工程燃油動力裝備排放與潤滑污染綜合治理

賈 峰，張 軍，張 翼，馬葉紅，張 偉，張 旭

（1.國家能源神華寶日希勒能源公司，內蒙古呼倫貝爾 021000；2.西安奧奈特固體潤滑工程學研究有限公司，陜西西安 710061；3.無錫雙翼汽車環(huán)?？萍加邢薰荆K無錫 214187；4.山西云科富圖工業(yè)集成技術研究院有限公司，山西朔州 036032；5.神木相合綠色燃油發(fā)動機技術有限公司，陜西榆林 719000；6.日照云新技術研究院有限公司，山東日照 276800）

1 工程防爆柴油機的現(xiàn)狀

工程防爆柴油機是一種在地面柴油機基礎上增加或者改造原機進排氣系統(tǒng)、從而能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用的柴油機，具有功率大、安全系數(shù)高、可連續(xù)作業(yè)等特點，但尾氣污染問題十分嚴重。

工程防爆柴油機雖然解決了輔助運輸?shù)姆辣瑒恿栴}，但也有許多弊端，柴油機排放的廢氣中含有大量有害物質（如NOX、CO、HC、PM 等）。由于防爆柴油動力機械應用越來越廣泛，對環(huán)境的負面效應也越來越大。受條件約束，作業(yè)面工作空氣中的有害物質越來越多，已由局部性轉變成連續(xù)性和累積性，作業(yè)人員成為柴油機廢氣污染的直接受害者。因此，必須加強和提高保護井下環(huán)境和人生安全的意識。同時，車輛潤滑污染與環(huán)境的矛盾日益凸現(xiàn)，政府監(jiān)管壓力大，企業(yè)負擔重，綜合治理迫在眉睫。GR 復合固體潤滑潤滑工程技術的創(chuàng)新理念是：少用就是節(jié)能環(huán)保。其21 年的研究成果，應用在井工礦的內燃機動力裝備的復合固體潤滑工程技術，使原來的300 h 潤滑周期延長到了1000 h，底盤專用復合固體潤滑工程技術，使相關潤滑部件實現(xiàn)長效潤滑或免維護運行，潤滑油使用量減少了70%，潤滑油的環(huán)保貢獻值大于80%。

國家安全標志中心提出：自2018 年12 月28 日起，所有煤礦設備上使用的防爆柴油機必須采用排放標準達到國Ⅲ及以上排放標準的防爆柴油機。

2 工程柴油機減排技術路線

工程柴油機減排技術分為前處理和后處理兩大板塊。前處理為油路綠色優(yōu)化裝置、發(fā)動機專用復合固體潤滑劑和柴油復合清凈劑；后處理由廢氣再循環(huán)技術（EGR）、柴油機尾氣催化技術（DOC）和柴油機顆粒捕集器技術（DPF）組成。

國內各大主機廠應對新的排放法規(guī)主要有電噴柴油機技術和加裝尾氣處理技術，技術對比見表1。

3 GR 工程內燃機減排集成技術

前處理的油路綠色優(yōu)化裝置能有效改善因內燃機不充分燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳,碳氫化合物和氮氧化合物。采用內燃機油路綠色優(yōu)化技術裝置，將燃油霧化前的大分子球團擊碎為帶同種電荷的小分子球團，使燃油基團直徑變小、比表面積增大，提高燃油的霧化混合物的爆燃效果，從而提高燃油的燃燒效率、減少尾氣排放、提高發(fā)動機動力，CO 排放減少50%～90%。該項技術實施簡單、不涉及電源、加熱、酸堿及國家標準控制，安全可靠。不改變發(fā)動機設計和結構、針對運行中的發(fā)動機可以實施在線升級，也可以在發(fā)動機或車輛出廠前實施升級。

