防爆柴油機尾氣控制技術(shù)研究*

□ 王 曉

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 太原 030006

1 研究背景

當(dāng)前,現(xiàn)代化綜采設(shè)備、綜掘設(shè)備,以及大型高效露天剝、采、運、支成套設(shè)備在大中型煤礦中被大量使用,采用高效的無軌輔助運輸裝備已經(jīng)成為現(xiàn)代化礦井的一種主流運輸方式。煤礦井下使用的輔助運輸車輛越來越多,而煤礦井下通風(fēng)條件有限,井下防爆車輛排放的尾氣難以及時排出,造成防爆柴油機車對井下巷道環(huán)境嚴重污染,并嚴重影響井下作業(yè)人員的身體健康,與創(chuàng)建生態(tài)礦山,走綠色低碳、安全高效的發(fā)展道路相違背。由此,業(yè)內(nèi)對無軌輔助運輸車輛動力源——防爆柴油機的尾氣排放提出了更高的要求[1-3]。

目前,我國煤礦井下用防爆柴油機已開始實施國Ⅲ標準,對防爆柴油機排放要求比以前更加嚴格。但實際情況是,井下使用的防爆柴油機,其尾氣排放多為國Ⅱ標準,加之進行了防爆處理,對進排氣系統(tǒng)進行了重新設(shè)計,排放比原機更差,甚至都達不到國Ⅱ標準。

防爆柴油機在煤礦井下工作時排放出的有害氣體及污染物主要包括氮氧化物、顆粒物、一氧化碳、碳氫化合物、二氧化碳、二氧化硫、甲醛等,其中,氮氧化物、顆粒物、一氧化碳、碳氫化合物占絕大部分。一氧化碳對煤礦井下工作人員的危害極大,容易造成人員中毒。一氧化碳由防爆柴油機不充分燃燒產(chǎn)生,濃度越高,危害越大。氮氧化物排放易造成光化學(xué)煙霧,刺激人眼和呼吸道。煤礦安全規(guī)程要求,礦井中氮氧化物最高允許濃度為0.000 25%。由此可見,通過分析防爆柴油機在煤礦井下工作時尾氣的生成原因和機理,研究新技術(shù)來控制并降低防爆柴油機尾氣的排放,避免有害成分對煤礦井下環(huán)境的污染,具有十分重要的意義[4-6]。

2 柴油機尾氣排放影響因素

柴油機相較于其它動力源,具有可靠性高、經(jīng)濟性好、熱效率高、功率大等特點,因此在裝載機、運輸機、發(fā)電機等大部分機械行業(yè)中都有應(yīng)用。柴油機自身的缺點導(dǎo)致應(yīng)用具有局限性,在煤礦井下這一問題尤其突出。柴油機的主要缺點是工作時排出的尾氣中含有很多對環(huán)境和人體有害的成分,如二氧化硫、一氧化碳、顆粒物、一氧化氮、碳氫化合物等。

根據(jù)柴油機排出尾氣中有害成分產(chǎn)生的機理,可以從燃燒、油品、后處理三個方面進行研究,以達到控制和降低有害成分排放的目的。油品即油的品質(zhì),很難有質(zhì)的變化,目前主流方法都是通過提高柴油機內(nèi)部燃燒效率和采用后處理技術(shù)來降低柴油機的排放[7-8]。

2.1 柴油機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1) 采用優(yōu)化燃燒技術(shù)。柴油機產(chǎn)生有害氣體的主要原因是燃油和氧氣的配比不合理,燃燒室的結(jié)構(gòu)不利于燃燒。因此，降低有害氣體排放最根本、有效的方法是改進燃燒室結(jié)構(gòu),采用合理配比的燃油和氧氣,改善油氣混合物的燃燒。

(2) 采用增壓中冷技術(shù)。在普通柴油機的基礎(chǔ)上增加增壓中冷裝置,是降低排放的有效手段之一,同時還可以增大進氣量,從而提高柴油機的功率和扭矩。當(dāng)進氣增壓度較高時,可以采用增壓中冷技術(shù)來降低進氣溫度,從而降低氮氧化物的排放,同時減少碳煙生成量。

(3) 采用廢氣再循環(huán)措施。氮氧化物是柴油機排出尾氣中的主要成分,產(chǎn)生的主要原因是缸內(nèi)高溫富氧環(huán)境。廢氣再循環(huán)技術(shù)是一項可以顯著降低氮氧化物排放的技術(shù),目前已在多種柴油機上應(yīng)用。廢氣再循環(huán)中,循環(huán)廢氣可以使柴油機工作時燃燒室內(nèi)混合氣體的燃燒溫度降低,降低參與燃燒的氧氣的濃度,由此遏制氮氧化物的生成。廢氣再循環(huán)技術(shù)的缺點是使炭煙排放增加,主要原因是延長了燃燒室內(nèi)的燃燒時間。因此,為了降低柴油機尾氣中的有害氣體,需要根據(jù)柴油機實時工作情況精準控制廢氣再循環(huán)的廢氣量。

