礦用防爆柴油機(jī)尾氣污染控制技術(shù)研究

張強(qiáng)

[摘 要]礦用防爆柴油機(jī)作為煤礦井下的動力源，其一直都是煤礦作業(yè)機(jī)械化的重要組成部分。然而，隨著相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的不斷改進(jìn)，礦用防爆柴油機(jī)排放的廢氣對身體健康與環(huán)境的危害性逐漸突顯?；诖?，筆者從燃油改善、機(jī)內(nèi)凈化以及排氣后的處理3方面闡述了尾氣污染控制的方法，為相關(guān)研究提供參考。

[關(guān)鍵詞]防爆柴油機(jī)；控制技術(shù)；燃油；改善；凈化

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.22.070

[中圖分類號]TK421.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）22-0-02

0 引 言

礦用防爆柴油機(jī)作為煤礦運(yùn)輸?shù)闹匾獎恿υ矗瑧?yīng)用于防爆柴油機(jī)無軌橡膠輪車輛、防爆柴油單軌車以及一些輔助運(yùn)輸車輛，在煤礦輔助運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用。防爆柴油機(jī)在防爆過程中加入了排氣阻火器和尾氣處理罐等設(shè)備，從而增加了防爆柴油機(jī)的能源消耗和廢氣排放量。因此，其排放的尾氣中含有大量的二氧化碳、氮氧化合物、碳?xì)浠衔锏任廴疚铮瑢Νh(huán)境造成重大危害。再加上煤礦通風(fēng)條件有限，有可能導(dǎo)致有害氣體積聚，不僅影響煤礦正常生產(chǎn)，還給工人的身體健康埋下了巨大的隱患。為此，筆者從燃油改善、機(jī)內(nèi)凈化以及排氣后的處理三個方面，探討了尾氣污染控制技術(shù)。

1 從源頭著手：改善燃油

1.1 使用替代燃料

目前，國際上能夠有效替代柴油的燃料主要包括酒精和工業(yè)酒精、液化石油氣（LPG）、液化天然氣（LNG）和生物柴油等，此外，替代燃料還包括上述燃料和柴油按一定比例制成的混合燃料。其中，很多替代燃料含有較高的氧元素，進(jìn)入氣缸后可以改善燃燒過程，使燃燒更充分，并減少有害氣體的排放。醇類燃料可以有效減少柴油發(fā)動機(jī)的顆粒物和氮氧化合物，當(dāng)向柴油中加入乙醇和一些助溶劑時，可以有效降低約46.2%的一氧化氮排放量，以及約51%的顆粒含量排放。然而，替代燃料在煤礦防爆柴油機(jī)中的應(yīng)用還處于試驗研究階段，還有一些問題需要解決，如燃料在煤礦中使用時，其閃點不能低于70℃；絕大多數(shù)替代柴油的閃點都低于柴油本身，安全性能低。除此以外，大多數(shù)替代燃料會降低防爆柴油機(jī)的功率。

1.2 提高柴油品質(zhì)

柴油品質(zhì)對礦用防爆柴油機(jī)的排放具有重要影響，通過減少燃油中的硫和芳烴含量，提高燃油中的十六烷值，可以有效減少排放的有害氣體成分。在柴油中加入一定量的十六烷增值劑，可以縮短點火延遲期，提高點火質(zhì)量，有效減少尾氣顆粒、一氧化碳以及一氧化氮的濃度。降低柴油中芳烴的含量可以提高柴油的點火性能，有效降低顆粒物和二氧化碳的含量；降低柴油中的硫含量可有效降低排氣中硫酸鹽顆粒的濃度；向柴油中添加一些煙霧添加劑，可以促進(jìn)煙灰顆粒燃燒，將柴油機(jī)煙灰減少30%?50%左右。除此以外，柴油中添加一定比例的乳化劑可以減少一氧化氮的含量，還可以有效降低汽缸內(nèi)的燃燒溫度，從而減少一氧化氮的排放量。

2 中間過程控制：機(jī)內(nèi)凈化

2.1 優(yōu)化噴油系統(tǒng)

增加注射壓力并減小噴嘴直徑可提高柴油機(jī)的霧化效果，使燃油與氧氣之間的接觸更充分，能顯著降低顆粒物和一氧化碳的排放量。延遲柴油機(jī)的燃油噴射提前角可以將廢氣中的氮氧化合物濃度降低到一定程度，但會增加一氧化碳的濃度，實際上可以減少噴射時間，同時提高噴射率，從而有效降低氮氧化合物與一氧化成的排放量。隨著對噴油系統(tǒng)研究的不斷發(fā)展，目前正在研究的電控噴油系統(tǒng)通過對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等信號進(jìn)行實時監(jiān)測反饋，可以對燃油噴射時間、燃油消耗量等方面進(jìn)行準(zhǔn)確計算，并對噴油規(guī)律和速率進(jìn)行優(yōu)化，可有效降低防爆柴油機(jī)的顆粒物、一氧化碳和氮氧化合物的排放量。該方法是目前礦用防爆柴油機(jī)減少尾氣污染的一個重要研究方向。

2.2 采用渦輪增壓中冷技術(shù)

