甲醇清潔燃料在防爆柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

梁志武

摘要：為改善煤礦井下環(huán)境污染，推進(jìn)智慧礦山、清潔礦山，同時降低防爆膠輪車的維護(hù)成本，研究防爆柴油機(jī)清潔代用燃料勢在必行。本文通過對防爆柴油機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和缸內(nèi)燃燒分析，結(jié)合性能試驗，研究了不同比例的甲醇柴油燃料對防爆增壓柴油機(jī)排放性能改善。

關(guān)鍵詞：智慧礦山;清潔礦山;防爆增壓柴油機(jī);二次霧化;冷激效應(yīng);氣化潛熱值

中圖分類號：TK464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0018-02

0? 引言

智慧礦山、清潔礦山，我國煤礦安全管理目標(biāo)從“減少事故，減少死亡”，提高到“潔凈生產(chǎn)，關(guān)愛健康”的高度。然而隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，防爆膠輪車在煤礦井下的使用越來越廣泛，作為其動力源的防爆增壓柴油機(jī)的尾氣排放污染，成為井下工作環(huán)境污染重要因素之一。

2018年12月28日，國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第四批）的通知》明確要求：對排氣標(biāo)準(zhǔn)在國II及以下的防爆柴油機(jī)“自發(fā)布之日起禁止新選用、采購，在用設(shè)備自發(fā)布之日起2年后禁止使用”。企業(yè)均以防爆電噴柴油機(jī)作為防爆膠輪車主要動力源，適應(yīng)新規(guī)。然而防爆電噴柴油機(jī)在煤礦井下高濕度環(huán)境下使用，傳感器、電控模塊故障率大大提高，使用壽命縮短，增加了防爆膠輪車使用、維護(hù)成本。在煤炭價格持續(xù)走低的大環(huán)境下，加重煤炭企業(yè)負(fù)擔(dān)。

為降低尾氣排放污染，建設(shè)清潔礦山，減少煤炭企業(yè)負(fù)擔(dān)，清潔燃料在非電噴防爆柴油機(jī)的應(yīng)用研究成為迫切需求。甲醇作為一種國際公認(rèn)柴油機(jī)可替代清潔燃料在防爆增壓非電噴柴油機(jī)上應(yīng)用研究尤為重要。

1? 實驗部分

本次在不改變原增壓非電噴防爆柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究燃用BM10、BM15、BM20三種甲醇柴油燃料對其尾氣排放性能的影響，為今后甲醇燃料在防爆柴油機(jī)上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 實驗原料? 本次試驗基準(zhǔn)柴油采用-30#柴油與甲醇，按照體積比例混合，正丁醇、異戊醇等作為助溶劑，配置3種甲醇摻混比例10%、15%、20%（BM10、BM15、BM20）的甲醇柴油混合燃料。

1.2 試驗柴油機(jī)參數(shù)及檢測儀器? 實驗選用某四缸渦輪增壓水冷柴油機(jī)（具體參數(shù)見表1），其燃用柴油燃料的尾氣排放性能符合國家非道路國Ⅱ排放要求。

試驗儀器：電力渦輪測功機(jī)、AVL CEBⅡ排放分析儀、 AVL409煙度計等檢測儀器。

1.3 試驗方法? 依據(jù)《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及其測量方法（中國第三、四 階段）》（GB20891-2014 ）檢測方法、標(biāo)準(zhǔn)，在保持防爆柴油機(jī)動力參數(shù)不變的情況下，分別燃用-30#柴油和BM10、BM15、BM20甲醇柴油，測定八工況點排放濃度的變化規(guī)律。最后，按照GB20891-2014計算得到燃用某比例甲醇柴油燃料達(dá)到最佳綜合排放性能的防爆柴油機(jī)比排放量。

2? 試驗結(jié)果及分析

2.1 甲醇柴油燃料對CO排放的影響? 柴油機(jī)CO排放生產(chǎn)量的主要受燃燒室內(nèi)混合氣空氣濃度的影響，在混合氣中其過量空氣系數(shù)Φa<1時，燃燒室內(nèi)混合氣氧含量稀缺，燃料中的C不能完全氧化成CO2，會大量生成其中間產(chǎn)物CO;在混合氣中其過量空氣系數(shù)Φa>1時，理論上不應(yīng)有CO產(chǎn)生，但實際燃燒過程中，缸內(nèi)燃料與空氣混合不均勻，尤其缸體壁附近，溫度較低，空氣流動較慢，造成燃燒室內(nèi)局部空間中其過量空氣系數(shù)Φa<1，引起局部存在燃燒不完全現(xiàn)象，燃燒產(chǎn)生部分CO;另外缸內(nèi)高溫可能引起已生成燃燒產(chǎn)物的CO2熱裂解反應(yīng)，將CO2熱裂解、生成CO。

甲醇的沸點和凝固點均較低，噴入缸內(nèi)后，促進(jìn)混合氣體快速均勻混合;甲醇含氧量為50%，可以彌補(bǔ)防爆增壓柴油機(jī)進(jìn)氣柵欄阻力和水冷渦輪增壓器效率低引起進(jìn)氣量不足的缺點。

