应对未来IMO第三阶段的低排放发动机技术和案例研究
武汉理工大学 向鋆译
摘要
最近几年，海洋排放法规如现行的IMO（国际海事组织）第二阶段排放法规和修订后的Marpol《国际防止船舶造成污染公约》附件六中即将出台的IMO第三阶段排放法规，一直是船舶发动机性能发展的主要推动者。这些对于排放的要求使得发动机厂商做了大量的研究，以寻求满足这些要求的最佳技术。本研究的主要目的之一是确定各种可用于减少发动机SOX和NOX排放的方案，并弄清发动机制造商选择最佳技术的主要标准。另一个目标是调查不同海域的船东和运营商受到新排放要求的影响，以及在确定最佳发动机技术时需要考虑哪些关键因素。案例研究得出的结论是，最佳解决方案可能因船舶容积应用、ECA（emission control area）排放控制区内的运行时间以及燃料和还原剂的价格的不同而发生变化。在新的案例中，不需要后处理系统的气动发动机显示出作为需要采用后处理措施的液体燃料发动机替代品的强大价值主张，特别是对于实施了更严格的排放法规的短途运输应用。总之，二级涡轮增压、液化天然气和选择性催化还原技术是最可行的技术。一般来说，较低的运行成本可以弥补较高的资本支出，这意味着船东应该仔细评估各种备选方案的总体成本，而不只是考虑初始资本支出。最佳技术方案的选择取决于各种问题，这些问题可能会随着时间的推移而改变，例如船舶的运行状况、航线和商品价格。因此，船东应评估在各种可能情况下的替代技术，以找到一种灵活的解决方案，最大限度地减少有关边界条件变化的风险。在本研究中，从厂商和船东的角度，对某些减排技术优于其他技术的原因进行了量化，并确定了满足这些要求的最可行技术。
正文
未来的海洋排放法规，例如经修订的《防污公约》附件六(2009)内的国际海事组织第II及第III级标准，是近年来推动现行船用引擎性能发展的主要动力。虽然过去的重点只放在提高发动机的效率上，但随着更严格的立法开始生效，使得人们的注意力转向了减少排放，包括所有氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和二氧化碳(CO2)。除了国际海事组织的全球标准之外，欧盟(2015)也对氮氧化物排放制定了广泛的地方性法规;美国环境保护署(2015);欧洲清洁海运(2004)。到目前为止，低排放倡议主要集中在欧盟和美国，但有人预计，亚洲部分地区和澳大利亚也将效仿。
这些排放立法引发了船舶发动机厂商大量的研究活动，以寻求最好的技术满足要求。早前的出版物(Wik, 2010 amp; 2013)已经分析了可用的不同技术选项在满足需求方面的优缺点以及对生命周期成本的影响。现有的技术有很多不同的选择，而在天然气上的操作似乎是未来以低生命周期成本实现所有法规要求的最强有力的选择之一。
Miller循环在发动机中的应用是将低NOx排放与高循环效率相结合。自从Wik和Hallback(2007)首次报道了极速米勒循环和两级涡轮增压的中速发动机应用潜力以来，大量持续的研究和应用被发表。2013年，Christen and Brand等报道了利用1D仿真码探索两级TC系统在9燃气发动机和柴油机上的应用并结合EGR的研究;Codan等(2010);Millo等(2010);Wik et al.(2009)，同时Behr et al.(2013)提供了实验室和现场测试的测试结果;Kurth等(2013);Laiminger等(2011);Raikio et al. (2010);Ryser等(2010);Tinschmann et al.(2012)和Wik et al.(2012)只是其中的几个例子。
在中速柴油和燃气发动机上采用二级涡轮增压系统的经验和实施迅速增加，同时也出现了新的产品，如Vervaeke et al.(2013)提出的利用EGR实现未来IMO第三级柴油发动机无后处理系统排放限制。
尼伦德(2004)曾报道过关于燃气发动机开发的一些问题，以及一家发动机制造公司对整个燃气发动机产品组合的介绍;尼伦德和奥特(2013);Portin(2010)。未来产品的合理措施将是在燃气发动机上实现两级涡轮增压系统，就像其他厂商所做的那样(Laiminger et al. 2011;Trapp et al. 2013。测试结果从天然气操作引擎结合高压涡轮增压和进气门关闭时间(米勒循环)在点燃发动机类型上评估技术的潜力Monnet et al.(2014)，并且在2015年多家发动机生产商实现了了在新燃气发动机产品上应用两级涡轮增压系统 (MAN 2015;Wartsila2 2015)。
