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柴油硫含量对柴油机使用的影响

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NAVALARCHITECTUREAND OCEAN ENGINEERING船舶与海洋工程2015年第31卷第2期(总第102期) DOI:10.14056/j.cnki.naoe.2015.02.010 柴油硫含量对柴油机使用的影响 张伟刚 ,程晓夏2,佟佳洋3,孙炉钢 (1.海军驻江南造船(集团)有限责任公司军事代表室,上海201913; 2.上海船用柴油机研究所,上海200090;3.中华人民共和国洋山港海事局,上海201306) 摘要:柴油机燃料多样,并可用重燃油,致使人们误解柴油机对燃料品质要求不严。随着环保问题日益突出,柴 油性能与质量对柴油机燃烧品质和排放的影响日益凸显。柴油的硫含量受到特殊关注。论述了柴油硫含量对柴油 机使用的各方面影响:对柴油机有害物包括PM、CO、NOx排放的影响;对排放后处理系统包括DOC、SCR、 LNT和DPF的各种有害影响或造成的使用;明确了高硫含量没有加重柴油或机油的腐蚀性,也没有破坏活 塞的清净性,但是燃烧后积炭中硫化物形态的不同和含量的增大会造成活塞环卡死,相关部件腐蚀磨损加剧;高 硫含量也对柴油机油提出了高总碱值、高清净分散性的要求,并会缩短机油的更换周期。研究结果表明,硫含量 对柴油机使用的有害影响是多方面的,低硫或无硫柴油是未来世界范围内对柴油品质的必然要求。 关键词:硫含量;排放;总碱值 中图分类号:U677.2 文献标志码:A 文章编号:2095.4069(2015)02.0048 04 Abstract:Diesel engines can use various fuels including heavy fuel oil,which leads to the misunderstanding that diesel engines do not have any stirct requirements on fuel quality.As environmental issues become more and more important, effects of diesel performance and qualiyt on the quality of combustion and emission of diesel engine has become increasingly prominent.The sulfur content of diesel is of special concern.This paper discusses the effect of sulfur content on diesel engine operation,e.g.on hazardous substances emission such as PM,CO,NOx,and harmful effects or restrictions on the exhaust gas treatment system including DOC,SCR,LNT and DPF.It is clarified that high-sulfur content will neither aggravate the corrosivity of diesel fuels and engine oil,nor sabotage the cleanness of pistons.But diferent content of sulfide morphology and post combustion carbon increases will cause stuck piston rings,and intensify corrosion wear of related parts.Meanwhile,high sulufr content in diesel engine oil also presents high TBN,high pure dispersivity requirements,and will shorten the replacement cycle of engine oil.The research results show that,the sulfur content has various harmful effects on diesel engine,low sulfur or sulfur free diesel will surely become a worldwide requirement on diesel quality in the future. Key words:sulfur content;emission;TBN(total basic number) 0 引言 硫是柴油中的有害成分。