船用LNG動力發動機燃料摻氫應用研究

趙 睿，許樂平，胡甚平，李長熊，王忠誠

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

0 引 言

隨著環境問題的日益嚴重，人們的環保意識不斷增強。船舶發動機尾氣作為海上大氣污染的主要來源，受到各國政府和地區的廣泛關注，控制污染氣體排放的要求日益強烈[1-3]。國際海事組織出臺了一系列規則規范，并規定船舶的防污染、排放量下降的標準以及其時限。“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革已是大勢所趨[4]。在此背景下，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）以其良好的環境效益性，成為新的時期船用發動機的替代燃料的首選，使得船用LNG動力發動機擁有廣大的市場發展空間。但是，由于天然氣特有的物化特性，LNG動力發動機在動力性等方面略有損失[5]，因此，通過燃料摻氫提升船用LNG動力發動機性能并增強環保優勢具有一定的應用前景。

1 船用LNG動力發動機技術比較

1.1 LNG動力發動機的應用技術現狀

LNG是一種優質、清潔、安全的燃料，廣泛應用于各類產業領域。我國政府提倡使用天然氣作為發動機燃料，主要是因為從我國的能源戰略規劃來看，我國未來天然氣的供應是比較充足的，從能源安全的角

度來看，推廣使用天然氣，能夠減少對石油的依賴。尤其是在環境保護方面，使用天然氣替代石油，能有效的減少硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）以及顆粒物（PM）的排放，推廣LNG動力發動機有助于減少發動機尾氣對大氣環境的污染。以LNG為燃料的發動機（LNG動力發動機）主要有2種分類方式：按燃料使用方式，LNG動力發動機可分為單一氣體燃料發動機、雙燃料發動機和混燒發動機；按燃料的進氣方式，可分為缸外進氣和缸內進氣2種，缸外進氣包括總管進氣和支管進氣2種方式，而總管進氣又分為混合器式（增壓器前進氣）和電控單點噴射（增壓器后進氣），支管進氣則是電控多點順序噴射；缸內進氣即缸內直噴，也分為低壓缸內直噴和高壓缸內直噴2種形式[6]。LNG動力發動機的簡單分類如圖1所示。

圖1 LNG動力發動機的分類Fig. 1 Classification of LNG engines

1.2 LNG動力發動機技術比較

本文著重從LNG作為發動機的燃料的3種使用方式來分析。

1.2.1 單一氣體燃料發動機

該類型發動機只能使用天然氣燃料工作，一般是由火花塞點火的高速機。由于單一氣體燃料發動機沒有后備燃料，當其在船舶上應用時，通常要求配備2個獨立的氣罐和供氣系統，在作為船用發動機在船舶結構設計和布置上難度較大。

1.2.2 雙燃料發動機

雙燃料發動機是指既能單獨使用液體燃料（燃油），又能單獨使用氣體燃料（利用微量柴油引燃）的發動機。通常特指在燃氣模式下，利用少量燃油（稱為“引燃油”）的自行壓燃來點燃氣體燃料的使用LNG和燃油的發動機。與單一氣體燃料發動機相比，雙燃料發動機最大的特點是具有純燃油工作模式，即在氣體燃料不足時發動機可完全使用燃油工作。該類機型作為遠洋運輸船舶發動機具有廣闊的應用前景。

1.2.3 混燒發動機

混燒發動機的特點是燃油和氣體燃料在缸內按照某種比例進行混合燃燒，該比例可根據發動機工況進行調節，來適應負荷的變化，同時也具備純燃油模式，從本質上講，這也是雙燃料發動機的一種[7]。該類機型主要應用于內河船舶。

國內外船用LNG動力發動機的性能比較的情況如表1所示。

表1 國內外船用LNG動力發動機性能比較Tab. 1 Comparison of performance of marine LNG engines

目前，船用LNG動力發動機以混燒機和雙燃料發動機為主。由于天然氣中 90% 左右的體積分數由甲烷（CH4）組成，甲烷沒有C-C 鏈，因此燃燒基本不會產生碳煙[8]，使用天然氣作為燃料能保證船舶在降低NOX和CO2排放的同時，使SOX排放基本為零[9]。但是，HC排放量較高，除高壓雙燃料發動機外，國內外其他類型的LNG動力發動機都不同程度存在甲烷逃逸的情況[10]，這致使溫室氣體排放仍有很大的壓縮空間。此外，由于天然氣燃燒速率較低，導致天然氣發動機燃燒持續期長，燃燒等容度低，熱效率低，動力性有所降低。

