利用废热回收减少废气排放1

利用废热回收减少废气排放

摘要

当今的减排和降低机器运作成本的趋势是进行更为有效的废热回收。通过调整苏尔寿低速二冲程船用柴油机的调试以增加废气能量，并在综合废热回收设备中同时采用蒸汽轮机及废气透平，可以获取约为发动机功率11%的电力输出。这些节省的能源在提升机器效率和减少排放方面都起到重要的作用。以现今广泛应用于大型集装箱班轮上的苏尔寿12RTA96C 型柴油机为例，综合废热回收设备可以在主机工作负载时以电力形式提供达7000KW的能量。

这种综合热回收设备正在引那些起对节约燃料成本和减少废气排放感兴趣的船东们的注意。需要记住的是，现今的大型低速船用柴油机已经是高度发达的机器，单方面通过对机器效率的提升大量减少二氧化碳的排量的可能性很小。因此我们推荐的综合热回收设备在今后是实用的减排办法。

引言——为何要进行废热回收？

有关减少船用柴油机废气排放问题已经有过多篇论著，这些论著或是关注在气缸内控制废气产生，通过对废气进行再处理以消除废气排放，或是关注限制燃油规格的硫氧化物的排放。然而，当我们必须面对如何减少二氧化碳排放问题时，我们可能需要进一步放开思路去寻找控制减排的良策。

我们必须认识到的是通过改进机器热效率来解决减少船用柴油机二氧化碳排量问题的余地不大。1973年石油危机之后，人们在减少油耗问题上付出了相当大的投入，结果多年来最大缸径柴油机的整体热效率提升了50%(图一)

无论如何，现在的一个重要因素是在机器耗油率和氮氧化物排放之间存在一种自然平衡。伴随着油耗下降，氮氧化物排量自然会下升。

然而还有另外一种方法，既可以减少废气排放又可以降低燃油消耗率——利用废气能量。现代的低速柴油机效率已经高达50%，然而仍然有50%的燃料输入能量未能被有效利用。

就最大持续功率达到68,640 kw的苏尔寿12RTA96C型柴油机而言，这意味着正在浪费同样多的能量。产生68,640 kw的轴功率需要约300公吨重油的日耗油量。毋庸置疑，这些浪费的能量正在给环境带来负担的同时也在浪费我们有限的一次能源。我们有责任保护好环境并且最充分地利用我们的一次能源。这需要提出对一次能源进行更有效利用的理念。

对能源进行更充分利用的成果是缩减燃油成本并降低排放。降低排放有利于船舶的“绿色”形象，这一点在航运市场的竞争中正在逐步成为一个有利因素。

废热回收利用系统的应用有三种优势：

1、航运用公司因缩减了年度燃料成本而受益。

2、航运公司可为二氧化碳和一氧化氮这类废气的减排做出贡献。

3、航运公司因在航运市场上竞争力提升而获益。

在道德层面上，企业有责任谨慎对待地球上有限的能源，同时寻找到一种环保的解决办法。

为废热回收进行机器调试

机器的排气温度很高，其中约有25%的输入能量可以利用。这些能量是适用于废热回收的潜在资源。

然而通过调整机器进气温度可以使排气温度升高。在热带地区，通过涡轮增压机从机舱吸入空气，柴油机的进气温度的最高值可达45℃，如利用进气管道从机舱外吸入空气，机器的进气温度可设定为不超过35℃。（图二）

这种情况下，可再次配合使用涡轮增压器使机器热负荷重新达到机器进气温度为45℃时的值。为提升机器排气温度而进行调试时，重要的一点，是调试机器的热负荷不得超过惯常值，以便不会危害到机器的安全性能。

即便一部分排气被分流到动力涡轮机而无法由涡轮增压器利用，机器的热负荷依然低于传统机器。由于涡轮增压器同动力涡轮进行了特定配合，也由于进气调整，使涡轮增压器发挥了最大有效效率。

根据ISO标准，这种调试会导致油耗略微升高，但回收的能量要多过于对高能耗带来的功率损失而进行的补偿，柴油机需装备废气门以确保低温环境下气缸压力保持在许可范围内。

现今，高效涡轮增压器在大功率范围内可剩余功率，这就允许在涡轮增压器驱动燃气涡轮或所谓的动力涡轮装置前对一部分废气进行分流，对于常见调试的柴油机来说，这个优点并不值得加以利用。然而，在ISO标准下，同最高吸气温度为45℃的传统调试型柴油机相比，从外部吸气再配合使用涡轮增压器可以分流出更多的废气。因此，再配合使用增压系统提升了废气温度，并且在涡轮增压器工作前可分流出更多废气，从而可以获取相当可观的回收潜热。