Donche-Gay(2014)在德国汉堡举行的2014年SMM展览大会上表示:“在不久的将来，可以预见到在北欧或美国等生态区，将会出现对液化天然气(LNG)作为集装箱运输燃料的直接需求。”他不是唯一一个相信液化天然气未来会在所有航运领域取得成功的人。挪威是一个液化天然气已经成为主流运输燃料的市场。根据Hoibye (2011)的研究，挪威NOx基金、挪威商业组织和环境部就NOx达成的一项环境协议的实施，使得使用天然气的发动机数量大幅增加。在近海和轮渡行业，挪威几乎所有的船舶都使用液化天然气，主要的市场参与者如DNV GL(2014)都认为它将适用于所有市场和行业。
Tzannatos et al .(2014)的一项研究指出关于希腊群岛内渡轮的燃料、技术、外部成本(由于废气排放) 从液体到气体燃料(LNG)的影响，主要是通过转变为液化天然气获得巨大的总体收益，降低外部成本。劳氏船级社(2014)在他们的位于美国和欧洲的出口信贷机构的22个港口的研究和采访表明, 液化天然气基础设施的可用性为港口目前继船东需求后第二大主要推动力， “76%的港口认为液化天然气的加油作业将在5年内开始”。
如果没有一个完整的生命周期评估以及对全球变暖的可能性的观察，就不可能做出有关燃料使用的决定。这方面的研究很多，即使人们认识到LNG在减少NOx、SOx和PM排放方面的潜力，但总温室气体(GHG)仍面临挑战(Brynolf et al. 2014a;Lindstad等2015;Thomson et al. 2015)。Brynolf et al. (2014a, b)和Thomson et al.(2015)分别对滚装船和集装箱船的提取、加工和操作阶段以及拖轮的应用进行了全燃料循环分析。虽然与高硫燃料运行相比，液化天然气将直接表现出温室气体效益，并且与低硫燃料运行相比，在使用柴油点火燃气发动机的集装箱船应用中，30年内气候效益明显，但对于拖船应用以及火花点火燃气发动机而言，这一效益将花费更长的时间 (汤姆森et al . 2015年)。对于选定的滚装船应用，全球变暖的潜力将非常接近HFO当使用液化天然气作为燃料以及欧洲电力组合，由于很大程度上依赖于煤炭和天然气，并由于这一大幅减少将需要使用液化生物天然气(Brynolf et al. 2014a，b).燃气发动机面临的最大挑战被认为是甲烷滑移(CH4)排放从根本上影响温室气体总排放，这是由于100年等效质量的温室气体的变暖潜力是CO2的30倍(Brynolf et al. 2014a, b;Thomson et al. 2015)。对20年和100年平均GWI水平进行了比较，由于大气中氮氧化物、硫氧化物和有机碳的强烈全球冷却效应，高硫燃料表现出最佳效果，作者建议仍然允许在公海使用高硫重燃料油（HFO）Lindstad et al.(2015)。总之，可以得出结论，液化天然气至少在短期海运是未来的主流燃料，主要问题是如何建立基础设施，使其可以在港口对船舶供给。
本研究的主要目标是概述可用于实现未来NOx和SOx法规的不同引擎技术选项，以及从发动机制造商的角度列出所做选择的标准。次要目标是通过案例研究找出一些船舶应用中最具优势的技术。
这一领域过去的研究主要集中在汽车行业，如Cucchi和Hublin(1989)和Van der Straaten(2000)的研究，以及通过引入排放立法对海上短途运输成本和价格的影响，以及运输系统模式划分的可能性，如Notteboom et al.(2010)和Kalli et al.(2010)的研究。随着ECAs的出现，更多的研究涉及到排放模式和可能的模式变化，以及针对特定市场的替代方案的调查(Panagakos et al. 2014;Holmgren et al. 2014;Chang et al. 2014)。例如Panagakos等人(2014)的结论是，对地中海实施更严格的ECA硫限制可能会导致向陆地路线的模式转变。Brynolf等人(2014a, b)对符合ECA硫和NOx III级法规的不同替代方案进行了生命周期评估，结论是与HFO操作相比，这两种替代方案对气候变化均无显著影响。许多调查还集中在船舶减速对排放的影响，但由于这不是一种解决NOx三级合规问题的解决方案，因此本文没有涉及。无论如何，最重要的是对替代方案进行经济比较，以满足ECA的立法，例如，对改造案例中的液化天然气投资实施实物期权分析，显示出低燃料价格和资本支出之间存在明显的权衡（Acciaro 2014）。另一项研究包括基于分析网络过程(ANP)的多标准方法，展示了该工具如何帮助运营商选择最优的技术方案(Schinas amp; Stefanakos 2014)。
方法
本研究的主要目标是基于定性和定量两种方法，概述可用于满足未来NOx和SOx规定的不同发动机技术方案，并从发动机OEM的角度列出所作选择的标准。
对内部OEM数据的定性分析已经在某种程度上与对竞争对手OEM的文献数据进行了量化的对比。
需要回答的主要研究问题有:
发动机制造商如何做出技术的最终选择?