(4) 應(yīng)用電控技術(shù)。電控燃油噴射技術(shù)具有噴油定時可變、噴油時間精確的優(yōu)點,目前大部分柴油機都采用了電控化技術(shù)。低負荷時,噴油提前,通過選擇凸輪速度可減少顆粒,還可通過低噴油率造成的預(yù)混合燃燒減少氮氧化物的排放。柴油機工作在高負荷工況時,可以通過調(diào)節(jié)凸輪速度來延遲噴油,從而使氮氧化物的排放降低,同時增大噴油壓力,使顆粒物的排放降低。由此可見,電控技術(shù)可以使氮氧化物和顆粒物的排放同時得到降低。但是,煤礦井下防爆環(huán)境的特殊性限制了電控防爆柴油機的應(yīng)用,只有將電控技術(shù)與防爆技術(shù)相結(jié)合,提高電控技術(shù)在煤礦井下的安全性,才能使電控技術(shù)在煤礦井下得到大范圍應(yīng)用。目前,國內(nèi)外對電控防爆柴油機的研究已經(jīng)有了一定的進展。

2.2 燃油品質(zhì)

采用不同品質(zhì)的燃油,有害氣體的排放量不相同。由于燃油含有氮、硫等成分,因此降低這些成分的含量可以有效降低柴油機中有害氣體的排放量。在燃油中加入一種能和碳分子結(jié)合發(fā)生反應(yīng)的助燃劑,可以顯著降低碳煙排放。這種助燃劑就是俗稱的添加劑。目前柴油機多使用含錳化合物添加劑,研究表明能明顯降低碳煙排放的還有含銅、鈷、鎳、鐵等元素的金屬有機化合物。

2.3 后處理技術(shù)

近年來,選擇性催化還原技術(shù)、微粒捕集過濾器、氧化催化轉(zhuǎn)化器已經(jīng)成為減少柴油發(fā)動機尾氣中有害成分的三種主要后處理技術(shù)。

氧化催化轉(zhuǎn)化器使用化學(xué)催化方法,將排放物中的一氧化碳、碳氫化合物變?yōu)樗投趸?是目前路面車輛柴油機處理一氧化碳和碳氫化合物的成熟可行方案。

采用微粒捕集過濾器是目前處理顆粒物最清潔環(huán)保的方法,原理是對尾氣排放中的顆粒物進行吸附和過濾。目前微粒捕集過濾器主要有兩種,各有優(yōu)缺點。一種是壁流式微粒捕集過濾器,優(yōu)點是吸附和過濾尾氣中微粒的效果明顯,缺點是使用過程中容易被堵塞,會縮短使用壽命,通過使用被動再生和主動再生技術(shù)可以解決這一缺陷。另一種是部分流式微粒捕集過濾器,這種過濾器雖然過濾能力差,但是在工作條件差的環(huán)境中即使被堵塞,也不會有太大影響。

選擇性催化還原技術(shù)是一種機外凈化技術(shù),工作原理是以尿素加水分解的氨氣為還原劑,在催化劑作用下與柴油機排氣中有害的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氮氣和水。

3 防爆柴油機尾氣排放關(guān)鍵技術(shù)

隨著現(xiàn)代煤礦高效集約開采技術(shù)的推進,無軌輔助運輸系統(tǒng)取得了長足的發(fā)展。防爆柴油機是無軌膠輪車的主要動力源,減少防爆柴油機污染物排放已成為無軌輔助運輸車輛繼續(xù)發(fā)展的先決條件。根據(jù)防爆柴油機的防爆要求,結(jié)合地面柴油機控制排放污染物的可行性技術(shù),以機內(nèi)凈化與排氣后處理互相配合為原則,在電噴防爆柴油機的基礎(chǔ)上開展廢氣再循環(huán)、氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集過濾器等尾氣排放關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用是可行的。根據(jù)煤炭行業(yè)標準MT 220—1990《煤礦用防爆柴油機械排氣中一氧化碳、氮氧化物檢驗規(guī)范》和MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》的要求,通過試驗研究各裝置對防爆柴油機的影響,分析排放處理能力,以及動力性、經(jīng)濟性,可以有效解決目前煤礦井下尾氣排放污染的問題[9-10]。