表1 電噴技術和減排技術對比

通過導入發(fā)動機專用復合固體潤滑劑，構建發(fā)動機摩擦件可靠、長效的復合固體潤滑潤滑膜，減少運動部件的摩擦阻力，使內燃機爆燃瞬間獲得較好的氣密狀態(tài)，降低發(fā)動機的振動、噪聲和磨損。發(fā)動機潤滑有效期從300 h 左右延長至1000 h，機油濾芯使用量減少60%，CO 排放降低10%～15%，潤滑油污染貢獻值達到80%。

根據(jù)調研，國內已有幾家單位研發(fā)了防爆柴油機用尾氣凈化產(chǎn)品，對國Ⅱ標準排放的柴油機尾氣進行后處理。防爆柴油機用尾氣凈化產(chǎn)品可針對國家約定的尾氣污染物進行點對點處理，通過尾氣后處理形式使其排放最終達到國Ⅲ標準，局部污染物指標甚至達到國Ⅴ標準。該技術由油路綠色優(yōu)化裝置、發(fā)動機專用復合固體潤滑劑、柴油復合清凈劑、廢氣再循環(huán)技術（EGR）、柴油機尾氣催化技術（DOC）和柴油機顆粒捕集器技術（DPF）組成，降低NOX、CO、HC、PM，降低發(fā)動機摩擦磨損，六者各司其職、配合作業(yè)，效果理想。

3.1 內燃機油路綠色優(yōu)化裝置

（1）技術參數(shù)。接油口尺寸：內徑10 mm，外徑12 mm；內徑8 mm，外徑10 mm。外形尺寸：50 mm×50 mm×120 mm；50 mm×50 mm×100 mm。

（2）裝置搭載。煤礦燃油動力設備CO 治理技術裝置搭載方式見圖1。

圖1 油路綠色優(yōu)化裝置搭載方式

3.2 發(fā)動機專用復合固體潤滑劑

（1）顏色及外觀：黑色液體。

（2）使用方法及注意事項：①發(fā)動機專用復合固體潤滑劑的加注與原發(fā)動機潤滑劑方法相同；②加注時先攪拌均勻，保證腔內干凈無雜物；③從發(fā)動機潤滑專用加注口加注；④使用量與原發(fā)動機潤滑劑用量相同；⑤換油周期1000 h。

3.3 柴油復合清凈劑

使用方法及注意事項：柴油復合清凈劑的加注比例為燃油體積的1‰～2‰，在油路綠色優(yōu)化裝置加載30 天后，每次加油前按此比例加入油箱即可。

3.4 廢氣再循環(huán)技術（EGR）

廢氣中NOX產(chǎn)生的條件有2 個：一是高溫，二是多氧。當發(fā)動機在負荷下運轉時，電磁閥開啟，使少量廢氣進入進氣總管，與新鮮空氣一起進入燃燒室。怠速時電磁閥關閉，幾乎沒有廢氣循環(huán)至發(fā)動機。汽車廢氣是一種不可燃氣體（不含燃料和氧化劑），在燃燒室內不參與燃燒。廢氣在進氣總管中與新鮮空氣混合，降低了混合氣體中氧氣的濃度，同時它通過吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力，雙管齊下從而降低NOX的生成量。進入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動機轉速和負荷的增加而增加。從本質上說，EGR 技術是靠約束燃燒條件減少NOX的排放量。EGR 技術對降低發(fā)動機NOX排放效果明顯，且EGR 技術的應用容易實現(xiàn)，對發(fā)動機改動較少、技術成熟。

EGR 技術產(chǎn)品主要由礦用澆封型溫度傳感器、澆封型轉速傳感器、隔爆型柴油機保護裝置主機、隔爆型柴油機油門位置傳感器、隔爆型壓差傳感器、隔爆型電磁閥組成。見圖2。

