在防爆柴油機(jī)上開展EGR、DOC和DPF技術(shù)

高昌樂 馮太翔

摘要：礦用防爆柴油機(jī)是一種在地面柴油機(jī)基礎(chǔ)上增加或者改造原機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)從而能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用的柴油機(jī)，具有功率大、安全系數(shù)高、可連續(xù)作業(yè)等特點(diǎn)，但是帶來的尾氣污染問題也尤為嚴(yán)重。本文簡(jiǎn)述了EGR、DOC和DPF對(duì)NOx、CO、HC、PM等有害物質(zhì)進(jìn)行處理的原理，同時(shí)闡述了如何根據(jù)煤礦安全規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，使得其具有安裝便捷，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，成本低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：防爆柴油機(jī)；EGR；DOC；DPF

緒論

礦用防爆柴油機(jī)雖然解決了井下輔助運(yùn)輸?shù)姆辣瑒?dòng)力問題但也有許多弊端，柴油機(jī)排放的廢氣中含有大量的有害物質(zhì)（如NOx、CO、HC、PM等），由于防爆柴油動(dòng)力機(jī)械應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)井下環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)也越來越大。受井下通風(fēng)條件約束，井下空氣中的有害物質(zhì)越來越多，已由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性，井下作業(yè)人員則成為柴油機(jī)廢氣污染的直接受害者。因此必須加強(qiáng)和提高對(duì)保護(hù)井下環(huán)境和人生安全的意識(shí)。根據(jù)尾氣污染物的形成原理，提出尾氣排放中主要有害成分：氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、顆粒物（PM）的解決方法。比較全面和科學(xué)的解決辦法是運(yùn)用EGR技術(shù)、DOC技術(shù)、DPF技術(shù)，其中EGR解決NOx、DOC解決CO，HC、DPF解決PM，三者互不干涉，本文就礦用防爆柴油機(jī)上開展EGR、DOC、DPF的運(yùn)用進(jìn)行闡述。

一、研究背景

1、礦用防爆柴油機(jī)的利弊

礦用防爆柴油機(jī)是一種在地面柴油機(jī)基礎(chǔ)上增加或者改造原機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)從而能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用的柴油機(jī)，具有功率大、安全系數(shù)高、可連續(xù)作業(yè)等特點(diǎn)。但是目前國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠提供的防爆柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)仍然是國(guó)二標(biāo)準(zhǔn)，部分老舊車型還維持在國(guó)一標(biāo)準(zhǔn)，有害氣體的排放量比較高，受井下通風(fēng)條件約束，井下空氣中的有害物質(zhì)越來越多，已由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性，井下作業(yè)人員則成為柴油機(jī)廢氣污染的直接受害者。

2、相關(guān)政策法規(guī)

（國(guó)辦發(fā)（2013）99號(hào)）《禁止井工煤礦使用的設(shè)備有工藝目錄（第四批）》，其中第8類禁用排氣標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)三以下的防爆柴油機(jī)。

GB20891-2014非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值級(jí)測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）中提出：自從2015年10月1日起，所有制造和銷售的非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)，其排氣污染物排放必須符合國(guó)家排放第三階段要求，自2016年4月1日起所有制造進(jìn)口和銷售非道路移動(dòng)機(jī)械不得裝用不符合本標(biāo)準(zhǔn)第三階段要求的柴油機(jī)，鼓勵(lì)有條件的地區(qū)提前實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)。

目前國(guó)內(nèi)各大煤企都在逐步改造或替換防爆柴油動(dòng)力設(shè)備，對(duì)于新招的設(shè)備必須滿足排放，對(duì)于尚在服役期內(nèi)的設(shè)備通過增加后處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)。

二、有害氣體含量研究

1、NOx的生成機(jī)理

NOx是指燃燒過程中氮的各種氧化物，主要包括NO和NO2，其中NO的量相對(duì)較多。根據(jù)澤爾多維奇理論，在高溫、高壓和富氧的環(huán)境下，NO的化學(xué)反應(yīng)鏈為：

O2→2O（1）

O+N2→NO+N（2）

N+OH→NO+H（3）

由于O2的化學(xué)反應(yīng)活性大于N2的化學(xué)反應(yīng)活性，O2的分解相對(duì)更加的容易，所以上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的開始是O2首先在高溫下分解為O原子，隨后由O原子激發(fā)其他鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

