防爆柴油機(jī)尾氣控制技術(shù)研究*

□ 王 曉

中國煤炭科工集團(tuán)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(yùn)、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(yùn)輸裝備已經(jīng)成為現(xiàn)代化礦井的一種主流運(yùn)輸方式。煤礦井下使用的輔助運(yùn)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(shí)排出,造成防爆柴油機(jī)車對(duì)井下巷道環(huán)境嚴(yán)重污染,并嚴(yán)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(duì)無軌輔助運(yùn)輸車輛動(dòng)力源——防爆柴油機(jī)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(jī)已開始實(shí)施國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn),對(duì)防爆柴油機(jī)排放要求比以前更加嚴(yán)格。但實(shí)際情況是,井下使用的防爆柴油機(jī),其尾氣排放多為國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn),加之進(jìn)行了防爆處理,對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),排放比原機(jī)更差,甚至都達(dá)不到國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。

防爆柴油機(jī)在煤礦井下工作時(shí)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?xì)浠衔铩⒍趸肌⒍趸颉⒓兹┑?其中,氮氧化物、顆粒物、一氧化碳、碳?xì)浠衔镎冀^大部分。一氧化碳對(duì)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(jī)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(jī)在煤礦井下工作時(shí)尾氣的生成原因和機(jī)理,研究新技術(shù)來控制并降低防爆柴油機(jī)尾氣的排放,避免有害成分對(duì)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(jī)尾氣排放影響因素

柴油機(jī)相較于其它動(dòng)力源,具有可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、熱效率高、功率大等特點(diǎn),因此在裝載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、發(fā)電機(jī)等大部分機(jī)械行業(yè)中都有應(yīng)用。柴油機(jī)自身的缺點(diǎn)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(jī)的主要缺點(diǎn)是工作時(shí)排出的尾氣中含有很多對(duì)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?xì)浠衔锏取?/p>

根據(jù)柴油機(jī)排出尾氣中有害成分產(chǎn)生的機(jī)理,可以從燃燒、油品、后處理三個(gè)方面進(jìn)行研究,以達(dá)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(jī)內(nèi)部燃燒效率和采用后處理技術(shù)來降低柴油機(jī)的排放[7-8]。

2.1 柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(1) 采用優(yōu)化燃燒技術(shù)。柴油機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)還可以增大進(jìn)氣量,從而提高柴油機(jī)的功率和扭矩。當(dāng)進(jìn)氣增壓度較高時(shí),可以采用增壓中冷技術(shù)來降低進(jìn)氣溫度,從而降低氮氧化物的排放,同時(shí)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(jī)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(xiàng)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(jī)上應(yīng)用。廢氣再循環(huán)中,循環(huán)廢氣可以使柴油機(jī)工作時(shí)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(diǎn)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(shí)間。因此,為了降低柴油機(jī)尾氣中的有害氣體,需要根據(jù)柴油機(jī)實(shí)時(shí)工作情況精準(zhǔn)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(shí)可變、噴油時(shí)間精確的優(yōu)點(diǎn),目前大部分柴油機(jī)都采用了電控化技術(shù)。低負(fù)荷時(shí),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(jī)工作在高負(fù)荷工況時(shí),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(shí)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(shí)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(jī)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(duì)電控防爆柴油機(jī)的研究已經(jīng)有了一定的進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)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?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衔锏某墒炜尚蟹桨浮?/p>

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(duì)尾氣排放中的顆粒物進(jìn)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(diǎn)。一種是壁流式微粒捕集過濾器,優(yōu)點(diǎn)是吸附和過濾尾氣中微粒的效果明顯,缺點(diǎn)是使用過程中容易被堵塞,會(huì)縮短使用壽命,通過使用被動(dòng)再生和主動(dòng)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(huì)有太大影響。

選擇性催化還原技術(shù)是一種機(jī)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(jī)排氣中有害的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氮?dú)夂退?/p>

