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船舶低速双燃料发动机甲烷逃逸治理方案分析

热能动力工程 2023年第10期38卷 86-94页

作者：胡杨温华兵韩连任江苏科技大学能源与动力学院江苏镇江212003 中船动力研究院有限公司上海200129

船舶低速双燃料发动机在工作过程中会发生甲烷逃逸现象,以现有的催化剂催化氧化效率结合发动机排放试验数据,通过设计计算及理论分析,研究了机外后处理技术在解决该问题上的可行性,分析了采取电加热和补燃方案后对催化效果的影响。研究... 详细信息

船舶低速双燃料发动机在工作过程中会发生甲烷逃逸现象,以现有的催化剂催化氧化效率结合发动机排放试验数据,通过设计计算及理论分析,研究了机外后处理技术在解决该问题上的可行性,分析了采取电加热和补燃方案后对催化效果的影响。研究发现:现有的催化剂虽有较高的催化效率,但在低速机正常排气温度下,经过加权计算的甲烷逃逸量为1.35 g/(kW·h),不满足设计限值1 g/(kW·h);采取电加热或补燃方案使催化剂活性得到提高后,低速机甲烷逃逸量会有所降低,采取电机热方案和燃烧器补燃方案均可使加权甲烷排放量降低至0.94 g/(kW·h)。

关键词：双燃料甲烷逃逸后处理催化剂电加热燃烧器

部分预混耦合EGR对天然气直喷发动机的影响

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舰船科学技术 2024年第5期46卷 95-102页

作者：黄文庆魏立江余胜张雨上海海事大学商船学院上海201306

以一台四冲程高压直喷天然气发动机为研究对象,模拟研究了5种天然气预喷量耦合5种废气再循环(EGR)率对部分预喷天然气发动机的燃烧和排放特性的影响。结果表明,相比于高压直喷模式,部分预喷模式有着更高的缸内峰值压力、峰值热释放率和... 详细信息

以一台四冲程高压直喷天然气发动机为研究对象,模拟研究了5种天然气预喷量耦合5种废气再循环(EGR)率对部分预喷天然气发动机的燃烧和排放特性的影响。结果表明,相比于高压直喷模式,部分预喷模式有着更高的缸内峰值压力、峰值热释放率和最大压力升高率。预喷比例的增加会提前发动机燃烧相位、缩短燃烧持续期,进而降低发动机的指示燃料消耗率,但是EGR的加入会削弱这种效果。较高的预喷量耦合中等比例EGR能够削弱NOx-soot的“trade-off”关系;30%EGR率耦合40%预喷量能够使发动机具有较低的指示燃油消耗率,产生较低的甲烷、未燃HC和CO排放,以及优于非预喷方案的NOx和soot排放特性。

关键词：天然气高压直喷部分预喷预喷比例甲烷逃逸碳烟

船舶低速双燃料发动机甲烷逃逸后处理技术研究

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船舶低速双燃料发动机甲烷逃逸后处理技术研究

作者：胡杨江苏科技大学

学位级别：硕士

为积极响应国家双碳战略及国际海事组织本世纪末实现航运零排放目标,减碳已经成为航运业发展的重要方向。因此,以LNG、甲醇、氨、氢为代表的低碳零碳燃料作为船舶动力的研究已成为热点。当前,LNG作为技术成熟度最高的低碳能源,应用于船... 详细信息