由反應(yīng)2可以看出，NO是O原子切斷N2分子的化合鍵生成的。溫度對(duì)于化學(xué)反應(yīng)O+N2→NO+N的反應(yīng)速率影響較大，因此降低柴油機(jī)的最高燃燒溫度有助于抑制O+N2→NO+N的反應(yīng)速率，降低NOX的排放。同時(shí)，氧濃度對(duì)于化學(xué)反應(yīng)O+N2→NO+N的反應(yīng)速率也由一定影響。此外，由于化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間，所以氮和氧在高溫中滯留的時(shí)間也是影響NOX生成的一個(gè)因素。

2、CO的生成機(jī)理

CO的生成主要有四個(gè)方面，第一：在缺氧狀態(tài)下C不完全燃燒生成CO；第二：在氧氣富足時(shí)，由于實(shí)際混合不均勻造成局部缺氧而生成CO；第三：燃燒生成的CO2和H2O在高溫條件下產(chǎn)生熱解反應(yīng)進(jìn)而生成CO；第四：排氣過程中未燃HC不完全氧化也會(huì)生成少量CO。

3、HC的生成機(jī)理

HC產(chǎn)生主要有兩個(gè)方面，第一個(gè)是因?yàn)槿紵覂?nèi)混合氣的濃度分布不均勻，局部過濃區(qū)域或過稀區(qū)域，會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不完全燃燒或者完全不燃燒的情況，產(chǎn)生大量的HC；第二個(gè)是在燃燒后期，燃燒不完全的燃油在低速離開燃燒室的時(shí)候伴隨著大量的HC產(chǎn)生，這部分HC排放是主要的HC排放。

4、PM的生成機(jī)理

柴油機(jī)尾氣顆粒物由氣相碳?xì)洹⑽皆陬w粒上的碳?xì)?、水合硫鹽酸、可溶性有機(jī)組份、固態(tài)碳構(gòu)成，其中碳?xì)浜涂扇苄杂袡C(jī)組份可以通過成熟的氧化催化技術(shù)進(jìn)行催化和二次燃燒，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)可溶性有機(jī)組份大量產(chǎn)生，而中低負(fù)荷往往是正常工況。

三、對(duì)應(yīng)解決方案

1、EGR技術(shù)解決NOx

EGR即廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation），是將一部分排氣引入進(jìn)氣管與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒。EGR系統(tǒng)一般可通過內(nèi)部EGR和外部EGR兩種方式來實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

內(nèi)部EGR：通過擴(kuò)大氣門重疊角來實(shí)現(xiàn)的，即增大進(jìn)氣門提前開啟和推遲排氣門延遲關(guān)閉或提高排氣背壓等方法來增加缸內(nèi)的殘余廢氣，殘余下個(gè)循環(huán)的燃燒，從而實(shí)現(xiàn)EGR。由于它降低了新鮮進(jìn)氣充量，且妨礙了進(jìn)氣慣性效應(yīng)的利用，因而要犧牲功率和燃油消耗。另外，其控制和調(diào)節(jié)沒有外部EGR靈活，所以應(yīng)用不廣。

外部EGR：將排氣管中部分廢氣經(jīng)外部管路引入進(jìn)氣管參與再燃燒，從而實(shí)現(xiàn)EGR。就形式而言一般分為真空驅(qū)動(dòng)和電控式，其中電控式EGR最具典型性。

內(nèi)部EGR工作過程：當(dāng)爆發(fā)行程時(shí)，混合器燃燒而膨脹成原來體積的很多倍，在接下來的排氣行程時(shí)，排氣閥一打開，高壓廢氣就會(huì)沖向排氣管，而活塞也會(huì)上升把所有廢氣推出氣缸，這是排氣管中的氣流流速很快，當(dāng)活塞快要到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，由于慣性的關(guān)系，排氣管中的廢氣仍會(huì)告訴往外沖，而這些氣流就會(huì)把燃燒室中的廢氣“抽”出來，如果在這個(gè)時(shí)候打開進(jìn)氣閥，新鮮空氣剛好被“抽”進(jìn)燃燒室，就在混合器剛好填滿燃燒室時(shí)，排氣門剛好也關(guān)閉了。如果此時(shí)提前關(guān)閉排氣閥，則缸內(nèi)的廢氣排不出去，且阻礙了進(jìn)氣，如此一來，缸內(nèi)空氣中氧含量就降低了許多，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR。

