什么是船舶废气再循环法？
船舶废气再循环法 是一种通过将一部分发动机排出的废气，重新引入到发动机的进气系统中,与新鲜空气混合后再进入气缸进行燃烧的技术。
其核心目的不是提高动力，而是通过改变气缸内的燃烧环境，来有效降低氮氧化物（NOx）的排放。
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工作原理
EGR系统通过以下几个步骤实现其功能：
- 废气抽取：在排气系统中（通常在涡轮增压器之后，但进入废气锅炉或SCR之前），安装一个EGR阀，当系统启动时，该阀门打开，抽取一小部分（通常为5%-25%）的废气。
- 废气冷却：抽取出的废气温度非常高（通常在300-400°C以上），如果直接进入进气系统，会降低发动机的充气效率（即进入气缸的空气量），导致功率下降和部件过热，废气必须先经过一个EGR冷却器，用发动机的冷却水或低温淡水将其冷却到合适的温度（通常在40-80°C）。
- 废气与新鲜空气混合：冷却后的废气与由涡轮增压器压入的新鲜空气在进气总管中混合。
- 进入气缸燃烧：混合了废气的“新鲜空气”进入气缸进行压缩和燃烧。
为什么EGR能降低氮氧化物排放？
氮氧化物（NOx）是在高温、富氧和有氮气存在的条件下，燃烧过程中产生的,EGR通过以下三个关键机制来破坏NOx的生成条件：
- 降低燃烧峰值温度：这是最核心的机制，废气（主要是二氧化碳和水蒸气）不能燃烧，但具有较高的比热容，当它进入气缸后，吸收了部分燃烧释放的热量，使得燃烧的最高温度显著降低，根据“泽尔多维奇机理”，NOx的生成速率与温度呈指数关系,温度小幅下降就能带来NOx排放的大幅降低。
- 降低氧气浓度：废气中包含的二氧化碳（CO₂）和水蒸气（H₂O）稀释了进气中氧气的浓度，使得燃烧反应不再处于“富氧”环境,从而抑制了NOx的生成。
- 增加燃烧气体的热容：CO₂和H₂O的热容比氮气（N₂）和氧气（O₂）更大，这意味着，在燃烧释放相同热量的情况下，混合了废气的气体温度上升得更慢,进一步降低了燃烧过程中的整体温度水平。
EGR系统的类型
根据废气循环的位置和是否带有中冷,EGR系统主要分为两种：
低压EGR (Low-Pressure EGR, LP-EGR)
- 工作流程：从涡轮增压器之后、废气锅炉或SCR之前抽取废气，经过冷却后，送入到涡轮增压器之前的进气总管。
- 优点：
- 由于废气经过了涡轮，压力较低,对EGR阀门的冲刷和磨损较小。
- 废气冷却效果更好,因为进气温度更低。
- 缺点：
- 系统复杂，管路长,布置困难。
- 废气会流经涡轮,可能导致涡轮叶片积碳或腐蚀。
高压EGR (High-Pressure EGR, HP-EGR)
- 工作流程：从涡轮增压器之前、排气歧管处抽取废气，经过冷却后，直接送入到涡轮增压器之后的进气总管。
- 优点：
- 系统结构相对简单，管路短,响应速度快。
- 废气不经过涡轮,对涡轮没有影响。
- 缺点：
- EGR阀处于高温高压环境，对阀门材料和可靠性要求极高,容易损坏。
- 废气冷却前的温度和压力都更高,对冷却器的挑战大。
优点与缺点
优点
- 显著降低NOx排放：是满足IMO Tier III排放标准最成熟、最直接的技术之一，可降低NOx排放达60%-90%。
- 技术成熟，成本相对较低：与选择性催化还原相比，EGR系统本身结构简单,初期投资和维护成本较低。
- 可与其它技术协同使用：常与选择性催化还原结合使用，形成“EGR+SCR”的组合方案，以应对更严格的排放法规,同时优化运营成本。
缺点
- 降低发动机效率，增加燃油消耗：废气进入气缸会占据空间，减少新鲜空气（氧气）的量，导致燃烧不完全，为了维持相同的功率，需要喷射更多的燃油，从而使燃油消耗率增加约1%-5%。
- 发动机部件磨损加剧：
- 机油污染：废气中的烟灰和硫酸会污染发动机机油，加速机油变质,增加更换频率。
- 腐蚀和磨损：废气中的硫氧化物（SOx）和水蒸气结合会形成硫酸，对气缸套、活塞环、气门等部件造成低温腐蚀和磨损。EGR系统必须与低硫燃料或废气清洗系统（如洗涤塔）配合使用。
- 产生积碳问题：废气中的颗粒物容易在进气阀、进气道和活塞顶部堆积，形成积碳,影响发动机的进排气效率。
- 系统复杂性和维护成本增加：增加了EGR阀、冷却器、相关管路和控制单元，使得系统更复杂，故障点增多,维护工作量和成本相应增加。
应用与展望
- 应用场景：EGR主要被用作中速和低速柴油主机的Tier III解决方案，对于高速柴油机，由于其空间限制和运行特性,EGR的应用相对较少。
- 与SCR的竞争与协同：
- 竞争：SCR技术通过在排气管中喷射尿素（AdBlue）来催化还原NOx，它不改变发动机的燃烧过程，因此对发动机效率影响小，但需要消耗尿素,且系统成本高。
- 协同：目前最先进的解决方案是“EGR+SCR”，在这种模式下，发动机采用EGR将NOx排放降低至接近Tier II水平，再通过SCR进行最后的催化还原，以达到Tier III标准，这种“组合拳”既能平衡燃油 penalty 和尿素消耗,又能灵活应对不同排放控制区域的要求。
船舶废气再循环法是一种通过牺牲部分燃油经济性和增加维护复杂性来换取显著降低氮氧化物排放的有效技术，它是船舶工业应对日益严格的环保法规的重要工具之一，尤其是在与其它技术（如SCR、洗涤塔）结合使用时，能够为船东提供一个平衡经济性与环保性的可行方案。
（图片来源网络，侵删）
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