最后的选择仅仅取决于生命周期成本还是包含其他方面?
解决这些问题的主要研究手段包括收集基于内部数据的减排技术方案。研究人员的公司数据库也被用于收集输入，用于对不同的船舶应用的引擎技术选择的影响进行研究。从图1可以看出客户排放技术选择的总体影响格局，本文的研究涉及到以下几个方面对业主技术选择的重要性:
OEM的技术
产品规定
成本问题。
工作的第一步是对不同的技术方案进行重要的的筛选，以便在中速柴油发动机上实现第三级NOx排放，并最终选择最合适的技术。根据发动机试验结果收集数据，并对NOx、SOx、CO2、颗粒物等多种排放的影响进行总结，以获得总体概述。我们已经提出了合适的技术组合来达到目标的排放水平，而所有的最终挑战都被列入了最终的目标以找出最佳方案。
第二步是透过个案研究，找出在某些选定船舶应用方面最具优势的技术，并可视之为迈向第二阶段研究工作的桥梁。在第二阶段的研究工作中，我们会研究船东和营办商对符合未来排放法例的技术的接受程度。由于排放和运行成本根据发动机负载的不同而有很大差异(Wik 2010)，因此收集了船舶的实际运行曲线以及所需发动机功率的实际运行曲线。收集了不同备选方案的投资成本，通过简单的现金流分析来显示相对差异，并计算不同解决方案的最终回报时间。由于近年来消费品价格的大幅波动从根本上影响了技术之间的比较，也进行了敏感性分析。
结果与讨论
IMO第三阶段备选解决方案
在发动机制造公司，比较不同技术的一般方法是进行生命周期成本评估，包括投资和运营成本，并假设设备有一定的生命周期。在这类研究中，对运营概况、消费成本等进行假设是为了简化整体情况，而最优的解决方案是假设客户达到最低的生命周期成本。对现有技术的简要概述，并将其纳入减少NOx和SOx排放的生命周期成本评估中，下面将更详细地介绍这些技术，以扩展到背景部分所示的总体概述。
通过发动机内部技术、后处理方案或不同的燃料质量的选择，都可以减少发动机排气口的排放。在制定新的技术方案以满足国际海事组织第III级排放水平时，上述三种方法都是重点。人们已经探索了减少NOx的不同技术，其中一些已经在发动机中实现。现有技术概述如图2所示，由Troberg和Delneri(2010)所作;Wik (2010);Wik(2013)。
高压TC包括两级涡轮增压(TC)系统的实施，以及极端米勒循环(进气阀提前关闭)，NOx减少达40%-50% (Wik和Hallback 2007;Murayama等，2013)。如果只需要降低少量的NOx排放，2级涡轮增压系统是与极限米勒循环一起的另一个优点是由于涡轮增压系统效率的提高和循环效率的提高，在整个发动机的工作范围内节省了4-8%的燃油消耗，如Raikio等人所展示的一致。(2010);Ryser等(2010);Wik和Hallback (2007);Woodyard(2009)。
废气再循环(EGR)是一项广泛应用于发动机行业和各种型号的技术，如通用电气(GE Transportation, 2014)的船用发动机和卡车发动机，EGR曾是斯堪尼亚(Scania, 2015)的选择，SCR曾是沃尔沃(Volvo, 2015)的选择，现在两家OEM都用这两种技术来满足最新的欧6标准。
通过将冷却的废气再循环到燃烧室中，气缸进气的热容量增加，使得循环温度的降低。虽然有效的lambda;(空气/燃料比)减少了,但会使得发动机的热负荷和氧浓度降低。因此，可以显著减少氮氧化物排放(约60%)。该技术的主要缺点是不兼容高硫燃料，除非安装有效的清洁设备，燃料消耗增加8%的量级和高EGR率低负荷烟度增加10倍。对于增加的烟雾排放的补救措施是在部分负载上提高喷射压力，要求CR系统、喷射延迟或燃料/水乳剂，这些都是众所周知的减少烟雾排放的方法(Higashida et al. 2013;Pueschel et al . 2013;weis et al . 2011;Wik et al. 2011;Wik et al. 2012)。
根据Wik(2010)，水是另一种众所周知的减少NOx排放的方法。水蒸气作为一个温度阻尼器，稀释了燃烧空气中的氧
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资料编号：[1934]
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