生物柴油在船用发动机上的应用及技术分析

张德福，韩世民，马海石，肖会超

(1.天津理工大学 海运学院,天津 300384;2.天津海事局 基建装备处,天津 300456)

技术交流

生物柴油在船用发动机上的应用及技术分析

张德福1，韩世民1，马海石2，肖会超1

(1.天津理工大学 海运学院,天津 300384;2.天津海事局 基建装备处,天津 300456)

简要介绍已开发的内燃机替代燃料的种类及其燃料特性，介绍生物柴油在船用发动机领域的国内外研究成果和应用现状，重点围绕生物柴油在船用柴油机上的运转特性和排放特性进行综合分析，针对生物柴油应用中存在的问题，探讨了可能采取的技术措施。

生物柴油；船用发动机；低温燃烧技术；排放

1 替代燃料概述

替代燃料是指可以替代发动机使用的常规汽油和柴油等的燃料，分为以下4类。

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

2)合成燃料，主要以煤和天然气及生物物质为原料生产的合成液体燃料，如以天然气为原料合成的柴油称为GTL(gas-to-liquids)。

3)气体燃料，包括压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)。

4)生物质燃料，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气在船舶动力装置领域应用最广，而生物柴油独有的可再生性使其最具发展前景。

生物柴油是一种脂肪酸甲酯或乙酯类化合物，它是通过植物油或动物脂肪与醇类化合物(主要是甲醇)在催化作用下酯化反应的生成物。生物柴油的生产工艺经历了2个阶段，第一阶段生物柴油是以天然植物油、动物油和废弃油为原料制成；第二阶段生物柴油利用木质纤维素为原料生产，解决了第一阶段以粮为原料的困局。

2 生物柴油在船用发动机上的研究

2.1 燃料特点

国内外大量的研究成果表明，生物柴油与石化柴油在碳数上相近，可以作为发动机的替代燃料。生物柴油具有下述的优良性能。

1)闪点高，生物柴油闭口闪点可达100 ℃，比强制性规定的60 ℃的标准要高，存储、运输及使用较安全；生物柴油的十六烷值最小为56(石化柴油最小为49)，更适合在压燃发动机上应用。

2)无毒可降解。

3)生物柴油含氧达 10%左右，远高于石化柴油。着火后的自供氧效应，使其燃烧速度高于柴油，燃烧持续期短，燃烧完善程度比石化柴油好。

4)不含硫、铅、芳香烃及卤化物等，排气中有毒物质少，可降低有害排放物。

2.2 船用发动机燃烧生物柴油的实验室研究

诺丁汉大学Hoon Kiat Ng等人的研究认为，纯生物柴油可在不改动或者少量改动原机结构的基础上即可使用。但是，100%纯生物柴油由于运动粘度高，对燃料喷雾质量不利。再有，纯生物柴油燃料倾点和浊点温度高，直接使用将影响发动机低温启动性能[1]。

美国能源研究实验室在综合考虑生产成本、排放、冷启动性能、材料兼容性以及可溶性等影响因素后，认为B20(即20%生物柴油+80%柴油)是最佳的方案，陆地加油站已广泛使用。

泰国Kasetsart大学Kamolpatara Limratana等人在功率441 kW主机和177 kW发电辅机上分别开展了棕榈油的试验研究。配置了100%棕榈油(B100)和5%棕榈油+95%石化柴油的混合油(B5)2种试验用油，并在60%和40%负荷进行性能测试。结果表明，由于棕榈油的热值低，主机燃用B100的油耗率比B5高16.14%～26.00%；低转速区(800 r/min) CO排放B100比B5高11.09%，高转速区(1 100～1 400 r/min), B100比B5降低27.25%。分析认为，B100 比B5闪点高，在800 r/min低转速区时，排温低，B5比B100更易燃烧，CO排放降低；在1 400 r/min高转速区时，排温升高，燃料的闪点不再是主要影响因素，而B100比B5含氧量更高，高转速区燃烧会更完善。鉴于以上结果，建议主机使用B100纯生物燃料时，为降低CO排放，持续运转的转速应不低于1 100 r/min[2]。

