防爆柴油機(jī)尾氣控制技術(shù)研究*

□ 王 曉1 □ 黃 華2

1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 太原 030006 2.山西工程職業(yè)學(xué)院 太原 030006

1 無軌輔助運(yùn)輸概況

在煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)中,無軌輔助運(yùn)輸是越來越重要的組成部分,其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸方式靈活機(jī)動(dòng),運(yùn)輸時(shí)間短、速度快、動(dòng)力強(qiáng)勁。隨著煤炭工業(yè)的跨越式發(fā)展,輔助運(yùn)輸設(shè)備種類和數(shù)量不斷增加,許多現(xiàn)代化礦井都引進(jìn)了無軌輔助運(yùn)輸車輛,包括防爆人員運(yùn)輸車、防爆工程車、防爆支架運(yùn)輸車、防爆灑水車等。目前全國13個(gè)省份使用無軌輔助運(yùn)輸車輛的礦井有700余處,使用總量在10 000臺(tái)以上,日常生產(chǎn)作業(yè)車輛達(dá)到3 000臺(tái)以上。就用途而言,煤礦無軌輔助運(yùn)輸車輛占比最大的是材料物料運(yùn)輸車和人員運(yùn)輸車,占全部無軌輔助運(yùn)輸車輛保有量的80%以上[1]。

2 非道路排放分析

在無軌輔助運(yùn)輸車輛中,防爆柴油機(jī)以動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。防爆柴油機(jī)的缺點(diǎn)是排放污染嚴(yán)重,甚至影響運(yùn)輸車輛司機(jī)和其他作業(yè)人員的身體健康。煤礦井下運(yùn)輸巷道窄,空間小,路況差,通風(fēng)情況相比路面差很多,以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力的無軌輔助運(yùn)輸車輛運(yùn)行時(shí),防爆柴油機(jī)的污染物不易排出,在工作環(huán)境中集聚[2-4]。各大煤礦意識(shí)到井下環(huán)保的重要性,應(yīng)避免有害排放污染物對(duì)井下作業(yè)人員身心健康的影響。煤礦行業(yè)出臺(tái)了對(duì)井下排放物嚴(yán)格控制的標(biāo)準(zhǔn),國家煤礦安全監(jiān)察局于2018年12月底發(fā)布《禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄(第四批)》,要求煤礦井下應(yīng)使用排放達(dá)到國Ⅲ及以上標(biāo)準(zhǔn)的防爆柴油機(jī)。國家生態(tài)環(huán)境部于2020年12月底發(fā)布HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》,要求所有生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售的柴油機(jī)從2022年12月開始排放應(yīng)符合國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

目前,防爆柴油機(jī)研究單位及生產(chǎn)廠商通過攻關(guān),提出了符合煤礦井下要求的高效水冷防爆增壓器、防爆式電控單體泵組、防爆式電控燃油噴射控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),所研制的防爆電噴柴油機(jī)均達(dá)到非道路國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。防爆柴油機(jī)污染物排放控制技術(shù)要求在國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上升級(jí)為國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn),僅靠以上技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)的,必須要進(jìn)行尾氣處理方面的研究。筆者對(duì)防爆柴油機(jī)尾氣控制技術(shù)進(jìn)行研究。

3 柴油機(jī)污染物減排技術(shù)現(xiàn)狀

柴油機(jī)因功率大、動(dòng)力強(qiáng)勁、熱效率高、經(jīng)濟(jì)性良好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在各個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。柴油機(jī)也有一定的缺點(diǎn)和不足,主要為工作過程中會(huì)不斷排出顆粒物、一氧化碳、碳?xì)浠衔?、一氧化氮、一氧化硫等有害尾氣。由于煤礦井下通風(fēng)條件比較差,防爆柴油機(jī)排出的有害尾氣會(huì)在巷道或工作面集聚,并且不易排出,嚴(yán)重影響巷道和工作面作業(yè)人員的身體健康。柴油機(jī)污染物減排技術(shù)主要以降低一氧化碳、顆粒物、氮氧化合物排放量為目的。

3.1 氧化催化器

氧化催化器使用化學(xué)催化方法將排放物中的一氧化碳、碳?xì)浠衔镒優(yōu)樗投趸?是目前路面車輛柴油機(jī)處理一氧化碳和碳?xì)浠衔锏某墒炜尚蟹椒āＱ趸呋鹘档吞細(xì)浠衔?、一氧化碳排放?生成二氧化碳,同時(shí)也生成硫酸鹽產(chǎn)物,原因是氧化催化器的催化氧化性能。所以在設(shè)計(jì)符合煤礦井下要求的氧化催化器時(shí),需要選擇適合的催化劑,一般選擇對(duì)二氧化硫氧化率很低而對(duì)一氧化碳、硫化物、碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化效率高的催化劑。排氣溫度和含硫量是影響氧化催化器轉(zhuǎn)化效率的兩個(gè)主要因素,較高的柴油機(jī)尾氣溫度可以提高一氧化碳、碳?xì)浠衔锏扰欧盼锏霓D(zhuǎn)化效率,滿足氧化催化器的起燃溫度要求。

