船舶柴油機(jī)尾氣降污處理方法研究

陳永芳

摘 ?要：現(xiàn)階段船舶動力裝置都是采用柴油機(jī)作為主動力， 對環(huán)境造成了巨大的污染。本文提出了減少NOX排放的控制策略，分析尾氣生成機(jī)理，對尾氣降污處理方法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)尾氣 ?降污處理

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 交通運(yùn)輸量持續(xù)增加，給海運(yùn)市場帶來極大的發(fā)展機(jī)遇，隨之而來的是船舶的持續(xù)增加?，F(xiàn)階段船舶動力裝置特別是大型的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船都是采用柴油機(jī)作為主動力。它帶給人類便捷和舒適的同時， 也對環(huán)境造成了巨大的污染。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，降低尾氣有害氣體排放問題便成為各國面臨的熱點問題之一。柴油機(jī)尾氣中含有大量有害氣體，如一氧化碳、二氧化碳、硫化氣體、氮氧化合物及顆粒塵埃等，這些氣化氮毒性較一氧化氮更強(qiáng)，二氧化氮與空氣中的水分結(jié)合會形成強(qiáng)酸，當(dāng)人體吸進(jìn)后會對神經(jīng)產(chǎn)生麻痹，對肺部產(chǎn)生刺激，造成身體上的傷害。據(jù)國際海事部門提供的資料顯示，每年世界船舶排放的氮氧化合物的總量達(dá)到600萬噸以上，占世界排放總量的7%。為了減少船舶對自然環(huán)境的危害，國際海事組織制定了越來越為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，所以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)是每一艘船舶所要解決的問題。

尾氣處理方法

通過大量的的實驗研究，人們發(fā)現(xiàn)在柴油機(jī)燃燒過程中，影響NOX生成率主要有三個因素：燃燒溫度、燃空當(dāng)量比和已燃混合氣在高溫停留時間。

因此人們提出了各種減少NOX排放的控制策略，雖然減排的方案層出不窮，但本質(zhì)上都是圍繞在燃燒過程中的溫度和氧的濃度進(jìn)行的。常用的方法包括：①優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作參數(shù);②直接噴水（DWI）和燃油乳化（FWE）技術(shù);③選擇性催化還原技術(shù)（SCR）;④廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）;⑤均質(zhì)混合壓縮著火 （HCCI）燃燒模式;⑥進(jìn)氣加濕降低柴油機(jī)NOX排放暨HAM技術(shù)。

尾氣生成機(jī)理

柴油機(jī)的燃燒過程非常復(fù)雜，涉及到流動、壓縮、燃燒、傳導(dǎo)等多個過程，整個過程是物理與化學(xué)過程的綜合。在研究過程中，將氣缸視為一個獨立的熱力系統(tǒng)，由活塞、缸套、氣缸蓋組成的封閉空間為研究空間。助燃?xì)怏w狀態(tài)一般由壓力P、質(zhì)量M、溫度T等參數(shù)確定，考慮用熱力學(xué)三大定律及各種狀態(tài)、質(zhì)量方程將整個燃燒過程表達(dá)出現(xiàn)，確定氣缸內(nèi)的基本的工作參數(shù)。

1、壓縮階段基本方程和氣缸容積確定

1.1 基本方程

能量守恒方程（熱力學(xué)第一定律）可寫成下列通用形式：

■ ? ?（1）

式中 U—系統(tǒng)的內(nèi)能;W—作用在活塞上的機(jī)械功;Qi—通過系統(tǒng)邊界交換的熱量;h—比焓;■—質(zhì)量;■—帶入（或帶出）系統(tǒng)的能量。

1.2 瞬時容積

氣缸的瞬時容積為：

■ （2）

式中：Vh：氣缸行程容積;Vc：余隙容積;S：活塞行程;D：氣缸直徑;？孜：壓縮比;？姿S：連桿曲柄比。

氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為：

■ ? ? （3）

將上述公式進(jìn)行整理，最后得到氣缸表面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率：

■ （4）

1.3 壓縮始點缸內(nèi)氣體成分

柴油機(jī)在缸內(nèi)過程壓縮始點，缸內(nèi)壓力、溫度為掃氣箱內(nèi)增壓壓力和增壓空氣溫度，并且壓縮始點氣缸內(nèi)的空氣用理想氣體方程■來求解出氣體摩爾數(shù)。

缸內(nèi)氣體成分及比例的確定：標(biāo)準(zhǔn)干空氣的摩爾質(zhì)量■，其摩爾比例依次為：O2=0.209495;N2=0.780881;CO2=0.0003;Ar=0.009324。

