柴油机烟气排放状况及减排技术

柴油机烟气排放状况及减排技术

苏杭

广西玉柴机器股份有限 公司广西玉林市537000

摘要：在改革开放的新时期，社会主义经济发展十分迅速，基于柴油机烟气中NOX、SOX等有害成份的排放控制要求，文章对这些要求以及目前正在研发和应用的技术进行了归纳和分析。SCR和EGR是2种有效降低柴油机氮化物的手段，根据柴油机的功率大小来选取SCR或EGR能有效平衡投资金额和解决机舱的安装问题。安装脱硫装置将受到低硫燃油价格的影响，从长远看，燃用低硫燃油和各种清洁燃料将是今后的发展趋势。

关键词：柴油机；烟气；排放控制

引言

柴油机在日常使用过程中,可根据其排烟颜色的变化来进行故障判断,从而做到及时维修,以减少经济损失,提高柴油机的经济性和可靠性,也降低了对大气造成的污染。现就柴油机的五种异常的排气现象产生原因进行分析。

1柴油机排气冒烟及有害废气成分的形成

柴油机废气中碳烟的形成一般认为是燃油在高温缺氧的情况下进行燃烧,致使燃烧中间产物C-C,C-H裂化聚合成碳粒,这些碳粒氧化速度较慢,抑制燃烧过程进行,使燃烧时间拖长。如果空气不足或混合不好,则碳粒不能燃烧而聚合成碳烟,或附于气缸内壁,或随废气排入大气,形成柴油机特有的黑烟现象。碳烟出现不仅说明燃烧不完全,柴油机经济性降低,同时,碳粒附于燃烧室内壁成为有害沉淀物,引起活塞环卡住、气阀咬死等故障。凡是能改善混合气形成的措施都能减少碳烟形成,如增加过量空气系数、组织合适的空气涡流运动和改善喷雾质量等。除碳黑外,柴油机有时还可以产生蓝烟和白烟,一般蓝、白烟是在寒冷的冬季或在刚启动的柴油机及惰转或低负荷时发生。此时,缸内温度低,着火性能不好,燃油不能完全燃烧。由这些未燃烧或部分氧化燃料液滴与水蒸气构成的微粒,随废气排出而形成蓝烟或白烟。柴油机废气中的氮氧化合物NOX(主要是NO)、各种碳氢化合物HC以及CO,SO2等均有害人体、污染大气。NOx的质量浓度最大,是柴油机中主要有害成分,它与其他废气成分不同,NOx不是来自燃油,而是空气在燃烧室高温条件下,由氧和氮的反应所形成。N2+O=NO+N,O2+N=NO+O。其生成量决定于反应物N2,O2,O,N的质量浓度和反应进行时的温度(主要由火焰高峰温度决定)以及反应进行时间的长短(主要由燃烧室高温持续的时间决定)。因此,为降低NO产生量就必须降低火焰高峰温度、缩短空气在高温停留时间、减少过量空气系数等。HC主要来自未燃的燃料,裂解反应的碳氢化合物以及少量氧化反应的中间产物(醛、酮等),它们是由于混合气形成不良,燃烧组织不完善,窜机油等原因引起。CO是燃油不完全燃烧时产生的,主要在局部缺氧或低温下形成。因此,只有保证柴油机在高负荷时不冒黑烟、怠速和低负荷时不冒蓝烟和白烟、废气毒性小(即NOX,CO,HC质量分数小)的状态下,排气品质才会好。

2柴油机烟气排放状况及减排技术

2.1废气再循环

废气再循环（EGR Exhaust Gas Recirculation）则是利用30%～40%的废气经EGR系统冷却及洗涤后，重新循环至扫气集管中。此循环过程可有效降低扫气中的氧气浓度，氧浓度的减少可降低燃烧速率，从而降低燃烧温度的峰值，进而减少氮氧化物的生成。因EGR能够有效降低NOX排放，在车用柴油机上已得到广泛应用，并成为满足Tier III标准的主要技术之一。洗涤系统及洗涤水处理系统对于EGR而言至关重要，既要保证洗涤水的干净程度和稳定的Ph值，又要保证排出舷外的洗涤水符合国际排放标准，以减小洗涤水舱柜的容积。EGR系统由柴油机排气总管引出一支路将废气送入湿式洗涤装置，废气中的SO₂、SO₃由洗涤水中的NaOH中和生成Na₂SO₄，同时，洗涤水还可带走烟气中的颗粒物；再经水汽分离器后进入扫气总管。废气与扫气的压差由风机增压进行补偿。

