOx和碳煙的生成存在trade-off關系，NOx生成條件為高溫、富氧。只要燃燒溫度小于 1 400 K 時就可避開 NOx和碳煙生成區域。為了獲得低溫燃燒，可依賴于高 EGR 率，噴油定時比傳統柴油機早或遲 10～15 ℃A(℃A為曲軸轉角)[7]。

美國伊利諾斯大學李佳峰教授對生物柴油低溫燃燒的研究表明，通過不同的噴油策略在高速直噴柴油機上實現生物柴油的低溫燃燒，燃燒放熱率曲線主要是由預混合燃燒組成，由于沒有明顯的擴散燃燒階段，低溫燃燒可以有效的抑制碳煙的形成，并且由于燃燒溫度降低，柴油機的 NOx排放得到改善[8]。

2)排氣后處理技術。針對NOx排放的增加,可以通過后處理的方式解決,如采用SCR技術,把NOx還原成氮氣，降低NOx排放[9]。

3)混合燃料技術，C.S.Cheung等人對燃用甲醇—生物柴油—柴油的發動機特性的研究表明：甲醇在甲醇—生物柴油—柴油混合燃料中所占比例的增加,可降低氮氧化合物排放,使其排放水平低于燃用石化柴油的水平,氮氧化合物的形成主要是由甲醇—生物柴油—柴油混合燃料中甲醇的冷卻作用所決定[10]。

4 結束語

1)生物柴油具有可再生性和良好燃燒特性，適用于環境敏感的水域短航線小型船舶使用。

2)船舶改裝生物柴油成本低，在HC、CO、CO2、硫化物和碳煙的排放方面收益明顯，在應對未來更加嚴格排放標準方面具有潛質和優勢，但需開發低溫燃燒和排氣后處理等技術手段解決NOx排放問題。

3)在提升生物柴油工藝水平和應用水平的同時，政府出臺扶持性政策是船舶改裝和使用生物柴油的重要條件。

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[10] C.S.Cheung, Lei Zhua, Zhen Huang. Regulated and unregulated emissions from a diesel engine fueled with biodiesel and biodiesel blended with methanol[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(2):4865-4872.

The type and properties of biodiesel developed for internal combustion engines are introduced briefly.In the world the status of research and application focus on biodiesel on marine engine are presented with analysis to its performance and emission characteristics and the obstacles of its use on board.Some technical measures are investigated as well.

biodiesel;marine engine;low temperature combustion;emission

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.02.005

天津教委科技開發資助項目(20090416)

張德福(1970-)，男，山東長青人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事內燃機燃燒、排放控制研究。

2013-12-21