综合热回收装置

我们倡导的综合热回收装置包括一个双重压力节能器，一台多级双压蒸汽涡轮，一台动力涡轮，一台由蒸汽涡轮和动力涡轮驱动的交流发电机，一套给水预热系统和一个轴马达/交流发电机系统（图4）

废气节能器

废热节能器包括一个有高压蒸发器和过热部件的高压部分及一个有低压蒸发器和过热部件的低压部分，高压汽筒内的压力达9.5bar，节能器出口温度不低于160℃以防出口处产生硫腐蚀，窄点温度为10℃，低压汽筒内的压力可达3.8bar。

从高压汽筒中抽取的饱合蒸汽用于船舶日常供暖。

给水加热

在第一级，给水由缸套冷却水加热到85℃之后，仅供向高压部件的给水在扫气空冷器中进一步加热温度至150℃至170℃，扫气冷却器的设计可消散全部扫气热量同时使给水加热部件保持干燥运转。

涡轮发电机

使用转速为6750转/分的双压蒸汽涡轮机，高压侧工作时入口压力达8.5-9.5bar,这要求电容器三级压力为0.065bar。选定的节能器在出口温度不影响窄点（10℃）的前提下可确定低压，节能器出口温度达160℃，考虑到涡轮入口处的低压蒸汽压力在3.0-3.5bar，这要求电容器的六级涡轮压力为0.065 bar。蒸汽涡轮和发电机之间装有减速齿轮可将涡轮机速度降到1800转/分的发电机速度。

动力涡轮将产生的功率通过降速齿轮和超速离合器传入蒸汽涡轮。

动力涡轮

动力涡轮使用分流的废气来生产轴动力，将其用于蒸汽涡轮中驱动发电机，这种涡轮是通过了实践验证的增压涡轮经过微小改进而成的。与带有自由运动转子的涡轮增压机不同，动力涡轮用于废热回收系统中要采用特定匹配，这是因为当涡轮同发电机相连时按照恒速运转曲线图表工作，动力涡轮的扭矩通过减速齿轮和超速离合器传递给蒸汽涡轮，万一发生跳闸，使用超速离合器来保护动力涡轮。

动力涡轮在55%-100%机器负荷范围内工作，排气流量由排气总管出口孔控制，在不足55%机器负荷时停止向动力涡轮供应排气，这是因为在不足55%机器负荷条件下涡轮增压器效率不高，因而不允许废气分流驱动动力涡轮，因为动力涡轮的膨胀比及效率几乎同涡轮增压器一样，因而动力涡轮的废气出口温度也大致等同于涡轮增压器，因此供向动力涡轮的排气流量操作可采用若干放式控制（图7）

废气门

机器的调试操作要在进气温度-5℃～35℃范围内进行，当机器在这个进气温度范围内操作时机器的最大压力也保持在许可范围内，如果机器在吸气温度低于-5℃条件下工作，就要保护机器避免由于冷空气密度过高而引发气缸压力过大带来损坏，这点可以通过采用扫气或排气废气门实现。

尽管排气废气门有多种热力优势，但扫气废气门可避免同高温热气接触，可靠性更高，因而是最佳选择。阀件通过简单的开/关作用工作，如果周围气温降到-5℃以下，废气门打开，扫气就转道通向进气管。

轴马达/交流发电机系统

轴马达/交流发电机是低速型的，直接安装在螺旋桨轴在线，它使用变频电力工作。频率控制系统调节进出电源的频率。该系统工作电压6600伏，它可以像马达或交流发电机一样工作。

综合热回收设备操作模式如下：

A：马达模式

热回收系统产生的电能多于船舶日用电能需求，剩余电力用于马达/交流发电机为螺旋桨轴提供更多电力。

B：交流发电机模式

热回收系统产生的电能不能满足船舶日用电能需求，不足电力由马达/交流发电机系统发出。

C：增压器模式

需求推进力大于主机产生推进力，马达/交流发电机系统利用热回收系统和辅机产生所需的电力，起到电动机作用。

可选操作模式

D：应急推进模式

主机同螺旋桨轴断开，船舶由轴马达利用辅机提供电力驱动。