2、DOC技術(shù)解決CO、HC

DOC即柴油氧化催化劑（Diesel Oxidation Catalyst），催化氧化器的催化劑一般由Pt、Pd等貴重金屬組成，并浸入載體表面上。影響轉(zhuǎn)化效率的因素主要有：催化劑種類、載體、發(fā)動(dòng)機(jī)工況、燃油的含硫量、排氣流速等。催化氧化器在降低微粒及HC、CO同時(shí)，由于其很強(qiáng)的催化氧化性能也有可能會(huì)造成SO2轉(zhuǎn)化成硫酸鹽的排放量增加。因此，必須對(duì)催化劑進(jìn)行優(yōu)化篩選，選擇對(duì)SOF、HC、CO轉(zhuǎn)化效率高對(duì)SO2氧化率低的方案。研究表明，影響DOC工作性能的主要因素是排氣溫度和燃油中的含硫量。較高的尾氣溫度將有助于SOF的氧化，提高轉(zhuǎn)換效率；但是尾氣溫度過高（400～500℃以上），SO2和燃油中的硫轉(zhuǎn)化成硫酸鹽的量將大大增加，這樣有可能使總的顆粒量增加而不是減少。此外，硫酸鹽覆蓋在催化氧化器內(nèi)表面將使得催化氧化器市區(qū)活性，大大降低其轉(zhuǎn)化效率。因此，應(yīng)用DOC時(shí)對(duì)燃油的硫含量有要求，一般要求燃油含硫低于0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），最好是低于0.01%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)。）所以，柴油機(jī)氧化催化器一般適于含硫量較低的柴油燃料；并要保證催化劑及載體、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、廢氣的流速和催化轉(zhuǎn)換器的大小以及廢氣流入轉(zhuǎn)換器的進(jìn)口溫度等正常，使凈化效果達(dá)到最佳。

3、DPF技術(shù)解決PM

控制 PM 最有效的技術(shù)就是采用 DPF 裝置。DPF即顆粒微粒捕集器（Diesel Particulate Filter），從20 世紀(jì) 70 年代的中期歐美一些國(guó)家就開始采用 DPF 技術(shù)來降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的 PM 的排放，美國(guó)排放法規(guī)要求從2007 年的 1 月開始，所有的大功率柴油機(jī)必須安裝DPF 裝置。該裝置是在排氣管中裝設(shè)一個(gè)顆粒物過濾器，過濾的材料和方法有多種，其中壁流式效果最佳，應(yīng)用最為廣泛。

DPF是一種蜂窩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大的增加了作用接觸面積，當(dāng)含有PM的尾氣由入口通道進(jìn)入，入口通道末端堵住，尾氣只能通過慮壁滲透進(jìn)入相鄰的出口通道內(nèi)，再由出口通道排出，慮壁是微孔陶瓷，具有很強(qiáng)的透氣性，超過2.5um（可設(shè)定）的顆粒將被阻隔在入口通道內(nèi)，從而對(duì)尾氣中的PM進(jìn)行吸附過濾。

四、新舊系統(tǒng)對(duì)比

1、原機(jī)排放系統(tǒng)

新鮮空氣通過進(jìn)氣柵欄進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總管，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功后形成高溫廢氣，高溫廢氣由排氣岐管合流后由排氣波紋管引入水洗箱，水洗箱對(duì)廢氣進(jìn)行水洗、滅煙、降低煙度后再通過排氣柵欄排入大氣。

優(yōu)點(diǎn)：水洗式廢氣凈化方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最終的目的是保證廢氣在溫度不超過安標(biāo)許可值70℃、無火花的狀態(tài)下排入大氣，在這個(gè)過程中水洗箱亦可通過水洗的方式進(jìn)行顆粒物清除，降低廢氣的煙度。

缺點(diǎn)：技術(shù)陳舊，僅凈化可見的黑色顆粒物，對(duì)不可見物質(zhì)未做凈化，防爆柵欄或阻火器極容易堵塞，日常維護(hù)繁瑣。

2、加裝EGR、DOC、DPF排放系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：極大的降低柴油機(jī)NOx、CO、CH、PM排放；防爆柵欄或阻火器免維護(hù)，使用本裝置后，防爆柵欄或阻火器幾乎不會(huì)產(chǎn)生積碳；與原機(jī)防爆系統(tǒng)串聯(lián)，不改變?cè)瓩C(jī)的防爆結(jié)構(gòu)，即使本裝置出現(xiàn)故障也不會(huì)影響原機(jī)的正常使用；兼容性強(qiáng)，適合于多種功率、多種排放的柴油機(jī)；