圖2 EGR 技術礦用成套裝置

3.5 柴油機尾氣催化技術（DOC）

柴油機尾氣催化器（DOC）以鉑（Pt）、鈀（Pd）等貴金屬作為催化劑，廢氣通過DOC 時產(chǎn)生氧化反應，其氧化反應原理與汽油機三元催化器原理基本相同。發(fā)動機的高溫廢氣通過排氣岐管合流后立即通過尾氣催化器，廢氣通過催化器時產(chǎn)生氧化反應，將發(fā)動機廢氣中的一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）轉化成無害的水（H2O）和二氧化碳（CO2）。同時催化器還可以催化尾氣中可溶有機化合物（SOF），降低尾氣中的PM。DOC 技術產(chǎn)品如圖3 所示。

圖3 DOC 技術產(chǎn)品

3.6 柴油機顆粒捕集器技術（DPF）

DPF 安裝在柴油機排氣通道上，廢氣通過時，通過自身特殊的物理結構對廢氣顆粒物進行吸附過濾。DPF 的主要制造材料是陶瓷，具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、過濾質量高、結構強度高、抗熱沖擊能力強等特點。高溫廢氣通過DOC 后再進入DPF，顆粒物會吸附在DPF 上，隨著溫度的不斷升高，顆粒物的吸附率也越來越高。

DPF 需要定期再生，針對煤礦井下特殊環(huán)境，DPF 采用快連式結構，采用主動電加熱再生方式，再生周期80 h（連續(xù)滿功率），再生時間1 h。DPF 技術產(chǎn)品如圖4 所示。

4 新型柴油機集成式尾氣處理技術優(yōu)點

（1）對原機改動少，極大降低柴油機NOX、CO 和顆粒物的排放。

圖4 DPF 技術產(chǎn)品

（2）提高燃油霧化混合物的爆燃效果，提高燃油的燃燒效率；減少發(fā)動機運動部件的摩擦阻力，使爆燃瞬間獲得較好的氣密狀態(tài)，節(jié)省燃油，提高發(fā)動機動力。

（3）發(fā)動機潤滑有效期從300 h 延長至1000 h。

（4）防爆柵欄或阻火器免維護，使用本系統(tǒng)后，防爆柵欄或阻火器幾乎不會產(chǎn)生積碳。

（5）系統(tǒng)采用全程電控式，無需人工介入，而且可配備聲光或語音報警裝置。

（6）與原機防爆系統(tǒng)串聯(lián)，不改變原機的防爆結構，即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障也不會影響原機的正常使用。

（7）安裝方便，更換或改造原進排氣波紋管后即可安裝。

（8）使用壽命長，核心原件性能穩(wěn)定。系統(tǒng)壽命5 年，載體壽命1 年，載體價格低廉，更換方便。

（9）兼容性強，適用于多種功率、多種排放的柴油機。

5 總結

內燃機排放與潤滑油污染治理專項復合固體潤滑工程技術在露天礦的應用具有可行性，也符合當前的基本國情，符合國家環(huán)保政策導向。

目前，國家安全標志中心只采用一種技術路線，即只允許原機型采用國Ⅲ及以上的柴油機，現(xiàn)役的大量未到設計淘汰年限的柴油機動力設備，按其規(guī)定必須強制報廢或返廠更換柴油機，這將極大增加使用單位的資金成本，也造成很大的浪費，并且將在一個時間段內導致新生產(chǎn)的國Ⅲ電噴發(fā)動機產(chǎn)能不足、價格虛高等問題，增加煤礦企業(yè)采購成本。因此，應采取環(huán)保、減排雙管齊下的措施同步進行，即新造車型采用高成本的國Ⅲ及以上的原機，老舊車型采用成熟的民用減排技術防爆化產(chǎn)品進行尾氣處理，兩種技術路線相輔相成，優(yōu)勢互補、并行發(fā)展。重要的是，由于礦用燃油動力裝備電噴化后，發(fā)動機原機排放已經(jīng)達到一個物理極限，未來防爆柴油機尾氣排放升級國Ⅳ、國Ⅴ甚至國Ⅵ都必須依托于內燃機燃燒排放的集成處理技術，現(xiàn)在允許電噴柴油機與排放處理技術共同發(fā)展，有利于確保未來礦用防爆柴油機排放的迅速升級。