2.2 DOC:氧化型催化器(Diesel Oxidation Catalyst)

作用是净化尾气中的CO和HC。DOC整个后处理过程的第一步，DOC一般以金属或陶瓷作为催化剂的载体，涂层中主要活性成分是铂、钯等贵金属与稀土金属，将NO氧化为NO2，提高POC/DPF的入口温度，NO2用来氧化氧化碳颗粒，效率可达40%～50%。在国六系统中，DOC至关重要，主要作用有:①降低HC排放，将尾气中未燃烧HC、润滑油HC氧化为H2O和CO2。②将NO氧化为NO2，NO2将DPF里面的碳颗粒氧化为气态的CO2。③氧化喷入排气管的燃油:氧化柴油放热使DPF温度升高，DPF内碳与氧气反应为CO2。

2.3排放黑烟

该现象是由于燃油燃烧不完全造成的,冒黑烟时常伴有发动机功率下降,排气温度过高,水温过高,从而导致发动机的机件磨损,降低发动机的使用寿命。(1)进气量少。空气滤清器脏,进气管堵塞、排气管堵塞,涡轮增压器压气机壳过脏等都可造成进气困难、进气量减少。(2)各缸供油量不均匀。这就会产生柴油机转速不稳、间断冒黑烟。(3)供油量过多。供油量过多同样会导致相同条件下燃油燃烧不完全,产生黑烟。(4)供油提前角小,供油越早,冒黑烟越严重。(5)汽缸密封性差。配气相位不准导致进排气门关闭不严;缸套、活塞组件磨损严重,活塞环密封不好,缸内气压严重下降,致使柴油不能充分燃烧而冒黑烟。(6)废气涡轮增压器是否起作用。废气轮和增压轮叶片是否损坏以及转动是否灵活。(7)喷油压力过低或喷油器有滴油现象或针阀卡滞;燃油不雾化。(8)燃烧室结构。柴油机混合气的形成和燃烧均在燃烧室中进行,故燃烧室的结构型式直接影响混合气形成的品质和燃烧质量。(9)柴油质量差或牌号有误。配备有多孔喷油器的直喷式燃烧室的进口高速柴油发动机,由于喷油器孔小,精度高,对柴油质量与牌号有较严格的要求,也会造成发动机冒黑烟。(10)柴油机负荷超过规定。(11)气门间隙不正确。(12)涡轮增压器弹力气封环烧损或磨损,涡轮各结合面漏气等。(13)喷油泵校正失准(柱塞有效行程过大),喷油泵自动喷油提前角调整器失灵或喷油泵油量调节螺钉松动。

2.4闭式系统

闭式系统利用氢氧化钠或氢氧化镁溶液中和烟气中的氧化硫成分，运行过程中系统持续监测并调整洗涤液的Ph值，当洗涤液中硫酸盐浓度和浑浊度达到限定值后，系统将一部分废液排出，并通过补水和补液来调整Ph值和硫酸盐浓度，排出的废液经过水处理系统处理达标后排出舷外或存储于零排放柜内。通过烟气水质的监测，系统及时调整洗涤水的供应量，保证烟气和洗涤液达到排放的公约要求。整个系统由海水泵、循环泵、洗涤塔、水处理系统、洗涤液收集柜、零排放柜、水质烟气监测及控制系统等部件组成，比较开式系统，闭式系统较为复杂，投资费用和运行成本较高。但系统的使用不受水域的影响和束缚。

2.5代用燃料的使用

采用代用燃料将是控制柴油机和汽油机排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然气（压缩天然气CNG，液化天然气LNG）、液化石油气（LPG）、甲醇、乙醇、氢燃料及与柴油掺烧的复合燃料等，其中甲醇、天然气、液化石油气被认为是最有前途的清洁能源代用燃料。代用燃料的特点：①天然气汽车成本低，储量丰富，主要以压缩天然气汽车CNG为代表。CNG燃料本身呈气态，不需进行雾化，燃烧充分，尾气中CO含量较低，无排烟，但动力降低10％，携带不便。②甲醇具有辛烷值高、低发热量、低公害和无排烟的特点。但甲醇的十六烷值低，着火性差，需要加装点火装置，冷启动性差，有腐蚀性，并要解决润滑油消耗量大和处理未燃甲醇来降低排放。

结语

SCR和EGR是二种有效降低柴油机氮化物的手段，根据柴油机的功率大小来选取SCR或EGR能有效平衡投资金额和解决机舱的安装问题。船舶安装脱硫装置将受到低硫燃油价格的影响，从长远看燃用低硫燃油和各种清洁燃料将是今后的发展趋势。

参考文献

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