《Energy》：Effect of marine engine exhaust particulate matter properties on regeneration performance
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本研究分析不同燃料（HFO和LDO）的物理化学特性对柴油颗粒过滤器再生性能的影响。通过采集低、中、高速发动机的PM样本，发现HFO燃烧产生的PM具有更大的平均颗粒尺寸、更低的比表面积、更高的硫含量，以及不同的热重行为，导致再生阶段温度波动更剧烈、压降更低，且CO和CO?峰值浓度更高。结果为优化船舶发动机DPF设计、运行和维护提供了理论依据。
Jie Zhang|Zihe Wang|Jingyu Xue|Ziyu Lin|Mingliang Chen|Zibin Yin
集美大学海洋工程学院，中国厦门，361021
摘要
本研究探讨了实际海洋发动机排放的排气颗粒物（PM）的物理化学性质对柴油颗粒过滤器（DPF）再生性能的影响。从使用重燃油（HFO）和轻柴油（LDO）的低速、中速和高速发动机中收集PM样本，进行物理化学分析和再生实验。实验结果表明，PM的粒径分布、比表面积、化学成分和热重行为随燃料和发动机类型的不同而显著变化，从而直接影响DPF再生过程中的温度波动、压降以及气体和颗粒物的排放。
在物理化学性质方面，与LDO燃烧产生的PM相比，HFO燃烧产生的PM具有更大的平均粒径、更低的比表面积、更高的硫含量、更低的碳氢比（C/H）以及更高的主要氧化物成分含量。在DPF再生行为方面，HFO燃烧产生的PM经历了更快更强烈的再生阶段，其特征是峰值温度超过900°C、再生过程中的压降较低，以及CO和CO2的峰值浓度较高。这些发现为优化海洋船舶中DPF系统的设计、运行和维护提供了宝贵的理论基础。
引言
全球贸易的快速增长推动了航运业的显著扩张，如今航运业承担了全球80%以上的货物运输[1]。然而，随着船舶数量的增加，船舶排放造成的环境污染问题也日益严重[2]、[3]。大多数海洋发动机仍然依赖高硫重燃油（HFO），这大大增加了颗粒物（PM）的排放[4]、[5]。PM主要来源于在高温和缺氧条件下燃料的不完全燃烧。它主要由烟尘、可溶性有机成分（SOF）、硫酸盐和金属灰分组成[6]、[7]。由于PM具有毒性和持久性，船舶排放的PM对海洋生态系统、沿海气候和人类健康构成了严重威胁[8]、[9]、[10]。为应对这些问题，政府和国际组织实施了严格的法规来限制海洋发动机的PM排放[11]、[12]。已经开发出多种缓解策略来满足这些监管要求，包括燃料改进、发动机参数优化、替代燃料和发动机后处理系统[13]、[14]、[15]、[16]。柴油颗粒过滤器（DPF）作为一种能够有效减少PM排放的发动机后处理技术，在海洋船舶上得到了越来越多的应用。
研究表明，PM的表面性质、形态和组成会随着燃烧条件、燃料类型和发动机类型的不同而显著变化。Zhou等人[17]进行了海洋发动机台架测试，分析了PM的物理化学性质，包括粒径分布和化学成分。他们发现，燃料中的硫含量较低可显著减少总PM排放。同样，Mueller等人[18]研究了使用HFO和海洋柴油的双燃料海洋发动机的排放特性。他们的结果显示，海洋柴油显著降低了PM 2.5、SO42-和无机元素的排放，而元素碳的排放量保持不变。Moldanová等人[19]研究了海洋柴油发动机中HFO燃烧的排气成分，并发现了PM的双峰质量分布。这种分布有两个明显的峰值：一个是在积累模式下的峰值，平均粒径约为0.5 μm；另一个是在成核模式下的峰值，平均粒径约为7 μm。Park等人[20]分析了使用海洋柴油油（MDO）、乳化MDO和二甲醚（DME）作为燃料的海洋辅助发动机的PM排放。他们发现，乳化MDO和DME将PM排放量减少了60-97%，而DME相比MDO和乳化MDO减少了超过97%的排放。Chu-Van等人[21]研究了使用相同硫含量的HFO的两艘大型货船的PM排放。他们观察到粒径分布存在显著差异，这可能是由于采样位置、发动机特性和发动机负荷的不同所致。这些PM特性的变化对DPF的捕获效率和再生性能有重大影响[22]、[23]。
除了PM的表征外，大量研究还集中在DPF的再生性能上。主动/被动和受控/不受控等再生方法对于维持发动机性能和减少PM积累至关重要[24]、[25]、[26]。Doozandegan等人[27]研究了Euro II发动机中高硫和低硫燃料产生的PM的再生特性。他们的结果表明，高硫燃料降低了再生效率并增加了二氧化硫的排放。Zhang等人[28]通过发动机台架测试研究了DPF再生后的颗粒物排放特性，发现积累模式颗粒的浓度增加了7.2倍，而成核模式颗粒的浓度增加了2.6倍。Fang等人[29]使用测试台研究了流速和再生时间对排放性能的影响。他们的结果显示，不同流速下的再生效率、总质量浓度和平均颗粒直径呈现一致的趋势。尽管延长再生时间可以提高再生效率，但同时会导致能源效率下降。此外，Meng等人[30]比较了实际柴油尾气颗粒和炭黑颗粒的再生性能。他们的实验结果表明，炭黑表现出显著的再生性能，与相同大小的颗粒相比，炭黑的效率更高且能源效率更好，这归因于其更大的比表面积。然而，实际柴油尾气颗粒的整体再生性能优于炭黑。
现有研究主要集中在发动机排放的PM的组成和浓度以及DPF再生后的排放特性上。然而，不同类型的海洋发动机使用不同燃料产生的PM的物理化学性质及其对再生行为的影响仍不清楚。为了填补这一研究空白，本研究旨在探讨不同海洋发动机排放的PM的物理化学性质，并基于这些性质分析来自各种来源的PM的再生特性。研究结果为海洋发动机DPF的设计、运行和管理提供了见解。
部分摘录
从不同来源收集PM
在本研究中，使用了一种具有优异耐高温和耐腐蚀性的高密度聚四氟乙烯（PTFE）捕获袋来收集PM。捕获袋安装在每台发动机的排气管上。PM收集的具体设置和位置如图1所示。
PM样本来自使用HFO和轻柴油（LDO）的低速、中速和高速海洋柴油发动机。作为对比，还收集了市售的Printex U（PU）颗粒
粒径分析
根据发动机尾气颗粒的典型粒径分布，本研究采用了英国Malvern Zetasizer Nano ZS90纳米粒径分析仪进行检测。图5展示了来自三种不同来源的PM样本的粒径分布。
从图5（a）可以看出，样本1的粒径分布范围为190 nm至300 nm，平均粒径为246 nm。如图5（b）所示，样本2的粒径分布范围为190 nm至460 nm，
结论
本研究探讨了使用HFO和LDO燃料的海洋发动机排放的PM的物理化学性质和再生特性。研究结果为提高DPF性能和减少排放提供了重要见解。主要结论如下：
(1)使用HFO燃料的低速发动机的PM具有相对较大的平均粒径（246 nm）和最低的比表面积（7 m2/g），以及较高的硫含量（4.769%）和丰富的无机氧化物，
CRediT作者贡献声明
Zihe Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据管理。Jingyu Xue：验证、监督。Ziyu Lin：监督、方法论。Mingliang Chen：监督、调查。Zibin Yin：验证、项目管理、调查、概念化。Jie Zhang：撰写 – 原稿撰写、调查、正式分析、数据管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