缺點(diǎn)：較原有系統(tǒng)成本有所增加；DPF需要定期清理再生。

五、技術(shù)運(yùn)用

1.EGR選用及制造

EGR選用關(guān)鍵是確定再循環(huán)廢氣量

在EGR系統(tǒng)中，根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況選用不同的Map圖（邏輯控制圖），再循環(huán)的廢氣量因發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況而改變，這些廢氣量在進(jìn)入進(jìn)氣總管前都將得到精準(zhǔn)的控制和計(jì)量，這種控制方式能很好的平衡發(fā)動(dòng)機(jī)排放和性能之間的矛盾：如果太多的廢氣量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)惡化，煙度將大幅上升，并且發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象；如果太少的廢氣量回到發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放將得不到較好的改善使其滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于每一個(gè)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況（油門、轉(zhuǎn)速、溫度）存有一個(gè)最優(yōu)化的EGR率（EGR率=V廢氣/V進(jìn)氣）。

EGR系統(tǒng)由離合傳感器（選擇）、水溫傳感器、油門傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、ECU、電磁閥組成，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)ECU讀取離合傳感器（選擇）、水溫傳感器、油門傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)確定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況后對(duì)照Map圖給予電磁閥指令，實(shí)現(xiàn)電磁閥開度變化。

EGR系統(tǒng)各大元件參照GB 3836-2010《爆炸性環(huán)境》、MT/T 715-1997《礦用防爆電磁閥通用技術(shù)條件》、MT 209-1990《煤礦通信、監(jiān)測(cè)、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)條件》、MT 393-1995《礦用壓差傳感器通用技術(shù)條件》。

2、DOC總成選用及制造

DOC體積對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排量，一般說來選用發(fā)動(dòng)機(jī)排量的±120%即可，發(fā)動(dòng)機(jī)排量7.42L，那么DOC體積在5.94L至8.9L即可，對(duì)照威孚環(huán)保的產(chǎn)品目錄最終選擇直徑240mm、長(zhǎng)度176.2mm、體積為7.97L的陶瓷基體作為DOC載體，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物進(jìn)行分析后，最終確定涂層配方、涂層質(zhì)量、孔眼密度等保密參數(shù)。

由于煤礦井下特殊作業(yè)環(huán)境，所以對(duì)DOC的封裝需要考慮保溫和防震，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)DOC內(nèi)芯溫度不得低于250℃，殼體外溫度不得高于150℃，DOC靠近發(fā)動(dòng)機(jī)安裝時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)高頻震動(dòng)，不得將陶瓷基體震碎，因此需要安裝質(zhì)石隔溫棉、防震護(hù)套。

3、DPF總成選用及制造

DPF體積亦對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排量，一般說來選用發(fā)動(dòng)機(jī)排量的一倍到兩倍之間，發(fā)動(dòng)機(jī)排量7.3L，那么DPF體積在7.3L至14.6L即可，對(duì)照威孚環(huán)保的產(chǎn)品目錄最終選擇直徑240mm、長(zhǎng)度305mm、體積為13.8L的DPF載體，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物進(jìn)行分析后，最終確定慮壁微孔大小、孔眼密度等保密參數(shù)。

由于煤礦井下特殊作業(yè)環(huán)境，所以對(duì)DPF的封裝依然需要考慮保溫和防震，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)DPF殼體外溫度不得高于150℃，DPF安裝在DOC之后，剛性鏈接，依舊受發(fā)動(dòng)機(jī)高頻震動(dòng)影響，因此同樣需要安裝質(zhì)石隔溫棉、防震護(hù)套。

六、結(jié)論

對(duì)礦用防爆柴油機(jī)開展EGR、DOC、DPF技術(shù)后，綜合排放完全能達(dá)到預(yù)期效果，而且技術(shù)運(yùn)用很容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)原機(jī)改動(dòng)較小。

由于礦用防爆柴油機(jī)運(yùn)行環(huán)境特殊，運(yùn)用新型電噴技術(shù)解決尾氣排放投入成本比較大，后期維護(hù)繁瑣，而且必須淘汰很大一批尚在服役期限內(nèi)的機(jī)械，這對(duì)能源物資等都是極大的浪費(fèi)，因此運(yùn)用EGR、DOC、DPF技術(shù)做為設(shè)備升級(jí)換代的緩沖是確實(shí)可行的。

開展EGR、DOC、DPF技術(shù)是一種一次性投資，后期長(zhǎng)效的環(huán)保技術(shù)，給用戶節(jié)約成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，具有良好的社會(huì)效應(yīng)。目前由我公司研發(fā)的礦用EGR、DOC、DPF技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)在多種礦用防爆柴油機(jī)機(jī)械上運(yùn)用，獲得了防爆認(rèn)證及安標(biāo)證。

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（作者單位：1.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭分公司；2.無錫雙翼汽車環(huán)?？萍加邢薰?。）