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柴油机的环保排放浅析

王燕斌

中国船舶重工集团公司七五〇试验场试验船队,云南省昆明市,650000

摘要: 柴油机从20世纪发展至今,推动了运输的发展,促进了经济的发展,柴油机的发展为现代工业奠定了重要的作用。近年来,全球环境状况日益恶化,现代工业要进一步发展必须走可持续发展之路,即注重环境保护,减少环境污染。本文通过介绍柴油机燃烧与排放的关系,论述了降低有害物排放的措施,并对柴油机排放提出建议。
关键词: 柴油机;排放;SCR;环保
DOI:10.12721/ccn.2021.157135
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柴油机是将燃料的化学能通过燃烧转化为热能,再将热能通过工质膨胀转化为机械能,目前,越来越多的柴油机在现代工业中发挥重要作用,随着柴油机的发展,环境的保护也越来越不容忽视,柴油机的研究应考虑其对环境的影响,如何实现柴油机技术的节能环保是现代化发展的一个主要方向。

1、柴油机排放控制技术

石油是多种有机化合物组成极为复杂的混合物,基本元素是碳和氢,柴油通过蒸馏、热裂化、催化裂化和加氢裂化等过程提炼出来的混合物。柴油机通过燃烧柴油产生的热能转化为所需的机械能,柴油机在通过燃油系统的雾化喷射到气缸中压燃发火燃烧,在燃烧的过程中燃油雾化的越好,燃烧的越完全,产生的有害物质含量越少,因此,通过改进柴油机的燃烧方式是现有的有效措施之一,目前广泛采用的措施主要有:

⑴、高效增压 + 中冷技术:采用高效增压器配套的柴油机,通过增加柴油机的进气压力与密度增加进气量,在柴油机燃烧时让雾化的柴油充分接触空气使之燃烧的更完全,减少了燃烧不完全产生的CO排放污染;通过中冷技术可使工作循环温度降低,从而起到降低 NO X 排放的作用,通过以上技术也有利于高柴油机功率和效率的进一步提升。高效增压 + 中冷技术相配合,可发挥对中冷水温降低的作用,即使参与燃烧的空气温度降低,使NO X 生成受到抑制,降低了燃烧不完全与NO X 的排放。

⑵、高压喷射方式 :高压喷射对控制排放极为重要,高压喷射采用较常规高得多多的喷射压力,小喷孔直径、较大的燃烧室开口、短的喷油持续期,高压喷射改善了雾化质量,加大了喷油效率,增加了燃油与空气的混合和燃烧速度加快,颗粒排放显著降低,从而改变燃烧排放的污染。

⑶、推迟喷射方式 :增大喷油提前角,这种方法可促使参与预混合燃烧的燃油量的减少,确保初始放热率降低,使燃烧室内的最高燃烧温度降低,最终使 NOx 的生成受到抑制。NOx的生成量减少,但会导致后燃严重,颗粒物增加,排气温度提高,柴油机的热效率下降。因此,如果要采取相应的措施降低氮氧化物的排放时,应综合考虑颗粒物和燃油消耗率的水平是否控制在合理范围内,以上因素应统筹考虑,两者兼顾。

通过上述改进柴油机的燃烧方式可降低柴油机的排放污染,但是柴油是混合物,燃烧产生的二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NO X )、一氧化碳(CO)、碳氢(HC)化合物和颗粒物质(PM)硫氧化合物不可避免的排放于大气中,这些排放物污染大气环境,造成烟雾、酸雨、臭氧层减薄、温室效应等环境问题。因此,在改进燃烧方式的前提下还需要对排放污进一步处理,达到环保要求。

2、以排气后处理为目的的净化控制措施

废气后处理是对排出的废气在进入大气环境前进行处理,使废气中有害成分的含量进一步降低,柴油机废气后处理是对碳烟等微粒的捕集,如水洗法、静电分类法、离心分类法及微粒过滤法,另外通过催化转化(SCR)的方法使NO X还原为N2.

选择性催化还原(SCR): 该系统的工作原理是废气中的NO X在300~400℃的温度下,以氨或尿素作为还原剂,在SCR反应器中将废气中的NO X还原为N2,来达到减少NO X排放的目的,其主要化学反应方程式如下:

4NO+4NH3+O2=4N2=6H20

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

利用催化剂转化法可使柴油机排气中有害的NO X 向氮气及水转化,氮气和水对环境几乎没有影响,从而可以起到减少环境污染、保护环境的作用。该方法中氨气的获取主要采用向排气管中喷射尿素水溶液的方法。

通过SCR法来达到减少NO X排放的目的,但是柴油机燃烧排放中的颗粒物未能得到处理,目前,常用的颗粒过滤器(DPF)进行颗粒捕捉颗粒,减少柴油机颗粒排放到大气中的污染,颗粒过滤器(DPF) 过滤材料主要有泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、编织陶瓷纤维和多孔金属等。其中壁流式蜂窝陶瓷是目前综合性能较好的过滤体,过滤效率可达 90% 以上。颗粒过滤器至今仍未研究出简单可靠的再生技术。

3排放技术的应用

目前,主要应用两条排放控制技术路线,即“优化燃烧 +选择性催化还原”技术路线和“废气再循环 + 颗粒过滤器 / 氧化催化剂”技术路线,在后一技术路线中,“废气再循环 + 颗粒过滤器”技术路线应用更为广泛。

目前我场为响应国家的环保要求,积极参与柴油机尾气净化处理排放,采用催化还原(SCR)与颗粒过滤器(DPF)净化处理方式,催化还原(SCR)与颗粒过滤器(DPF)两者相结合处理排气净化,通过催化反应处理柴油机尾气排放于大气中,响应国家的环保要求。

4柴油机排放控制工作方向的建议

加强对柴油机排放控制的研究工作具有重要的现实意义。 柴油机排放控制的研究工作应注重以下几个方面:①逐步完善柴油机车排放法规,确保柴油机研究工作取得突破性进展的同时减少其对环境的污染。②全面掌握相关信息和数据,综合分析,以制定有针对性的措施加以改进和治理,减少其污染物的排放。③加快研制相应的排放检测设备,完善检测条件。还应当进行天然气发动机的研究,为环境保护贡献力量。

参考文献:

[1]李斌.船舶柴油机[M].大连.大连海事大学出版社,2008.

[2] 廖彦彦 . 柴油发动机尾气后处理技术(SCR)的应用 [J]. 中国新技术新产品 ,2017(04).