2 LNG動力船燃料摻氫

氫能是公認的清潔能源，被譽為21 世紀最具發展前景的二次能源[11]。與傳統燃料相比，具有零污染、利用率高、危險系數小的優點[12]。氫氣（H2）目前雖然主要是作為重要的工業原料，但在能源轉型過程中，氫更重要的是作為一種清潔能源和良好的能源載體，具有清潔高效、可儲能、可運輸、應用場景豐富等特點[13]。將氫能用于內燃機燃料，有助于解決全球變暖以及環境污染，其開發利用得到了世界范圍內的高度關注。氫氣燃燒所需的點火能量小，只需要0.02 MJ[14]，燃點只有574 ℃，是一種極易燃的氣體，在空氣中的體積分數為4%～75%時都能燃燒，并且，氫氣還具有燃燒速率快的特點。因此，通過向天然氣中摻混少量氫氣不僅可以減少發動機尾氣有害氣體的排放，還可以提高混合氣的燃燒速率，從而提高發動機的性能。氫氣與天然氣主要理化參數對比如表2所示。

表2 氫氣與天然氣主要理化參數對比[15]Tab. 2 Comparison of main physical and chemical parameters of hydrogen and natural gas

由于氫氣制備成本和氫氣發動機技術方面的原因，目前認為天然氣摻氫將是氫能在內燃機上應用最有前途和最具可行性的方式[16]。天然氣摻混氫氣技術已日漸成熟，近10年來，荷蘭和法國都進行了將氫氣摻到天然氣輸氣管網的試驗，荷蘭年均氫氣摻入天然氣的體積分數達12%；法國敦刻爾克GRHYD項目氫氣摻入體積分數最高達20%。這些嘗試為LNG動力發動機燃料摻氫提供了實踐基礎。

3 LNG動力發動機燃料摻氫試驗

3.1 試驗方案

本試驗通過在1臺單缸天然氣混燒發動機上燃用CH4以及不同體積摻氫比的CH4燃料，分析對比燃料摻氫對發動機尾氣排放中有害氣體含量和煙溫的影響。試驗氣體通過支管進入發動機進氣主管，與空氣混合后進入氣缸參與燃燒[17]。天然氣混燒發動機的示意圖如圖2所示。

3.2 試驗設備與方法

試驗采用的發動機為常柴生產的ZR180型單缸柴油機，測功機采用ZF100KB磁粉測功機，并配套測功機控制柜。排放測量系統為德圖公司的testo 350排氣分析儀。試驗用的氣體為：純甲烷（CH4體積分數為99.9%）和混合氣（H2:CH4=15:85）。試驗過程中將發動機轉速固定為1 000 r/min，試驗氣體流量為2.5 L/min，通過改變發動機的功率，測試在不同功率下（1 200 W，1 600 W，2 000 W，2 400 W，2 800 W，3 200 W，3 600 W）排煙中的不同物質的指標來對比LNG動力發動機燃料摻氫前后的排放變化情況。試驗臺架基本結構如圖3所示。

圖2 天然氣混燒發動機示意圖Fig. 2 Schematic diagram of natural gas co-firing engine

圖3 試驗臺架基本結構圖Fig. 3 Basic structure of the experimental bench

圖4 一氧化碳排放濃度變化對比圖Fig. 4 Comparison of changes in carbon monoxide emissions

3.3 試驗結果及分析

3.3.1 一氧化碳排放變化對比

摻氫天然氣和純天然氣應用混燒發動機的一氧化碳（CO）排放濃度對比曲線如圖4 所示。從對比圖可以看到，CO排放濃度的變化規律是基本一致的，都是隨著功率的上升而呈現明顯的下降趨勢，相對于使用純天然氣燃料，燃料摻氫能明顯降低LNG動力發動機的一氧化碳排放濃度。

3.3.2 氮氧化物排放變化對比

發動機的氮氧化物（NOX）排放濃度對比曲線如圖5所示。從對比圖可以看到，發動機的NOX排放濃度變化規律一致，都是隨著功率的上升而呈現上升趨勢，使用純天然氣燃料和摻氫天然氣燃料尾氣排放中氮氧化物濃度變化不明顯。

圖5 氮氧化物排放變化對比圖Fig. 5 Comparison of NOx emission changes

3.3.3 煙溫變化對比

發動機的尾氣排放中排煙溫度的對比曲線如圖6所示。從對比圖可以看到，2種試驗條件下發動機排煙溫度的變化規律一致，都是隨著功率的上升而上升，使用摻氫天然氣燃料的排煙溫度比使用純天然氣略高，說明缸內燃燒更充分，這得益于H2優異的著火性能，由此可以推斷，燃料摻氫有助于提升LNG動力發動機的動力性能。

圖6 排煙溫度變化對比圖Fig. 6 Comparison of smoke temperature changes

4 結 語

本文結合船用LNG動力發動機的應用現狀，通過LNG動力發動機燃料摻氫臺架試驗進行分析對比，得出以下結論：LNG動力發動機燃料摻氫能夠明顯改善一氧化碳排放，由于H2不含C原子，使用摻氫燃料將有效降低溫室氣體的排放；氮氧化物的排放變化不明顯；由于H2良好的著火性，摻氫天然氣燃燒速率較快，將有效提高LNG動力發動機的動力性；通過燃料摻氫將使船用LNG動力發動機的優勢更加顯著。