为积极响应国家双碳战略及国际海事组织本世纪末实现航运零排放目标,减碳已经成为航运业发展的重要方向。因此,以LNG、甲醇、氨、氢为代表的低碳零碳燃料作为船舶动力的研究已成为热点。当前,LNG作为技术成熟度最高的低碳能源,应用于船舶燃料已成为趋势,但由于船舶排放法规不健全,以LNG为动力的船舶也带来了严重的甲烷逃逸问题。因此,研究LNG动力船舶的甲烷逃逸后处理方法对LNG船舶发动机的进一步推广具有重要意义。首先,通过搜资和调研明确了目前对于船舶甲烷排放法规的具体限值,确定了本文船舶低速双燃料发动机的甲烷排放限值为1g/k Wh。研究了目前可用于脱除甲烷气体的技术及其机理,得出了目前适用于船舶低速双燃料发动机甲烷脱除的方法是补燃协同催化氧化技术的结论。其次,针对某自制的甲烷催化器进行了有限元计算,结果显示催化器内流场分布均匀,压力损失大部分发生在催化剂层,温度场分布均匀。结合船舶低速双燃料发动机排放测试数据,以温度作为影响催化剂转化效率的核心因素设计了甲烷逃逸高压和低压治理方案,对比了两种方案所需的能耗、温室效应、设备和成本,发现低压方案成本较低,在实际工程应用中具有优势。再次,针对甲烷气体的检测方法进行了原理研究,发现适用于船舶甲烷逃逸检测的方法是红外光谱法,对船舶低速双燃料发动机甲烷排放的实时监测提出了不同需求,明确了监测所需的软硬件要求,建立了甲烷逃逸实时监测系统的总体框架,对实时监测不同模块的功能进行设计研究。最后,针对船舶低速双燃料发动机甲烷逃逸,搭建了引流试验台,对甲烷逃逸治理样机的减排性能开展了试验研究。结果表明,加权甲烷脱除效率为76.88%,加权甲烷排放量为0.55g/k Wh,试验平台最终甲烷排放量小于目标设计限值。结合低速机工况,开展了甲烷逃逸后处理装置与发动机的匹配计算,形成了4.8～66.3MW级发动机配机所需的甲烷逃逸后处理装置匹配参数。本文针对船舶低速双燃料发动机开展的后处理方案和台架试验分析,得到的研究成果,可为LNG船舶低、中速双燃料发动机及高速气体机的甲烷逃逸后处理提供参考和借鉴。

关键词：双燃料补燃后处理甲烷逃逸催化氧化

华北地台中元古代串岭沟组页岩中的砂脉构造：17亿年前甲烷气逃逸的沉积标识？

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地球科学（中国地质大学学报） 2008年第5期33卷 577-590页

作者：史晓颖蒋干清张传恒刘娟高林志中国地质大学地球科学与资源学院北京100083 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室北京100083 美国内华达大学地球科学系 Las VegasNV89154-4010 中国地质科学院地质研究所北京100037

华北地台中元古界串岭沟组暗色页岩中发育一种特殊的砂质脉状构造;层面上表现为不规则密集分布的细砂脊,垂向上由不连续薄砂层和近于直立的"肠状"砂脉体相交互组成.浅色砂脉由较纯的石英粉砂-细砂组成,含微量自生白云石、菱铁矿及微晶... 详细信息

华北地台中元古界串岭沟组暗色页岩中发育一种特殊的砂质脉状构造;层面上表现为不规则密集分布的细砂脊,垂向上由不连续薄砂层和近于直立的"肠状"砂脉体相交互组成.浅色砂脉由较纯的石英粉砂-细砂组成,含微量自生白云石、菱铁矿及微晶碳酸盐岩斑块,与黑色泥质围岩边界截然.研究表明,砂脉构造可能是在早期成岩阶段前由来自薄砂层的细-粉砂灌入甲烷缓慢逃逸通道而成,并由于压实缩短而褶皱成"肠状".薄砂层与黑色页岩形成的能量条件完全不同,可能系由风暴将海岸带或砂坝细砂带入低能环境而形成;甲烷源自沉积中埋藏的微生物席腐烂分解.围岩层面有微生物席成因微皱痕和气体逃逸形成的气泡构造,围岩中发现有细菌化石和草霉状黄铁矿.串岭沟组中密集发育的砂脉构造是目前地层中识别的最古老的甲烷排放证据,并有可能作为指示地质时期陆源碎屑沉积环境甲烷逃逸的沉积标识.大量高效温室气体进入大气圈可能是导致元古宙地球表层高温室气候和无冰川发育的重要原因.