相對濕度為？準(zhǔn)的空氣各氣體成分的摩爾比例：

■ ? （5）

其中：■， ■， ■， ■， Ar為缸內(nèi)氣體各成分的摩爾比例。

■ （6）

式中：d：空氣中含濕量g/kg;P：空氣壓力0.1MPa;■：水蒸氣飽和壓力0.1MPa;■：空氣濕度。

濕空氣的摩爾質(zhì)量：

■ ? （7）

濕空氣的氣體常數(shù)R濕=8315/M濕

2、燃燒階段熱力學(xué)

根據(jù)燃燒理論的基本假設(shè)，氣缸內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)都可認(rèn)為是瞬時達(dá)到化學(xué)平衡，氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物的參數(shù)（燃燒產(chǎn)物平均相對分子質(zhì)量M、摩爾分?jǐn)?shù)xi、內(nèi)能u氣體常數(shù)R、焓h、）與基本參數(shù)（缸內(nèi)壓力P、溫度T、當(dāng)量空氣比F）具有一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)氣缸內(nèi)燃燒后的基本參數(shù)即可求得燃燒產(chǎn)物的參數(shù)。

燃料的分子式一般表示為CkHmOlNk（其中k、l通常為0），根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理，若燃料完全所需的氧氣的理論量為■。在燃燒化學(xué)反應(yīng)過程中，一般的燃燒產(chǎn)物包括12種：H、O、 N、OH、NO、H2、N2、 O2、CO、CO2、H2O， Ar，依次用x1-x12表示其摩爾分?jǐn)?shù)?？芍?，產(chǎn)生1摩爾燃燒產(chǎn)物的燃料為x13摩爾。燃料和空氣的化學(xué)反應(yīng)式為：

■ ? （8）

■ ?（9）

■ ?（10）

3、膨脹階段基本方程確定

氣缸內(nèi)的膨脹階段與壓縮過程相近，但是在物質(zhì)上增加了一次噴油量，根據(jù)能量守恒將該過程簡化為：

■ ? ?（11）

4、柴油機(jī)NOX生成量計算

柴油機(jī)排放產(chǎn)物中的有害氣體很多，包括硫氧化合物、碳氧化合物及氮氧化合物，在這些化合物中，因燃料及助燃介質(zhì)的化學(xué)構(gòu)成決定硫氧化合物、碳氧化合物含量較小，氮氧化合物含量很大，而氮氧化合物中又以NO最大，NO2的含量很少，所以在計算燃燒產(chǎn)物中以NO為計算主體。

4.1 NO生成速率計算

在NO生成速率的計算方面，認(rèn)為其生成過程遵從擴(kuò)大的Zeldovich機(jī)理，反應(yīng)的控制方程為：

■

規(guī)定用K1，K2，K3…分別表示各反應(yīng)控制方程的正反應(yīng)速度常數(shù);K-1，K-2，K-3…分別為各反應(yīng)控制方程的逆反應(yīng)速度常數(shù)。而在實際計算中通常只考慮前面三個主要反應(yīng)，即式（12）、（13）、（14）。其中反應(yīng)速度常數(shù)可由公式得知：

■

式中氣體常數(shù)R=1.986cal/（mol k）。

一氧化氮NO生成速率表達(dá)式為：

■ ?（25）

式子中[O]、[N]、[OH]、[N2]、[O2]、[NO]、[H]—分別表示相應(yīng)的分子、原子的濃度，它們的單位是mol/cm3。將上式中（19）—（24）參數(shù)代入（25）計算NO的生成率。

結(jié)論

采用龍哥庫塔法對不同濕度的助燃空氣對燃燒產(chǎn)物的影響進(jìn)行計算，得出燃燒產(chǎn)物（主要是NO）生成量的影響。

1、計算框圖

圖1 計算框圖

2、計算結(jié)果

圖2 各濕度下的NO生成量

（從上往下濕度分別為0%、30%、50%、90%、100%）

3、計算結(jié)果分析

表1 柴油機(jī)滿負(fù)荷時各濕度條件下NO的生成量

從計算結(jié)果分析：柴油機(jī)在滿負(fù)荷工作時，進(jìn)氣濕度增大，NO排放量減少;進(jìn)氣濕度與NO排放曲線近似一直線關(guān)系;進(jìn)氣由濕度為0%增加到100%，柴油機(jī)NO排放減少約17.7%。

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項目來源：浙江省科學(xué)技術(shù)廳2012年生態(tài)省建設(shè)目標(biāo)責(zé)任制考核重大科技項目

（作者單位：浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）