我国2000年的轻柴油标准规定硫含量 O.2%(即2000mg/L),2003年车用 柴油标准缩减到O.05%,2011年颁布的((GB252—2011普通柴油》规定:从2013年7月1日开始,硫含量 0.035%。而在欧盟EN 590标准中规定,2001~2004年硫含量为350mg/L,2005~2008年为50mg/L,2009 年开始应当采用无硫柴油(硫含量 10mg/L)。 过去,人们对硫的危害的认识还只限于其排出的燃烧产物二氧化硫(SO2)会产生酸雨并加重柴油机 零部件的磨损等方面,随着对柴油机排放控制的日益严格,以及对柴油中化学元素作用研究的进一步加深, 人们对柴油中硫的危害有了更多的认识:它不仅会以硫酸盐的形式增加微粒排放,而且还会使排气后处理 装置过早失效(即所谓“中毒”) J。 收稿日期:2014—05—19 第一作者简介:张伟刚,男,高级工程师。1966年生,1987年毕业于海军工程大学机电专业,现从事舰船监造工作。 张伟刚,等:柴油硫含量对柴油机使用的影响 49 而高硫含量的有害影响包括两个方面,一是对柴油机排放及排放后处理系统的影响,二是对柴油机及 机油系统的影响。 1对排放及排放后处理系统的影响 现已实施的柴油机排放控制措施有:改进柴油机结构设计,优化涡轮增压器与柴油机的匹配,改进柴 油机燃油控制系统等。对于瞬变脉冲负荷,加惯量优化柴油机运行工况的同时也优化了柴油机排放(如某 港口码头储能电站)。与汽油机相比,柴油机的有害排放物中CO和HC要少得多,NOx则接近,而颗粒物 (PM)排放要高许多。柴油机的PM排放与柴油的十六烷值、芳烃含量、硫含量等有密切关系。其中硫含 量直接影响到柴油机的烟度和PM排放物的浓度,也影响柴油机排气催化净化器的净化效果[2】。 1.1柴油硫含量对排放的影响 柴油中的大部分硫(约95%~98%)在燃烧过程中转化为SO2,在有氧气和高温条件下某些SO2还被氧 化为SO ,很容易同燃烧过程中形成的水结合,在放热反应中形成硫酸烟雾,成为PM排放的一部分pj。 因此,降低柴油的硫含量,就相应地降低了PM排放量,也降低了排气烟度。 欧洲的汽车油料研究表明,柴油中的硫质量分数从500mg/L减少到30mg/L,使得轻型车PM排放降 低了7%,重型车PM排放降低了4% 。 硫含量对CO和NOx的排放也有影响:JCAP使用硫含量分别为l0、50和100mg/L的油品进行了 30000km行车试验和发动机试验,研究结果发现,随行驶里程的增加,CO和NOx的排量也增加,并且硫 含量越大排放增加得越多,见图1【5】。0 1.2硫含量对排放后处理系统的影响 实用的柴油机排放后处理系统主要有氧 豆 化催化剂(DOC)、NOx选择催化还原法 0 (SCR)、NOx吸附还原催化法(LNT)和微 粒捕集器(DPF)。 罡 DOC可以通过氧化反应降低排气中的 u 0 CO和HC成分以及微粒中的SOF,同时对乙 醛等尚未的有害成分(非常规排放)也 硫含量/m ̄,/L 有效果。但DOC也会将排气中的SO2氧化成 图1硫含量对排放的累积影响 SO3,遇水生成硫酸盐。一般认为,柴油中的 硫含量大于100mg/L时,采用DOC后反而会使PM排放升高,因此,采用DOC必须使用低硫柴油【6’ 。 以尿素为还原剂的SCR催化剂系统具有较好的耐硫性,可以用欧III标准的柴油(含硫量不大于 350mg/L)工作。但实施欧Ⅳ和欧V法规后,为进一步降低NOx排放,需要在SCR催化剂前设置DOC以 增加NO2的比重,而DOC是要求低硫柴油的,可见,硫含量了SCR的使用。NOx后处理的另一种方 法是吸附还原催化法LNT,但其催化剂容易引起硫中毒。 使用微粒捕集器(DPF)是目前公认的最有效的PM后处理手段,车辆使用DPF系统和高氧化性能的 催化剂,可有效减少PM排放[8】,对排气的PM净化效率在60%以上。但是柴油中的硫含量对DPF装置效 率有很大的影响。研究发现【9】,硫含量从3mg/L升高到30mg/L时,PM的净化效率从95%下降到70%。 另外,对于陶瓷材料的DPF,PM的积存导致排气背压增大,必须及时将积存的PM除去,即必须及时进 行再生,应用最多的是在陶瓷滤体表面涂敷铂等贵金属,对PM进行催化氧化,但排气中的硫会使贵金属 中毒,很快失活,造成滤器不能再生。 从上文可以看到,硫含量几乎对每一类实用型排放后处理系统均造成不利影响,采用低硫或无硫柴油 是保证后处理效果的基础条件。 