关键词：砂脉构造甲烷逃逸微生物席串岭沟组中元古界华北地台.

驶向2050,液化天然气运输船“碳达峰”之路

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航海 2024年第3期 4-8页

作者：徐哲轩上海中远海运液化天然气投资有限公司上海200080

随着航运业的“双碳”目标不断推进,国际海事组织(IMO)以及欧盟对船舶排放提出了更加严苛的要求并将甲烷逃逸纳入碳强度指标(CII)评级重点考核对象。面对未来液化天然气(LNG)运输船在排放上可能遇到的困境,本文认为对于近期以及未来能... 详细信息

随着航运业的“双碳”目标不断推进,国际海事组织(IMO)以及欧盟对船舶排放提出了更加严苛的要求并将甲烷逃逸纳入碳强度指标(CII)评级重点考核对象。面对未来液化天然气(LNG)运输船在排放上可能遇到的困境,本文认为对于近期以及未来能够使船舶能效受益的技术手段作出相应的研究和规划是有必要的。

关键词：能效提升混合动力电池技术甲烷逃逸

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低温等离子体催化系统降低船用低压燃气发动机逃逸甲烷的研究

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低温等离子体催化系统降低船用低压燃气发动机逃逸甲烷的研究

作者： Majed Shreka 哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着稀薄燃烧低压气体/双燃料发动机在海洋领域的广泛应用,甲烷逃逸问题越来越受到人们的关注。甲烷需要在大于600℃的高温条件下才能破坏C-H键并被氧化,而基于奥托循环的船用气体/双燃料发动机废气温度低于400℃,因此使用后处理技术控... 详细信息

随着稀薄燃烧低压气体/双燃料发动机在海洋领域的广泛应用,甲烷逃逸问题越来越受到人们的关注。甲烷需要在大于600℃的高温条件下才能破坏C-H键并被氧化,而基于奥托循环的船用气体/双燃料发动机废气温度低于400℃,因此使用后处理技术控制甲烷逃逸是满足IMO船舶温室效应气体排放的核心技术。使用氧化催化剂是一种解决方案,但是存在低废气温度下催化剂老化和转化效率低等问题。为了解决在低废气温度条件下甲烷转化效率低的问题,本文利用低温等离子体介质阻挡放电技术(DBD)与催化剂结合的方式来实现甲烷的低温高效转化。通过将等离子体反应器固定在管式炉内,并将负载不同贵金属的催化剂放置在放电区下游的反应器内(等离子体催化后段),本文分别开展了单独等离子体处理甲烷和等离子体联合催化处理甲烷的研究。在单独等离子体处理甲烷实验中,本文主要研究了输入功率、气体混合物流速、气体混合物温度、甲烷初始浓度、反应时间、频率、氧气初始浓度、输入电压和输入电流对甲烷转化效率的影响,以及一氧化碳和二氧化碳的生成效率和选择性,以确定DBD反应器内的甲烷转化率。结果表明:输入功率对甲烷转化有很大影响,甲烷转化效率和CO2选择性分别提高到97.87%和58.01%,即使在220℃的低温条件下,CO选择性也降低到37.98%;气体混合物流速和甲烷的初始浓度均与甲烷转化效率显反向关系。此外,本文研究表明,氧浓度的增加(从5%增加到16%)对转化效率和副产物的选择性影响很小。在等离子体联合催化处理甲烷实验中,本文研究了催化剂类型、不同贵金属含量和空速对甲烷转化的影响,并确定了甲烷最佳转化效率的条件。与采用单独等离子体处理方法相比,采用等离子体联合催化可以提高甲烷的处理效率,且具有良好的碳氧化物选择性,对CO的选择性低于1%,对CO2的选择性高于96%。此外,本文通过研究发现,催化剂中贵金属含量的增加可以提高甲烷的转化效率,其中铂负载催化剂的性能超过了钯催化剂。此外,本文通过研究,确定了等离子体对甲烷的处理包含两个过程,首先高能电子碰撞并诱导甲烷和氧离解成不同的活性物质,如自由基和离子等;其后活性物质继续与甲烷反应生成一氧化碳、二氧化碳和水。而催化剂的存在提高了甲烷的总转化效率,并增强了其表面活性位点上一氧化碳向二氧化碳的氧化。本文是首次使用低温等离子技术解决稀薄燃烧低压船用燃气发动机的甲烷逃逸问题,可为相关研究提供参考和指导。

