柴油機排氣污染物分析及控制

夏天暉

摘 要：柴油機是公認的熱效率最高的內燃機，被廣泛應用于交通運輸，工程機械，農用機械等諸多領域。體積大、噪音大、噴黑煙……這是日常人們對于柴油機的直觀印象，柴油機燃燒排出的廢氣是主要的大氣污染源之一，以交通運輸業為例，車用和船用柴油機排出的CO2占整個世界CO2排放量的14%，成為造成地球溫室效應的元兇之一。由于大氣污染日益嚴重，人類生存環境日趨惡化，世界各國對柴油機廢氣的排放限制也越來越嚴格。

關鍵詞：柴油機；排氣污染；危害

中圖分類號：X734.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）17-0003-01

1 柴油機排氣污染物及其危害

1.1 廢氣的有害成分

柴油機使用輕柴油或重柴油作為燃料，排出的廢氣按危害性不同可分為有害成分和無害成分兩類，無害（無直接危害）成分有二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）、氮（N2）等；有害成分就是我們通常說的污染物，其中主要污染物有一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳氫化合物（HC）、二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）和微粒物質等。習慣上把廢氣中的有害成分和碳煙顆粒等統稱為排放物，也就是我們常說的排放。

1.2 柴油機排放物的危害

（1）一氧化碳（CO）。CO是無色無味的有毒氣體，人體吸入會導致組織缺氧，發生惡心、頭暈等，嚴重時導致窒息死亡。在柴油機排氣中CO含量較少，一般只在高負荷運轉時排放量較高。（2）氮氧化物（NOX）。柴油機排氣中的氮氧化物90%以上是NO，少量是NO2，把它們合在一起用NOX表示。NO是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中會緩慢氧化成NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，對心肌和肺有很強的毒害作用，NO2是在地面附近形成光學煙霧的主要因素之一。（3）碳氫化合物（HC）。HC就是我們俗稱的烴，是有機化合物的一種。這種化合物只由碳和氫組成，其中包含了烷烴、烯烴、環烴、芳香烴、醛、酮等多種有機成分，是許多其他有機化合物的基體。其中略帶甜味的烯烴，對人體神經系統有麻醉作用，對黏膜組織有刺激性，它與NOX一起在太陽紫外線作用下可以形成有毒化學煙霧；芳香烴是最早被發現的化學致癌物，對人體血液和神經系統均有毒害作用；醛類，主要是甲醛，危害表現為對皮膚粘膜的刺激作用，可誘發支氣管哮喘，可引起鼻咽腫瘤。（4）二氧化硫（SO2）。SO2是燃油中的硫分在燃燒時的產物。它具有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉黏膜，引起呼吸器官炎癥。SO2進一步氧化生成SO3，與水分作用產生硫酸并形成酸雨。（5）微粒物質。柴油機工況不佳時，排氣煙色會出現黑色、藍色和白色。黑煙是由于燃燒不完全生成的碳煙，不僅對人的呼吸系統產生危害，而且由于在碳煙微粒中常常吸附有SO2和多環芳香烴成分，所以具有致癌的危險；藍煙和白煙通常發生在柴油機啟動過程中，或柴油機長時間低負荷運轉時，它們通常是燃油或潤滑油不完全燃燒形成的微粒，由于有甲醛等物質排出，故有刺激性與異味。

2 柴油機排氣污染物的控制措施

2.1 燃燒過程的改進

通過對柴油機燃燒過程的研究，發現NOX是在燃燒溫度大于2000℃，缸內氧氣充足的條件下生成，而微粒是在燃燒溫度大于1000℃，缸內氧氣不充足的條件下形成。如何合理兼顧控制NOX和微粒排放是一項較為復雜的工作，通過控制柴油機在預燃階段將可燃混合氣量減少到最小限度來降低燃燒溫度，從而降低NOX排放；通過在柴油機擴散燃燒階段保持良好的燃油和空氣的混合以及較高的燃燒溫度來降低微粒排放物。為了實現上述控制目標，現代柴油機普遍采用了高壓噴射、引導噴射、電控噴射、廢氣再循環、直接噴水等措施。

2.2 排氣后處理

排氣后處理是為了避免燃燒產生的廢氣直接排放到大氣中，通過對碳煙等微粒的捕集或者通過催化轉化的方法處理廢氣，使廢氣中的有害成分的含量進一步降低。

（1）微粒捕集。微粒捕集基本上是依靠在柴油機排氣端安裝微粒過濾器來實現的。過濾器根據材質不同，可分為陶瓷微粒過濾器和一次性紙質過濾器。陶瓷過濾器通常加工成蜂窩狀，當排氣通過時，碳顆粒就被堵在進口通道的壁面上，過濾效率可達90%以上，但是在使用過程中需要定期清除過濾器中的微粒，否則會增加排氣背壓，影響柴油機的性能。一次性紙質過濾器一般是折成褶狀的濾筒，就像一般柴油機的進氣過濾器，過濾效率接近100%，由于紙質濾芯的使用溫度通常在120℃以下，所以這種過濾器需要安裝隨車的冷卻裝置，用于散熱。（2）催化轉化法。催化轉化法是使廢氣中的NOX在300～400℃的溫度下，以氨或尿素為還原劑，在反應器中將NOX還原為N2和O2。利用催化轉化法可使排氣中的NOX降低95%，是目前最有效的控制NOX排放的方法，缺點是設備成本高、體積大，并且需要較高的維護費用。

2.3 提升燃油品質

由于成本和市場的原因，我國主要煉油企業提供給市場使用的燃油質量標準普遍低于歐美等發達國家，特別是含硫量指標差距很大，許多經濟欠發達地區、農用機械仍在使用國Ⅲ以下的燃油，直接影響了柴油機微粒排放的控制效果。隨著經濟水平的不斷提升，國民環保意識的不斷加強，政府強制推行使用國Ⅲ以上標準的燃油成為可能，從而為治理柴油機廢氣排放打下了堅實的基礎。endprint