3 防爆柴油機(jī)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(jìn),無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)取得了長足的發(fā)展。防爆柴油機(jī)是無軌膠輪車的主要?jiǎng)恿υ?減少防爆柴油機(jī)污染物排放已成為無軌輔助運(yùn)輸車輛繼續(xù)發(fā)展的先決條件。根據(jù)防爆柴油機(jī)的防爆要求,結(jié)合地面柴油機(jī)控制排放污染物的可行性技術(shù),以機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)MT 220—1990《煤礦用防爆柴油機(jī)械排氣中一氧化碳、氮氧化物檢驗(yàn)規(guī)范》和MT 990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》的要求,通過試驗(yàn)研究各裝置對(duì)防爆柴油機(jī)的影響,分析排放處理能力,以及動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(jì)防爆柴油機(jī)外部廢氣再循環(huán)系統(tǒng),研究再循環(huán)廢氣的實(shí)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(jìn)氣管,使廢氣與新鮮空氣在進(jìn)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(dòng)機(jī)排放。防爆柴油機(jī)因?yàn)榉辣阅芤?在進(jìn)排氣系統(tǒng)加裝防爆系統(tǒng)后,會(huì)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(shí)因?yàn)榕艢庾枇υ龃?壓力減小而難以順利導(dǎo)入進(jìn)氣管。所以,防爆柴油機(jī)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(jìn)氣系統(tǒng)后,進(jìn)氣混合氣溫度升高,新鮮空氣被稀釋,同時(shí)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(jī)的燃燒過程,進(jìn)而對(duì)防爆柴油機(jī)的性能和排放產(chǎn)生影響。若廢氣再循環(huán)率過高,會(huì)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(yán)重,從而導(dǎo)致燃燒惡化,動(dòng)力性大幅降低。可見,廢氣再循環(huán)系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需與防爆柴油機(jī)的增壓器進(jìn)行匹配優(yōu)化。在滿足防爆性要求時(shí),需要在原機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等得到保證的基礎(chǔ)上,盡可能提高廢氣再循環(huán)率,實(shí)現(xiàn)對(duì)防爆柴油機(jī)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(jī)排氣中的碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?以及微粒中的可溶性有機(jī)成分能與排氣中的氧氣在較低的溫度下進(jìn)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(jī)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(jì)優(yōu)化,進(jìn)行柴油機(jī)性能試驗(yàn),研究氧化催化轉(zhuǎn)化器對(duì)柴油機(jī)排放性能及動(dòng)力性能的影響,使通過氧化催化轉(zhuǎn)化器的柴動(dòng)機(jī)廢氣溫度在正常工作時(shí)能達(dá)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(jì)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(jī)尾氣中的顆粒物得到凈化。地面用柴油機(jī)無最高表面溫度要求,捕集的顆粒依靠柴油機(jī)排氣溫度將顆粒物燃燒,保證排氣順暢。防爆柴油機(jī)在正常工作時(shí),由于對(duì)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(shí)間內(nèi)堵塞。通過對(duì)顆粒捕集過濾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化,進(jìn)行柴油機(jī)性能試驗(yàn),研究顆粒捕集過濾器對(duì)柴油機(jī)排放性能及動(dòng)力性能的影響,實(shí)現(xiàn)顆粒捕集過濾器在防爆柴油機(jī)上的合理應(yīng)用。

4 結(jié)束語

筆者對(duì)防爆柴油機(jī)尾氣控制技術(shù)進(jìn)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(jī)中應(yīng)用后,可有效降低防爆柴油機(jī)的排放。考慮到煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中所有外露表面溫度均不得高于150 ℃的防爆要求,需要對(duì)廢氣再循環(huán)、氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集過濾器進(jìn)行優(yōu)化。

因所配柴油機(jī)不同,排氣流量不同,還需要對(duì)氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集過濾器與整機(jī)進(jìn)行匹配,以保證后處理裝置對(duì)防爆柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等的影響最小。