关键词：甲烷逃逸稀燃低压气体发动机低温等离子体氧化催化等离子体催化混合系统

等离子体催化氧化双燃料发动机逃逸甲烷的研究

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等离子体催化氧化双燃料发动机逃逸甲烷的研究

作者：张荣沛哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

船舶发动机带来的排放污染问题越来越受到世界各国的重视,双燃料发动机技术以其良好的排放性逐渐得到原来越多的应用,但双燃料发动机的HC排放,尤其是采用天然气低压喷射的双燃料发动机的甲烷排放较多。甲烷是一种热势很高的温室气体,我... 详细信息

船舶发动机带来的排放污染问题越来越受到世界各国的重视,双燃料发动机技术以其良好的排放性逐渐得到原来越多的应用,但双燃料发动机的HC排放,尤其是采用天然气低压喷射的双燃料发动机的甲烷排放较多。甲烷是一种热势很高的温室气体,我国环保部对双燃料发动机的甲烷排放限值做出了明确规定,国际海事组织IMO也提出了国际海运温室气体减排初步战略,但目前国际上关于船用低压双燃料发动机逃逸甲烷的问题还没有较好的解决办法。本文以船用低压双燃料发动机逃逸甲烷为研究对象,基于自行搭建的等离子协同催化剂脱除甲烷的实验平台展开相关实验研究,以低温等离子体协同催化技术为基础,设计了圆筒型介质阻挡放电反应装置,同时引入贵金属催化剂,对双燃料发动机逃逸甲烷进行氧化脱除,对单独等离子体及等离子体协同催化剂处理甲烷的脱除效率和反应产物选择性的影响因素进行了研究探讨,并对等离子体电源能耗效率、能量密度以及脱除甲烷的反应机理进行分析,以期为处理船舶双燃料发动机逃逸甲烷的技术研究提供参考。首先,对单独低温等离子体处理甲烷的反应过程进行研究,发现增大电源输入功率、升高反应温度以及降低反应气体流量均有助于CH4分子的深度氧化,能够提高CH4的脱除效率、降低反应产物中CO的选择性并提高CO2的选择性。电源频率的提高增加了放电重复率,并改变了等离子体反应器内部功率,随等离子体电源频率的增高,CH4脱除效率、CO选择性均呈现出先增加后减小的变化规律。等离子体电源的最适宜频率随着等离子体电源输入电压的变化而改变。等离子体放电的一部分能量以热能形式散失,提高反应器的反应温度、电源输入功率均有助于提高等离子体电源效率。电源输入功率的变化、反应气体流量的变化都会改变能量密度,能量密度的增加能够提高CH4脱除效率。其次,对等离子体与催化剂协同处理甲烷的反应过程进行了研究,得到了不同反应器的CH4脱除效率顺序为:等离子体+Pt/Al2O3反应器>等离子体+Pd/Al2O3反应器>单独等离子体反应器。提高催化剂贵金属含量、增加催化剂的用量能够促进CH4的脱除效果,增大CH4初始浓度会降低CH4脱除效率,O2初始浓度的升高会导致CH4脱除效率略有降低。随着反应时间的持续延长,CH4脱除效率缓慢增加,CO选择性缓慢降低,催化剂的布置能够提高反应初始阶段的CH4脱除效率,使整体反应时间内的CH4脱除效率更趋于稳定。最后,分析了等离子体催化氧化过程的反应机理,等离子体催化氧化反应可分为两个过程:CH4分子首先在高能电子的碰撞下断裂C-H键,生成多种自由基,随后各种自由基直接会发生转移及化合过程。催化剂的添加能够控制自由基反应的方向,使得反应产物具有较高的选择性。本文所得到的研究结果可以为处理船舶低压双燃料发动机逃逸甲烷提供参考,实验装置也可应用于处理稀燃天然气发动机逃逸甲烷,为进一步降低发动机排放打下基础。