3.1 外置式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

設(shè)計防爆柴油機外部廢氣再循環(huán)系統(tǒng),研究再循環(huán)廢氣的實現(xiàn)方式、冷卻形式、控制方式、安裝位置和瞬態(tài)響應(yīng)。外置式廢氣再循環(huán)利用專門的廢氣再循環(huán)管道,將廢氣引入進氣管,使廢氣與新鮮空氣在進入氣缸前充分混合。通過在廢氣再循環(huán)管道中加裝廢氣再循環(huán)冷卻器,降低廢氣溫度,從而有效降低燃燒溫度,在更大程度上控制發(fā)動機排放。防爆柴油機因為防爆性能要求,在進排氣系統(tǒng)加裝防爆系統(tǒng)后,會給高溫循環(huán)廢氣從水冷式排氣波紋管中引出帶來困難,同時因為排氣阻力增大,壓力減小而難以順利導(dǎo)入進氣管。所以,防爆柴油機應(yīng)用外置式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)具有很大的作用。

高溫廢氣導(dǎo)入進氣系統(tǒng)后,進氣混合氣溫度升高,新鮮空氣被稀釋,同時混合氣的定壓比熱容增大,氣缸內(nèi)殘余廢氣含量提高,直接影響防爆柴油機的燃燒過程,進而對防爆柴油機的性能和排放產(chǎn)生影響。若廢氣再循環(huán)率過高,會使燃燒室內(nèi)空氣燃油混合比迅速降低,缸內(nèi)缺氧情況嚴重,從而導(dǎo)致燃燒惡化,動力性大幅降低?？梢?廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在應(yīng)用時需與防爆柴油機的增壓器進行匹配優(yōu)化。在滿足防爆性要求時,需要在原機動力性、燃油經(jīng)濟性等得到保證的基礎(chǔ)上,盡可能提高廢氣再循環(huán)率,實現(xiàn)對防爆柴油機排放有效控制的目的。

3.2 氧化催化轉(zhuǎn)化器優(yōu)化

氧化催化轉(zhuǎn)化器在陶瓷載體或金屬載體上涂覆貴金屬催化劑,使柴油機排氣中的碳氫化合物、一氧化碳,以及微粒中的可溶性有機成分能與排氣中的氧氣在較低的溫度下進行氧化反應(yīng),生成二氧化碳和水。由于氧化催化反應(yīng)所需的排氣溫度較高,而防爆柴油機要求所有表面溫度均不得高于150 ℃,由此導(dǎo)致氧化催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率降低。通過氧化催化轉(zhuǎn)化器防爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化,進行柴油機性能試驗,研究氧化催化轉(zhuǎn)化器對柴油機排放性能及動力性能的影響,使通過氧化催化轉(zhuǎn)化器的柴動機廢氣溫度在正常工作時能達到一氧化碳氧化反應(yīng)溫度,生成二氧化碳,從而降低污染物排放。

3.3 顆粒捕集過濾器優(yōu)化

目前最環(huán)保、最有效的顆粒物后處理技術(shù)是采用特定的耐高溫過濾材料設(shè)計制成具有過濾效果的過濾體,這種具有特定結(jié)構(gòu)的過濾體即為顆粒捕集過濾器,可以使柴油機尾氣中的顆粒物得到凈化。地面用柴油機無最高表面溫度要求,捕集的顆粒依靠柴油機排氣溫度將顆粒物燃燒,保證排氣順暢。防爆柴油機在正常工作時,由于對排氣管冷卻的要求,排氣溫度較低,顆粒物附著在過濾體上,不能通過燃燒再生,使顆粒捕集過濾器在短時間內(nèi)堵塞。通過對顆粒捕集過濾器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化,進行柴油機性能試驗,研究顆粒捕集過濾器對柴油機排放性能及動力性能的影響,實現(xiàn)顆粒捕集過濾器在防爆柴油機上的合理應(yīng)用。

4 結(jié)束語

筆者對防爆柴油機尾氣控制技術(shù)進行了研究。廢氣再循環(huán)、氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集過濾器等技術(shù)在防爆柴油機中應(yīng)用后,可有效降低防爆柴油機的排放?？紤]到煤炭行業(yè)標準中所有外露表面溫度均不得高于150 ℃的防爆要求,需要對廢氣再循環(huán)、氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集過濾器進行優(yōu)化。

因所配柴油機不同,排氣流量不同,還需要對氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集過濾器與整機進行匹配,以保證后處理裝置對防爆柴油機動力性、經(jīng)濟性等的影響最小。