渦輪增壓中冷技術(shù)的使用不僅可以提高防爆柴油機(jī)的排放性能，還能夠提高其動力性能和經(jīng)濟(jì)性能。為了克服進(jìn)氣阻力，渦輪增壓技術(shù)可有效提高進(jìn)氣量和空氣過剩系數(shù)，增加氣缸內(nèi)空氣的平均壓力和密度，改善燃燒過程、減少顆粒物和一氧化碳的排放。而且，為了減少廢氣中的一氧化氮的含量，渦輪后中冷技術(shù)能夠降低進(jìn)氣溫度和燃油預(yù)燃溫度，減少排氣氮氧化合物的含量，該方法是目前已經(jīng)應(yīng)用于礦用防爆柴油機(jī)尾氣污染處理的主要方式之一。

2.3 采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)

廢氣再循環(huán)（EGR）原理是通過將排出尾氣重新導(dǎo)入進(jìn)氣系統(tǒng)，和新鮮空氣混合后再進(jìn)入缸內(nèi)參加燃燒，不僅可以降低對進(jìn)氣氧氣的需求，還可以降低尾氣排放的氮氧化合物以及一氧化碳，提高了混合氣的比熱容，降低了燃燒室的最大燃燒溫度，有效抑制氮氧化合物的排放。防爆柴油機(jī)在利用廢氣再循環(huán)（EGR）減少二氧化氮的排放時，需要結(jié)合電子控制系統(tǒng)（ECU），根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載、溫度等傳感器信號來啟動開關(guān)信號，從而減少二氧化氮含量的排放量，且實際效果優(yōu)于延遲燃料噴射方式。廢氣從防爆柴油機(jī)的排氣口排出后，一部分排氣通過EGR冷卻器和EGR閥返回到進(jìn)氣管，EGR冷卻器可以降低尾氣進(jìn)入氣缸內(nèi)的溫度和燃料的預(yù)燃溫度。

3 尾端處理技術(shù)：排氣后處理方法

3.1 洗滌法

洗滌法是目前防爆柴油機(jī)的常規(guī)尾氣控制方法之一，它是在排氣后加裝廢氣處理箱，在排放廢氣處理箱裝有一定體積的冷卻水，防爆柴油機(jī)排出的尾氣通過廢氣處理箱的進(jìn)氣管進(jìn)入廢氣處理箱，在排氣壓力的作用下，排出的廢氣會繞流后排出。這種方法不僅可以降低防爆柴油機(jī)的排氣溫度，而且可以凈化易溶于水的二氧化碳以及二氧化氮等一些尾氣，有效率達(dá)到80%以上。

3.2 添加氧化催化劑（DOC）

由于防爆柴油機(jī)廢氣中的氧含量一般在8%～16%，防爆柴油機(jī)可以通過在排氣管后添加氧化型催化轉(zhuǎn)化器，來凈化廢氣中的微粒、一氧化碳以及碳?xì)浠衔锏?。催化劑以蜂窩陶瓷為載體，載體具有多個平行的小通道以供排氣，催化劑通過氧化鋁涂層附著在陶瓷載體上，通過催化、氧化作用可以將一氧化碳和碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為二氧化碳和水，對二氧化氮幾乎沒有影響。氧化型催化轉(zhuǎn)化器可以將排放尾氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸紲p少約50%，顆粒可以減少30%左右，同時，DOC還可以減少多環(huán)芳烴和乙醛等有害成分的廢氣。該方法可以用作減少防爆柴油機(jī)廢氣中顆粒物和一氧化碳污染的主要方式之一。

3.3 安裝微粒過濾器（DPF）

微粒過濾器（DPF）是由微粒過濾器和再生器組成的一種可以顯著減少柴油發(fā)動機(jī)顆粒物排放量的裝置。它通過內(nèi)部有極小孔隙的過濾介質(zhì)（過濾元件）捕獲柴油機(jī)排氣中的微粒。最常見的微粒過濾器是一種壁流式蜂窩陶瓷顆粒捕集器，其使用多孔陶瓷作為過濾介質(zhì)，可以有效減少80%以上的碳煙微粒，也可部分捕獲SOF顆粒。但是，微粒過濾器在過濾過程中會導(dǎo)致過濾器堵塞，柴油機(jī)排氣后壓力上升，所以相關(guān)人員必須定期清除顆粒，使過濾器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。由于該方法容易造成過濾器堵塞問題，在使用上有一定的限制，還需要進(jìn)一步研究。

3.4 選擇催化還原法（SCR）

在催化劑的作用下，選擇催化還原法（SCR）使用噴入尿素或者氨氣的方式，利用催化劑將氮氧化合物還原為氮?dú)?，從而能夠有效減少尾氣中氮氧化合物的排放。最常用的催化劑是一種金屬氧化物。

4 結(jié) 語

通過改善燃油、采取機(jī)內(nèi)凈化手段和排氣后處理凈化控制三方面的協(xié)調(diào)配合，可以有效降低礦用防爆柴油機(jī)尾氣排放的污染物，在保護(hù)環(huán)境與工人健康的同時，還能提高煤礦運(yùn)輸效率。

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