丙類船舶柴油機排氣熱能利用的現狀與發展

李勇猛

（中國航油集團海鑫航運有限公司，上海 200050）

0 引言

本文首先分析船舶柴油機余熱煙氣利用現狀，設計一種新型船舶輔機排煙余熱利用系統，該系統主輔機排煙共用1個主機廢氣鍋爐。而主機廢氣鍋爐是專為主機設置的，其蓄水量和蒸發量及煙管受熱面積與主機排煙廢熱相匹配，而輔機排煙所攜帶的熱量相對要小的多。用輔機排煙的余熱加熱主機廢氣鍋爐，所能產生的蒸汽壓力十分有限。而現實中，主機排煙可將主機廢氣鍋爐蒸汽壓力提高到5 bar以上。輔機排煙的余熱僅能提高到2～2.5 bar（理論上，蒸汽壓力越高，所對應的飽和溫度越高，作為加熱介質，加熱效果就越好）。利用輔機排煙余熱產生的蒸汽壓力不夠高，其最主要的原因在于主機廢氣鍋爐的蒸發量和蓄水量及受熱面積和輔機排煙攜帶的熱量不匹配。此外，已有系統使得主機廢氣鍋爐不管航行還是停泊，都必須工作，一旦要對主機廢氣鍋爐進行檢修，如何產生蒸汽滿足船舶需要就較為麻煩。所以，本設計增加1個受熱面積、蒸發量和蓄水量相對較小的輔機廢氣鍋爐與輔機排煙余熱相匹配，使其產生的蒸汽量和蒸汽壓力可滿足停航時的最小需求量，進而省去主機廢氣鍋爐自帶的燃油燃燒器，節省燃油，產生巨大的經濟效益，而且主機廢氣鍋爐與輔機廢氣鍋爐互為備用，便于檢修。

1 船舶柴油機余熱煙氣利用現狀

目前，對船體柴油內燃機的排氣熱能利用主要有：利用排氣的熱能進行加熱，為船體供應熱水；用排氣的熱能加熱熱水罐與鍋爐，取代傳統的蒸汽式鍋爐；冬天，用排氣的熱能作用于空調設備，為船體進行空氣循環供暖等。

由于中溫余熱能源的品味很高，所以依據用能的準則，能夠將其先作為動力能源，之后再作為熱源，也能夠直接將其作為熱源使用。當下最廣泛的應用方式是廢氣鍋爐設備 ：基于余熱回收原理，將余熱收集于鍋爐內，加水升溫制造蒸汽，以驅動蒸汽的透平發電設備[1]。

根據相關文獻，使用此類裝置能夠有效的利用柴油內燃機的排氣熱能，讓船體的電力電量提升30%以上。柴油內燃機的排氣熱能，不僅能夠用于發電，還可以被用在船體供暖、熱水加熱，海水制淡的設備中，同時還能被應用于助推工作。高效的余熱利用，不僅能夠提升船體動力系統的作業效率，還能切實地降低燃油的消耗問題。例如，在天津港口的12800 t集裝箱船體中，應用柴油內燃機的排氣熱能進行發電，使動力系統的節能效果優化了5%。

根據原理，船體的柴油機，其排氣的熱度在被利用之后能夠下降至自然溫度，可是當下的技術水準還不足以實現這一論點。船體的柴油機在作業環節所排出的氣體熱度，在排氣管道中依然有400℃左右，而被利用在鍋爐設備作業之后，氣體的溫度依舊高至270℃。但柴油機管道的排氣標準是180℃，所以對比之下，氣體的溫度差距還有90℃，這部分溫度還有待利用。

在對這部分溫度的余熱利用環節，需要參考各類型的船體性能，其余熱利用的措施也不一樣。當下的熱管裝置具有對于熱度的敏銳性最強、熱量置換率最大，并且裝置構造簡單、重量小等特征，通常被作為主要的換熱裝置。針對大體積的遠洋船體，柴油機的作業功率也會相對大一些，制造的排氣余熱也隨之變大，能夠裝置余熱回收設備的面積也相對寬裕，一般都是在鍋爐后面加裝熱管鍋爐，有效地進行排氣熱能的重復利用。