3.2 顆粒捕捉器

顆粒捕捉器是目前應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)處理顆粒物的主要裝置與措施,工作原理是通過物理方法對(duì)尾氣中的顆粒物進(jìn)行過濾。目前顆粒捕捉器主要有兩種,分別是壁流式過濾和部分流式過濾。壁流式過濾的過濾效果較好,能夠過濾掉尾氣中的絕大部分微粒,但壽命相對(duì)有限,應(yīng)用于工況較差的車輛,過濾器很快會(huì)被堵死,需要用電加熱或噴油燃燒的方法進(jìn)行強(qiáng)制再生,否則過濾器可能產(chǎn)生過熱燒毀現(xiàn)象。部分流式過濾不能過濾所有尾氣,過濾效果較差,但堵死失去過濾能力之后,不會(huì)對(duì)車輛行駛產(chǎn)生較大影響。

3.3 廢氣再循環(huán)

廢氣再循環(huán)的工作過程是將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣中一小部分廢氣引流到進(jìn)氣管中,與進(jìn)氣管中的新鮮空氣混合,生成的混合氣體再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)參與燃燒。

廢氣再循環(huán)主要包括外部廢氣再循環(huán)、內(nèi)部廢氣再循環(huán)、內(nèi)外混合廢氣再循環(huán)等。內(nèi)部廢氣再循環(huán)的工作原理是增大進(jìn)氣門的開啟角,減小排氣門的關(guān)閉角,即增大兩個(gè)氣門的重疊角,使上一個(gè)循環(huán)的廢氣參與下一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廢氣循環(huán)。也可通過增大排氣背壓來增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的殘留廢氣,來實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán),但殘余的廢氣會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的進(jìn)氣量,減緩進(jìn)氣的流入,造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低和燃油消耗率提高。內(nèi)部廢氣再循環(huán)一般不可以調(diào)節(jié),因此目前在市場(chǎng)上很少見。

外部廢氣再循環(huán)的工作原理是將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣岐管中廢氣的一小部分通過氣管流入進(jìn)氣歧管,與進(jìn)氣混合成混合氣體,進(jìn)入燃燒室參與燃燒。外部廢氣再循環(huán)按照驅(qū)動(dòng)方式可以分為電控式廢氣再循環(huán)和真空驅(qū)動(dòng)廢氣再循環(huán),目前電控式廢氣再循環(huán)因控制簡單、操作靈活、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較廣。

4 防爆柴油機(jī)污染物減排技術(shù)研究

4.1 廢氣再循環(huán)清潔燃燒技術(shù)

筆者研究廢氣再循環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式、冷卻形式、控制方式、安裝位置、瞬態(tài)響應(yīng)。防爆廢氣再循環(huán)通過水冷防爆式雙層管路內(nèi)層將排出廢氣的一部分引流入進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣管路,與進(jìn)氣充分混合,混合后的氣體進(jìn)入缸內(nèi)參與燃燒。通過廢氣再循環(huán)雙層管路中的外層和防爆廢氣再循環(huán)冷卻器來共同降低引流廢氣的溫度,使廢氣再循環(huán)裝置的表面溫度滿足MT 990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》[8],同時(shí)降低缸內(nèi)燃燒室的燃燒溫度,從而減小防爆柴油機(jī)氮氧化合物的排放量。防爆柴油機(jī)因?yàn)榉辣缘囊?進(jìn)、排氣系統(tǒng)在加裝防爆系統(tǒng)后,給高溫廢氣再循環(huán)的廢氣從水冷式排氣波紋管中引出帶來困難,同時(shí)由于排氣阻力增大,壓力降低,廢氣難以順利導(dǎo)入進(jìn)氣管。由此可見,防爆柴油機(jī)外部廢氣再循環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化對(duì)廢氣再循環(huán)的應(yīng)用起很大作用。

4.2 循環(huán)廢氣控制策略

廢氣再循環(huán)會(huì)降低防爆柴油機(jī)的性能,并改變廢氣的排放量。主要原因是循環(huán)廢氣和進(jìn)氣系統(tǒng)的新鮮空氣混合,提高進(jìn)氣溫度,降低進(jìn)氣量,導(dǎo)致缸內(nèi)殘留廢氣因數(shù)增大,使防爆柴油機(jī)的燃燒過程受到很大影響。極端的情況是,過高的廢氣再循環(huán)率會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)空燃比較小,缸內(nèi)燃燒室嚴(yán)重缺氧,燃燒過程不充分或燃燒環(huán)境嚴(yán)重惡化,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩下降嚴(yán)重。因此,防爆廢氣再循環(huán)需與防爆柴油機(jī)整機(jī)進(jìn)行匹配優(yōu)化后再應(yīng)用[9]。匹配過程不但要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的防爆性,而且要在盡量不降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩,不惡化燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下盡最大可能提高廢氣再循環(huán)率,從而達(dá)到防爆柴油機(jī)污染物有效減排的目的。