50 船舶与海洋工程2015年第2期 2对柴油机及机油的影响 考虑到含硫柴油可能直接渗入机油中,要考察硫含量对柴油机及机油的影响【l叭,需要检查不同硫含量 柴油在以下几个方面的表现: 1)柴油和柴油机油的腐蚀性差异; 2)对活塞清净性及活塞环灵活性的影响; 3)活塞积炭分析,考察元素组成和硫化物形态; 4)柴油硫含量对柴油机油的影响。 2.1硫含量对腐蚀性、活塞及活塞积炭的影响 制备含硫0.0(空白样)、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的试验柴油和柴油机油,按GB/T5096—1991进行 铜片腐蚀试验,考察了不同硫含量柴油和柴油机油的腐蚀特性,试验结果是柴油中的硫化物对柴油和机油 的腐蚀性没有影响。 不同硫含量柴油按135一C2法或135一D2法进行台架试验,之后取出各自活塞进行清净性评分,并检查 活塞环的灵活性,结果表明:在相同试验条件下,高硫柴油的发动机活塞清净性评分并不一定比低硫的差, 但活塞环的灵活程度却大不一样,特别是含硫O.8%的高硫柴油,其活塞第一环(压缩环)已经卡死。这些 现象说明,柴油中硫含量的高低对发动机活塞沉积物的化学、物理性质有很大影响。 将硫含量为0.1%#11 0.8%的柴油进行台架试验,取出一部分活塞积炭作XPS分析。结果表明,不同硫 含量柴油生成积炭的成分差别不大,但是积炭中硫化物的形态和含量大小差异较大,高硫柴油积炭比较坚 硬,不易去除,分析认为,高硫柴油燃烧后易于生成强酸性物质。 2.2柴油硫含量对柴油机油的影响 考虑到柴油的硫含量对柴油机油的影响,MTU公司在其《液体与润滑剂规范》[11】中明确要求,当所 用柴油硫含量高于0.5%(5000mg/L)时,所用的柴油机油的总碱值不得低于8mgKOH/g。《液体与润滑剂 规范》中规定的可用机油总碱值与柴油硫含量的关 系曲线见图2。 , 总碱值是内燃机润滑油特别是柴油机润滑油的 一项十分重要的性能指标,表示润滑油中所含的碱 15 , 性物质的多少,这些碱性物质主要是氨基化合物、 弱酸盐,如皂类、多元酸的碱性盐和重金属的盐类 厂 总碱值 新油 机油普遍添加有超碱值清净分散剂,用以中和 燃烧产物所生成的酸。因此总碱值可间接表示为所 。引曼 舀 __ 一 一, 厂 一一 一 r 用油 一 一 .含清净分散剂的多少,也能表示用油的剩余清净分 散能力【j引。 当柴油机无法选用符合要求的较低硫含量柴油 时,只能相对应的选用总碱值较高、清净分散性好 的机油。如果机油无法满足要求时,应相应缩短机 总碱值 一一l 一-- 面 —一 一1 一 一-I 一 油更换周期以满足保护柴油机的要求。缩短的机油 更换周期可以通过测定机油的剩余总碱值来确定。 一般,当剩余总碱值降低到新油总碱值的50%时,0 燃料含硫量/重量% 就需要更换机油了。传统的总碱值测定通常采用 SH/T 0251“石油产品碱值测定法(高氯酸电位滴定 法)”,由于种种原因,此方法只能在实验室进行, 图2柴油硫含量确定机油总碱值 而不能做现场测定。循环伏安法为人们提供了一种有效的适合于现场进行的测定办法。 张伟刚,等:柴油硫含量对柴油机使用的影响 51 3结语 由于柴油机具有燃料多样性和可燃用劣质燃料的优点,长期以来人们存在着误解:柴油机对燃料性质 要求不严。但是,随着环保问题目益突出,人们逐步认识到柴油性能与质量对柴油机燃烧品质和排放性能 的重要影响。其中,柴油的硫含量受到特别关注。柴油硫含量对柴油机排放及排放后处理系统的影响以及 硫含量对柴油机及柴油机油的影响主要有: 1)硫含量高直接加剧柴油机排气烟度和PM排放物的浓度;对CO和NOx的排放也有累积影响,硫 含量越大,两者的排放增加越多; 2)硫含量对排放后处理系统也有重大影响,氧化催化剂(DOC)、NOx选择催化还原法(SCR)、NOx 吸附还原催化法(LNT)和微粒捕集器(DPF)使用效果均与柴油硫含量有直接或间接的关系,并有限值 要求; 3)柴油中的硫化物,其含量高低并不会影响柴油或柴油机油的腐蚀性,也不会破坏发动机活塞清净 性; 4)高硫含量柴油的燃烧产物中强酸性物质含量大,可加剧燃烧室、汽缸和排气系统部件的腐蚀与磨 损; 5)因特殊原因使用高硫含量柴油,应选用高总碱值、清净分散性好的柴油机油,定期检测用油剩余 总碱值,相应缩短机油更换周期。 由此可见,硫含量对柴油机使用的有害影响是多方面的。低硫或无硫柴油是未来世界范围内对柴油品 质的必然要求。 【参考文献】 M].北京:机械工业出版社,2009. 【1】 高宗英,朱剑明.柴油机燃料供给与调节【J].润滑油与燃料,2007,(5):6-9. 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