對于中小體積的船體，通常使用的柴油機設備的功率也會偏低，制造的排氣熱能也不高，并且能夠裝置余熱回收設備的面積也相對緊張，一般都是在鍋爐后面加裝熱管換熱裝置，以實現對排氣熱能的利用。熱管換熱裝置的余熱回收量，大概能夠支撐船體上的空調設備工作，同時還能夠進行熱水加熱，用來供應船體上人員的正常使用[2]。

2 船舶柴油機余熱煙氣利用的空間

一般采用能量衡算法來分析發動機排氣余熱能量。對在正常工作時的發動機消耗的燃料所產生的熱量應用能量衡算法,其可以分為有效功的熱量、排氣帶走的熱量、冷卻介質帶走的熱量和其他熱量損失(摩擦與潤滑油等)等。

假設當柴油機達到熱平衡時,其排氣時帶走的熱量可按熱平衡計算求取,以此對6250ZCD型低增壓柴油機進行排氣熱量研究為例。因為排氣熱量的回收利用量受限于余熱回收利用系統的進、出口溫度,所以排氣可供回收利用的最大熱量Qr0為：

式中：cpr為柴油機的燃料燃燒產物在tr1～tr2溫度范圍內的平均等壓比熱,估算時,可取1 kJ/（kJ·℃）（也即0.24 kcal/kJ·℃）；tr1為余熱回收利用設備進口的余熱煙氣溫度，℃；tr2為余熱回收利用設備出口的余熱煙氣溫度，℃（tr2一般應高于140℃～150℃，以防止余熱回收利用設備結露腐蝕）。

柴油機排量Gr為：

式中：Gr為柴油機排氣量，kg/h；Ne為柴油機功率，kW；ge為相應功率時的耗油率，kg/（kW·h）；L0為每公斤燃油燃燒時所需要的理論空氣量，kg/kg（一般為14.5）；α為過量空氣系數,二沖程柴油機=3.0～4.0；四沖程柴油機=1.6～2.2；φ為掃氣系數，四沖程低增壓=1.10～1.15；四沖程高增壓=1.20～1.25；

當在Ne=290 kW運行時，ge=0.236 kg/（kW·h），L0=14.5 kg/kg，tr1=370℃，tr2=150℃，α=1.6，φ=1.10。此柴油機的排氣量Gr=1815 kg/h，此柴油機排氣可供利用熱量Qr0=399300 kJ/h。

3 船舶柴油機余熱煙氣利用設計

船舶產生熱能的柴油機包括主機、輔機、貨泵機（油輪），現有的船舶基本上只是主機的排氣通過鍋爐排氣受熱面，而輔機并沒有被很好地利用，基于此，設計一種新型船舶輔機排煙余熱利用系統，使輔機排氣也接到廢氣鍋爐受熱面，在拋錨和靠港期間，充分利用輔機排氣使鍋爐產生蒸汽，進行暖機，或加熱需要加熱的設備；從而無需再加裝電加熱。

3.1 設計解決的技術問題

本設計中，增加1個受熱面積、蒸發量和蓄水量相對較小的輔機廢氣鍋爐，與輔機排煙余熱相匹配，使其產生的蒸汽量和蒸汽壓力可滿足停航時的最小需求量，進而省去主機廢氣鍋爐自帶的燃油燃燒器，節省燃油，產生巨大的經濟效益。而且主機廢氣鍋爐與輔機廢氣鍋爐互為備用，便于檢修[3]。