关键词：等离子体催化氧化双燃料发动机甲烷逃逸

船用LNG-H2/柴油低压双燃料发动机低碳排放策略研究

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船用LNG-H2/柴油低压双燃料发动机低碳排放策略研究

作者：刘玉琪哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

在当前碳达峰与碳中和的时代背景下,低碳排放乃至零碳排放是未来船用发动机的发展趋势。到目前为止,天然气是船舶航运业短期内降低碳排放的最优选择,是船舶航运业迈向零碳时代的关键燃料。但是,天然气发动机由于天然气燃料特性和甲烷逃... 详细信息

在当前碳达峰与碳中和的时代背景下,低碳排放乃至零碳排放是未来船用发动机的发展趋势。到目前为止,天然气是船舶航运业短期内降低碳排放的最优选择,是船舶航运业迈向零碳时代的关键燃料。但是,天然气发动机由于天然气燃料特性和甲烷逃逸,因此依旧会产生不低的碳排放量。为进一步降低天然气发动机的碳排放,本文从发动机燃料和甲烷逃逸入手,采用数值模拟的研究方法,建立低压天然气双燃料发动机仿真模型,研究在天然气中掺入氢气对发动机燃烧和排放的影响规律,重点分析对发动机碳排放的影响,探索抑制甲烷逃逸的控制策略,为船用低压双燃料发动机低碳排放和性能优化提供设计思路。基于此,本文的主要工作及结论如下:1)以某型船用二冲程低压天然气双燃料发动机为研究机型,构建了低压双燃料发动机工作过程仿真模型和三维仿真模型。工作过程仿真模型为三维仿真模型提供初始条件和边界条件。2)研究了天然气掺氢对船用低压双燃料发动机燃烧和排放的影响规律,分析了对发动机碳排放的影响。研究表明,天然气掺氢提高了缸内OH等活性自由基含量,燃烧过程加快,发动机指示热效率升高;天然气掺氢降低了进入气缸内的CH含量,同时提高了火焰传播速度,燃烧更加充分,降低了未燃烧的CH含量,实现了发动机低碳排放的目的。3)应用EGR技术可以有效控制船用低压双燃料发动机的甲烷逃逸,同时采用天然气掺氢技术,并且选取合适的引燃油喷射正时能够弥补EGR技术缺陷,通过将三种技术耦合可以进一步降低发动机碳排放。研究表明,采用EGR技术降低了发动机的指示热效率,缸内最高燃烧压力和压力升高率下降,燃烧持续期延长,CH逃逸量降低,抑制了发动机的甲烷逃逸。引燃油喷射正时提前,指示热效率先升高后降低,缸内燃烧压力和燃烧放热率升高,燃烧持续期缩短,CH逃逸量先降低后升高。采用-9.8°CA-10%H+90%CH-20%EGR(-9.8°CA引燃油喷射正时,10%天然气掺氢能量比和20%EGR率)优化方案,指示热效率基本与原机持平,甲烷逃逸量下降了约52%,GHG排放下降了约16%,发动机其余性能指标均高于原机。

关键词：双燃料发动机碳排放氢气 EGR 甲烷逃逸