西班牙S. Murillo等人利用自餐厨废油提炼的生物柴油作为试验油，开展了舷外机应用生物柴油混合油的性能测试。结果表明，生物柴油单独或者混合使用均能用于压燃式舷外机，CO排放降低12%，NOx上升了20%，同时油耗率小幅上升11.4%[3]。

江苏大学王忠采用内窥镜直接高速摄影的方法,对比研究了柴油和生物柴油对发动机着火延迟期、着火点位置、燃烧温度和燃烧速度的变化规律。结果表明:生物柴油中氧的存在促进了燃烧,使得预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油在相同工况下,生物柴油的燃烧终点早于柴油,燃烧持续期和最高燃烧温度也小于柴油[4]。

2.3 生物柴油的实船试验研究

考虑到生物柴油的可再生性及优良的燃料特性，世界各研究机构和航运公司积极开展生物柴油实船试验研究，研究认为,最有希望用于船用的生物燃料是生物柴油和粗制植物油。生物柴油最适于替代船用轻油，粗制植物油最适于替代船用重油[5]。

2006年舷号NOAA R/V Huron Explorer的游艇在美国能源部联合能源管理项目资助下，完成了使用纯植物油为燃料的船舶试航，测试评估发现：长期使用生物柴油的发动机会受到燃烧排放物和未燃燃料酸性的双重作用，造成发动机部件腐蚀。

2010年3月马士基与英国劳氏船级社开展为期2年的船用发动机生物柴油试用试验。试验船舶为马士基旗下Maersk Kalmar号集装箱船。试验初期,使用5%～7%的生物柴油混合油,之后混合比例逐步增加,测试结果表明：第一代生物柴油在船舶上应用是可行的。

2010年3月AVIVA与香港大学合作推出香港第一艘环保船,该船采用生物柴油B5混合油 (5%生物柴油、95%超低硫柴油)作为燃料,燃烧后的污染物排放较一般超低硫柴油的碳烟减少10%、一氧化碳减少5%及碳氢化合物降低10%。

世界著名船用发动机生产厂商Wartisla公司在固定式装置使用生物燃料方面积累了丰富的经验。上个世纪90年代初期，Wartsila公司开展了利用木质纤维制取的生物柴油在内燃机上的研究，结果表明，船用发动机燃烧生物柴油引起的技术问题主要集中在喷油泵穴蚀、油管阻塞、密封橡胶的材料选择等方面。1995年开展的另一项研究表明，菜籽油最适合作为发动机替代燃料，发动机改动量最小。干货船nascent是首艘航行于波罗的海的双动力系统船舶，同时也是欧洲首条使用液态生物燃料持续运转的货船，该船用柴油作为备用燃料。结果表明，生物燃料的成本是石化燃料的2倍，但是考虑到今后碳税的增加，2种燃料的使用成本差额将会缩小。

3 船用发动机应用生物柴油存在的问题及措施

生物柴油应用于船舶发动机具有优良的燃烧和排放特性，但现阶段生物柴油在船舶动力装置上应用较少，多数处于初期探索阶段，发动机改装数量远没有达到商用化规模。究其原因主要受到以下几方面影响。