3.2 設計內容

輔機的排煙管Ⅰ與三通的進口連接，三通的第一出口與輔機廢氣鍋爐進煙口連接，第二出口與旁通煙道的下端連接；

輔機廢氣鍋爐的排煙口上連接有排煙管Ⅱ，旁通煙道的上端與排煙管Ⅱ連接；

三通的第一出口與第二出口及排煙口內均設有翻轉式煙門擋板Ⅰ。

輔機為3臺，3臺輔機分別通過3個排煙管Ⅰ與水平排煙總管并聯連接，水平排煙總管出口與三通的進口連接，且3個排煙管Ⅰ上均設有翻轉式煙門擋板Ⅱ。

三通的進口下方連接有水泄漏報警裝置和泄殘管，且水泄漏報警裝置和泄殘管均位于水平排煙總管的下方。輔機廢氣鍋爐上連接有吹灰裝置。

輔機廢氣鍋爐的蒸汽輸出管路Ⅰ與主機廢氣鍋爐的蒸汽輸出管路Ⅱ連接。

具體結構如圖1所示。

圖1 本設計的結構示意圖

3.3 優點和效果

1）本設計增加一個受熱面積、蒸發量和蓄水量相對較小的輔機廢氣鍋爐與輔機排煙余熱相匹配，使其產生的蒸汽量和蒸汽壓力可滿足停航時的最小需求量，進而省去主機廢氣鍋爐自帶的燃油燃燒器，降低造價，節約燃油，產生巨大的經濟效益。

2）本設計在船舶停泊時可停用主機廢氣鍋爐，啟用輔機廢氣鍋爐，其工作產生的蒸汽量和蒸汽壓力即可滿足船舶停航時的需求，而且在船舶停泊時也便于對主機廢氣鍋爐進行檢修。當然主機廢氣鍋爐與輔機廢氣鍋爐互為備用，也便于輔機廢氣鍋爐的檢修[4]。

3）本設計將主輔機排氣系統相互隔離，避免了排氣互相干擾。

3.4 具體應用方式

3臺輔機分別通過3個排煙管與水平排煙總管并聯連接，水平排煙總管出口與三通的進口連接，且3個排煙管上均設有翻轉式煙門擋板。所述三通的第一出口與輔機廢氣鍋爐進煙口連接，第二出口與旁通煙道的下端連接；所述輔機廢氣鍋爐的排煙口上連接有排煙管，所述旁通煙道的上端與排煙管連接；所述三通的第一出口與第二出口及排煙口內均設有翻轉式煙門擋板；

所述輔機廢氣鍋爐上連接有吹灰裝置。所述三通的進口下方連接有水泄漏報警裝置和泄殘管，且水泄漏報警裝置和泄殘管均位于水平排煙總管的下方。所述輔機廢氣鍋爐的蒸汽輸出管路與主機廢氣鍋爐的蒸汽輸出管路連接。所述主機廢氣鍋爐通過主機排煙管與主機連接。

其中，單臺輔機排煙管上的翻轉式煙門擋板主要用于備用輔機檢修作業時關閉擋板，防止高溫燃氣下串。當輔機廢氣鍋爐需要檢修時，或系統蒸汽壓力過高時，通過翻轉式煙門擋板關閉三通的第一出口和排煙口，打開三通的第二出口，將在用輔機的排煙通過旁通煙道排入大氣。設置水泄漏報警裝置的目的是防止鍋爐漏水進入輔機透平或缸頭，造成輔機零部件損壞。使用蒸汽或藥粉吹灰的目的是防止輔機燃燒產生的煙灰附著在輔機廢氣鍋爐煙管內表面，影響換熱效果。

工作時，3臺輔機排煙通過排煙總管匯聚，然后上行，再通過一排煙三通進入輔機廢氣鍋爐，使輔機鍋爐產生蒸汽。船舶航行時輔機廢氣鍋爐既可以和主機廢氣鍋爐聯合使用產生蒸汽，也可以通過打開旁通煙道不予使用。在停航時，一般停用主機廢氣鍋爐，使用輔機廢氣鍋爐產生的蒸汽。特別是船舶在停航時無需再使用輔助燃油鍋爐，可以節省大量的燃油費用并減少碳排放量[5]。

4 結語

本文對船舶柴油機余熱回收利用展開了一定的研究，通過對國內外現有的余熱煙氣回收利用系統的理論方案進行研究和比較,設計出一種新型船舶輔機排煙余熱利用系統，增加1個受熱面積、蒸發量和蓄水量相對較小的輔機廢氣鍋爐與輔機排煙余熱相匹配，使其產生的蒸汽量和蒸汽壓力可滿足停航時的最小需求量，進而省去主機廢氣鍋爐自帶的燃油燃燒器，節省燃油，產生巨大的經濟效益，而且主機廢氣鍋爐與輔機廢氣鍋爐互為備用，便于檢修。