4.3 基于貴金屬的低溫氧化催化技術(shù)

氧化催化器是在多孔狀的金屬載體或陶瓷載體上涂覆一定量貴金屬催化劑的氧化催化轉(zhuǎn)化裝置,工作原理是在較低的溫度條件下使廢氣中的微顆粒、一氧化碳、碳?xì)浠衔锏扰c氧氣實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng),轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。由于氧化催化反應(yīng)所需的排氣溫度較高,而防爆柴油機(jī)要求所有表面溫度均不得高于150 ℃,導(dǎo)致氧化催化器的轉(zhuǎn)化效率降低。對(duì)氧化催化轉(zhuǎn)化裝置的防爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,并進(jìn)行柴油機(jī)性能試驗(yàn),研究氧化催化轉(zhuǎn)化裝置對(duì)柴油機(jī)排放性能及動(dòng)力性能的影響,進(jìn)而使氧化催化器的溫度在正常工作時(shí)達(dá)到氧化催化器的起燃溫度,減少一氧化碳等排放污染物。

4.4 防爆式顆粒捕捉器捕捉技術(shù)

顆粒捕捉器使用耐高溫且具有過濾能力的特定材料做成多孔結(jié)構(gòu)過濾體,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的顆粒物流過顆粒捕捉器時(shí),被內(nèi)部的過濾體所捕捉,達(dá)到減少廢氣中顆粒物的目的。這一技術(shù)是當(dāng)前特別有效且應(yīng)用最廣的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣顆粒物處理技術(shù)。地面用柴油機(jī)沒有最高表面溫度要求,捕捉的顆粒依靠柴油機(jī)的排氣溫度可以燃燒,保證排氣順暢。防爆柴油機(jī)在正常工作時(shí),排氣管有冷卻的要求,使排氣溫度較低,顆粒附著在多孔結(jié)構(gòu)過濾體上,可能在短時(shí)間內(nèi)造成顆粒捕捉器堵塞[10]。通過對(duì)顆粒捕捉器的防爆結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化,并進(jìn)行柴油機(jī)性能試驗(yàn),研究顆粒捕捉器對(duì)柴油機(jī)排放性能及動(dòng)力性能的影響,使在符合煤礦標(biāo)準(zhǔn)的前提下顆粒捕捉器的顆粒捕捉效率滿足井下防爆車輛的使用要求。

5 應(yīng)用方案

目前地面車輛柴油機(jī)大部分采用氧化催化器、廢氣再循環(huán)、顆粒捕捉器等污染物減排技術(shù),均較為成熟。煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛和地面車輛所用柴油機(jī)的后處理存在三方面較大區(qū)別。第一,地面車輛尾氣后處理為非防爆式,煤礦井下尾氣后處理采用防爆尾氣后處理裝置,兩者的起燃條件、反應(yīng)溫度條件等均不相同,裝置的部分材料也不相同。第二,地面車輛尾氣后處理控制技術(shù)僅涉及電氣控制方法,煤礦井下為滿足煤礦柴油機(jī)的防爆要求和使用條件,需要采用電、液、氣協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行尾氣后處理控制。第三,目前的后處理裝置均是與道路用柴油機(jī)進(jìn)行匹配,而無人研究符合煤礦標(biāo)準(zhǔn)的防爆式尾氣后處理裝置與防爆柴油機(jī)整機(jī)的性能匹配技術(shù)。

某型非道路國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)排放的防爆柴油機(jī)如圖1所示,某型非道路國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)排放的防爆柴油機(jī)如圖2所示。通過圖1和圖2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),非道路國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)排放的防爆柴油機(jī)升級(jí)至國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)需要加裝符合MT 990—2006要求的氧化催化器、顆粒捕捉器、廢氣再循環(huán)等尾氣后處理裝置,安裝順序?yàn)榉辣裼蜋C(jī)水冷排氣岐管、防爆廢氣再循環(huán)、防爆氧化催化器、防爆顆粒捕捉器,這樣可以優(yōu)先保證廢氣再循環(huán)的廢氣引入的溫度,然后保證氧化催化器的起燃溫度。防爆廢氣再循環(huán)還需要加裝電源控制箱和隔爆電子控制單元。

圖1 非道路國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)排放防爆柴油機(jī)

圖2 非道路國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)排放防爆柴油機(jī)

6 結(jié)束語

為提升目前煤礦井下用防爆柴油機(jī)尾氣排放技術(shù)水平,滿足日益嚴(yán)格的煤礦井下排放標(biāo)準(zhǔn)要求,筆者對(duì)煤礦用防爆柴油機(jī)尾氣控制技術(shù)進(jìn)行研究,分析廢氣再循環(huán)、氧化催化器、顆粒捕捉器等技術(shù)。廢氣再循環(huán)、氧化催化器、顆粒捕捉器屬于長效的環(huán)保技術(shù),成本低,并且可以改善煤礦井下的作業(yè)環(huán)境,具有良好的社會(huì)效益。