3.1 燃料性质与石化柴油存在差异

1)生物柴油热值低，发动机输出功率有所下降。对于液态燃料生物柴油，通过增加循环供油量并适当调整供油策略来提高发动机输出功率，在技术上易于实现。

2)生物柴油稳定性差，燃料储运要求高。生物柴油含有多个不饱和双键，氧化稳定性偏低。在一定条件下，油品与空气中的氧起反应，生成新的氧化产物，一方面会缩短燃油存储周期，并在燃油系统中形成大量沉积物。另一方面，当氧化产物渗入润滑油时也会在滑油系统产生大量沉积物，造成油路阻塞。现阶段的防护措施包括尽量避免与空气接触或光照等接触以及使用燃料改性剂。隔绝空气可借鉴货油舱充注惰性气体的方式。常用的生物柴油改性方法有过氧化法和抗氧化法。过氧化法是指采用分子氧、双氧水、臭氧等强氧化剂破坏生物柴油分子中的不饱和双键,减少双键数目，增加燃料的饱和程度；抗氧化法是指采用丁基对苯二酷、丁基羟基茴香醚(BHA)及柠檬酸等抗氧化剂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、生产及供应方面存在障碍

1)原料来源不够充足。从第一代的粮食作物、餐厨废油到第二代的植物纤维素，理论上生物柴油的原料是广泛的，但是实际生产中却存在着与人争粮，废油规模回收量少，植物纤维提炼成本高的问题，造成实际原料不够充足。

2) 生物柴油生产成本高。美国统计数据显示，1 L生物柴油成本相当于石化柴油的2～3倍，因此, 用廉价原料及提高转化率是生物柴油实用化的关键。借鉴船舶柴油机燃用重油的技术，船舶柴油机可使用粗制生物柴油以降低燃料成本。冰岛大学商学院Sevar Birgisso等人认为，政府补贴是生物柴油生产的根本保障，冰岛生物柴油工业相对更完善，这与政府的减税及刺激性补贴有很大关系[6]。

3) 生物柴油供应链没有形成规模化。相关研究认为，大型海运船舶受到各航次货源地不同的影响，航线及停靠码头不固定，无法形成生物柴油的可靠供应链，现阶段的商业应用还有困难。而游艇耗油量小，经常航行于敏感水域，因此生物柴油在此类船舶上具有一定的市场。

3.3 改善生物柴油发动机NOx排放的技术

1)低温燃烧技术，生物柴油发动机能够明显降低 CO、HC 和 PM 排放，但是由于生物柴油分子中含有12%的氧，在采用传统扩散燃烧方式时，导致NOx排放相比传统柴油高 10%～12%左右。研究表明：NOx和碳烟的生成存在trade-off关系，NOx生成条件为高温、富氧。只要燃烧温度小于 1 400 K 时就可避开 NOx和碳烟生成区域。为了获得低温燃烧，可依赖于高 EGR 率，喷油定时比传统柴油机早或迟 10～15 ℃A(℃A为曲轴转角)[7]。

美国伊利诺斯大学李佳峰教授对生物柴油低温燃烧的研究表明，通过不同的喷油策略在高速直喷柴油机上实现生物柴油的低温燃烧，燃烧放热率曲线主要是由预混合燃烧组成，由于没有明显的扩散燃烧阶段，低温燃烧可以有效的抑制碳烟的形成，并且由于燃烧温度降低，柴油机的 NOx排放得到改善[8]。

2)排气后处理技术。针对NOx排放的增加,可以通过后处理的方式解决,如采用SCR技术,把NOx还原成氮气，降低NOx排放[9]。

3)混合燃料技术，C.S.Cheung等人对燃用甲醇—生物柴油—柴油的发动机特性的研究表明：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却作用所决定[10]。

4 结束语

1)生物柴油具有可再生性和良好燃烧特性，适用于环境敏感的水域短航线小型船舶使用。

2)船舶改装生物柴油成本低，在HC、CO、CO2、硫化物和碳烟的排放方面收益明显，在应对未来更加严格排放标准方面具有潜质和优势，但需开发低温燃烧和排气后处理等技术手段解决NOx排放问题。

3)在提升生物柴油工艺水平和应用水平的同时，政府出台扶持性政策是船舶改装和使用生物柴油的重要条件。

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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

天津教委科技开发资助项目(20090416)

张德福(1970-)，男，山东长青人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事内燃机燃烧、排放控制研究。

2013-12-21