同時，柴油自燃溫度低于甲醇，甲醇柴油混合燃料有助于“二次燃燒”的形成，有助于缸內(nèi)燃燒充分的同時，降低缸內(nèi)燃燒最高溫度，阻止了CO2在后期燃燒過程中的裂解，抑制了CO裂解，大大降低CO排放量。

圖1 為燃用柴油和不同比例甲醇柴油，在八點工況下，CO排放量變化曲線。如圖1所示采用甲醇柴油燃料能有效降低CO的排放，尤其低速大負(fù)荷狀態(tài)下，CO的排放降低效果明顯可達(dá)到75%。然而隨著甲醇濃度增加，尤其甲醇濃度超過60%，防爆柴油機(jī)壓燃過程中，混合氣含氧量過大處于稀混合狀態(tài)，同時甲醇?xì)饣變?nèi)溫度急劇降低，導(dǎo)致混合氣的燃燒困難，嚴(yán)重影響到CO的排放性能。

2.2 甲醇柴油燃料對HC排放的影響? 柴油機(jī)HC排放量主要取決于缸內(nèi)混合氣的均勻性（局部過濃或過?。┖捅诿娴睦浼ば?yīng)，以及在燃燒過程后期低速，燃燒室內(nèi)壓力低，燃料霧化能力降低，造成局部混合氣形成質(zhì)量較差，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)混合氣不能充分燃燒或局部不完全燃燒而引起的。

甲醇?xì)饣瘽摕嶂凳遣裼偷?倍多，引起缸內(nèi)溫度降低，缸壁溫度較低，缸壁附近HC含量增加，隨著缸內(nèi)溫度增加和“二次燃燒”的作用，燃燒后期會消耗一部分HC，HC的排放性能降低有限。試驗結(jié)果顯示燃用甲醇柴油機(jī)燃料其HC的排放性能有所惡化。

如圖2所示，隨著甲醇濃度增加，在高轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷工況下，HC排放量增加較多;在低轉(zhuǎn)速或高負(fù)荷工況下，HC排放量增加較少。參考《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及其測量方法（中國第三、四階段）》（GB20891-2014 ），綜合考慮HC排放量增加3～8%。

2.3 甲醇柴油燃料對NOX排放的影響

NOX的生成重要途徑是由缸內(nèi)吸入空氣中的N2和柴油中氮元素在燃燒室內(nèi)混合氣燃燒高溫時段反應(yīng)生成。

根據(jù)捷里道維奇NOX反應(yīng)機(jī)理，溫度型NOX生成速度：

柴油機(jī)生成的NOX排放量主要取決于燃燒室內(nèi)最高燃燒溫度、氧元素濃度、氮元素含量和燃料在燃燒高溫反應(yīng)區(qū)域中的停留時間，柴油機(jī)NOX的排放量與燃燒反應(yīng)最高溫度呈指數(shù)關(guān)系。

甲醇中N的含量較柴油較低幾乎為零，氣化潛熱值達(dá)到柴油的3倍以上，甲醇柴油燃料噴入缸內(nèi)后，甲醇汽化吸收大量熱量，降低缸內(nèi)溫度，甲醇柴油混合燃料的“二次燃燒”，進(jìn)一步降低了缸內(nèi)最高溫度，縮短了高溫停留時間。燃用甲醇柴油能有效降低NOX的排放量。

如圖3 所示，隨著甲醇混合比例的增加，NOX的排放量減少，尤其在大負(fù)荷工況下，NOX降低幅度較大，最高可達(dá)到50%。

2.4 甲醇柴油燃料對碳煙微粒排放的影響

柴油機(jī)尾氣中碳煙微粒的形成主要因燃燒室內(nèi)混合燃料在高溫、缺氧燃燒狀態(tài)下，部分發(fā)生氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，經(jīng)脫氫、聚合、碰撞形成碳煙聚集物。根據(jù)碳煙生成原理，降低柴油機(jī)碳煙的主要指導(dǎo)思想，即燃燒前期應(yīng)避免高溫缺氧，以減少碳煙的生成;同時在燃燒室內(nèi)混合氣燃燒后期應(yīng)確保高溫富氧、加強(qiáng)混合氣擾流強(qiáng)度，以加速碳煙的氧化。甲醇氧含量高，保障了缸內(nèi)充分燃燒;甲醇?xì)饣鼰崃?，降低了缸?nèi)最高燃燒溫度，有效抑制了燃燒前期的碳煙生成。如圖4所示，試驗結(jié)果顯示燃用BM10、BM15、BM20燃料，排放煙度分別下降約10%、20%和30%，有效減低了碳煙排放濃度。

3? 結(jié)論

防爆增壓柴油機(jī)燃用甲醇濃度較高的甲醇柴油燃料，對CO、NOX和煙度的排放均有明顯的改善，尤其燃用BM20甲醇柴油，除HC排放有所惡化外，其余排放量降低達(dá)20～50%，低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況達(dá)到60%以上，可大大改善井下尾氣排放的污染。依據(jù)《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及其測量方法（中國第三、四階段）》（GB20891-2014）測算，燃用BM20甲醇柴油的防爆柴油機(jī)CO比排放值可達(dá)到為1.97g/kW·h;NOX和HC比排放值之和為3.94g/kW·h;顆粒比排放值為0.245g/（kW·h），能夠滿足非道路國三穩(wěn)態(tài)八工況排放要求。

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