□ 王 晓

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 太原 030006

1 研究背景

当前,现代化综采设备、综掘设备,以及大型高效露天剥、采、运、支成套设备在大中型煤矿中被大量使用,采用高效的无轨辅助运输装备已经成为现代化矿井的一种主流运输方式。煤矿井下使用的辅助运输车辆越来越多,而煤矿井下通风条件有限,井下防爆车辆排放的尾气难以及时排出,造成防爆柴油机车对井下巷道环境严重污染,并严重影响井下作业人员的身体健康,与创建生态矿山,走绿色低碳、安全高效的发展道路相违背。由此,业内对无轨辅助运输车辆动力源——防爆柴油机的尾气排放提出了更高的要求[1-3]。

目前,我国煤矿井下用防爆柴油机已开始实施国Ⅲ标准,对防爆柴油机排放要求比以前更加严格。但实际情况是,井下使用的防爆柴油机,其尾气排放多为国Ⅱ标准,加之进行了防爆处理,对进排气系统进行了重新设计,排放比原机更差,甚至都达不到国Ⅱ标准。

防爆柴油机在煤矿井下工作时排放出的有害气体及污染物主要包括氮氧化物、颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物、二氧化碳、二氧化硫、甲醛等,其中,氮氧化物、颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物占绝大部分。一氧化碳对煤矿井下工作人员的危害极大,容易造成人员中毒。一氧化碳由防爆柴油机不充分燃烧产生,浓度越高,危害越大。氮氧化物排放易造成光化学烟雾,刺激人眼和呼吸道。煤矿安全规程要求,矿井中氮氧化物最高允许浓度为0.000 25%。由此可见,通过分析防爆柴油机在煤矿井下工作时尾气的生成原因和机理,研究新技术来控制并降低防爆柴油机尾气的排放,避免有害成分对煤矿井下环境的污染,具有十分重要的意义[4-6]。

2 柴油机尾气排放影响因素

柴油机相较于其它动力源,具有可靠性高、经济性好、热效率高、功率大等特点,因此在装载机、运输机、发电机等大部分机械行业中都有应用。柴油机自身的缺点导致应用具有局限性,在煤矿井下这一问题尤其突出。柴油机的主要缺点是工作时排出的尾气中含有很多对环境和人体有害的成分,如二氧化硫、一氧化碳、颗粒物、一氧化氮、碳氢化合物等。

根据柴油机排出尾气中有害成分产生的机理,可以从燃烧、油品、后处理三个方面进行研究,以达到控制和降低有害成分排放的目的。油品即油的品质,很难有质的变化,目前主流方法都是通过提高柴油机内部燃烧效率和采用后处理技术来降低柴油机的排放[7-8]。

2.1 柴油机内部结构

(1) 采用优化燃烧技术。柴油机产生有害气体的主要原因是燃油和氧气的配比不合理,燃烧室的结构不利于燃烧。因此，降低有害气体排放最根本、有效的方法是改进燃烧室结构,采用合理配比的燃油和氧气,改善油气混合物的燃烧。

(2) 采用增压中冷技术。在普通柴油机的基础上增加增压中冷装置,是降低排放的有效手段之一,同时还可以增大进气量,从而提高柴油机的功率和扭矩。当进气增压度较高时,可以采用增压中冷技术来降低进气温度,从而降低氮氧化物的排放,同时减少碳烟生成量。

(3) 采用废气再循环措施。氮氧化物是柴油机排出尾气中的主要成分,产生的主要原因是缸内高温富氧环境。废气再循环技术是一项可以显著降低氮氧化物排放的技术,目前已在多种柴油机上应用。废气再循环中,循环废气可以使柴油机工作时燃烧室内混合气体的燃烧温度降低,降低参与燃烧的氧气的浓度,由此遏制氮氧化物的生成。废气再循环技术的缺点是使炭烟排放增加,主要原因是延长了燃烧室内的燃烧时间。因此,为了降低柴油机尾气中的有害气体,需要根据柴油机实时工作情况精准控制废气再循环的废气量。

(4) 应用电控技术。电控燃油喷射技术具有喷油定时可变、喷油时间精确的优点,目前大部分柴油机都采用了电控化技术。低负荷时,喷油提前,通过选择凸轮速度可减少颗粒,还可通过低喷油率造成的预混合燃烧减少氮氧化物的排放。柴油机工作在高负荷工况时,可以通过调节凸轮速度来延迟喷油,从而使氮氧化物的排放降低,同时增大喷油压力,使颗粒物的排放降低。由此可见,电控技术可以使氮氧化物和颗粒物的排放同时得到降低。但是,煤矿井下防爆环境的特殊性限制了电控防爆柴油机的应用,只有将电控技术与防爆技术相结合,提高电控技术在煤矿井下的安全性,才能使电控技术在煤矿井下得到大范围应用。目前,国内外对电控防爆柴油机的研究已经有了一定的进展。

2.2 燃油品质

采用不同品质的燃油,有害气体的排放量不相同。由于燃油含有氮、硫等成分,因此降低这些成分的含量可以有效降低柴油机中有害气体的排放量。在燃油中加入一种能和碳分子结合发生反应的助燃剂,可以显著降低碳烟排放。这种助燃剂就是俗称的添加剂。目前柴油机多使用含锰化合物添加剂,研究表明能明显降低碳烟排放的还有含铜、钴、镍、铁等元素的金属有机化合物。

2.3 后处理技术

近年来,选择性催化还原技术、微粒捕集过滤器、氧化催化转化器已经成为减少柴油发动机尾气中有害成分的三种主要后处理技术。

氧化催化转化器使用化学催化方法,将排放物中的一氧化碳、碳氢化合物变为水和二氧化碳,是目前路面车辆柴油机处理一氧化碳和碳氢化合物的成熟可行方案。

采用微粒捕集过滤器是目前处理颗粒物最清洁环保的方法,原理是对尾气排放中的颗粒物进行吸附和过滤。目前微粒捕集过滤器主要有两种,各有优缺点。一种是壁流式微粒捕集过滤器,优点是吸附和过滤尾气中微粒的效果明显,缺点是使用过程中容易被堵塞,会缩短使用寿命,通过使用被动再生和主动再生技术可以解决这一缺陷。另一种是部分流式微粒捕集过滤器,这种过滤器虽然过滤能力差,但是在工作条件差的环境中即使被堵塞,也不会有太大影响。

选择性催化还原技术是一种机外净化技术,工作原理是以尿素加水分解的氨气为还原剂,在催化剂作用下与柴油机排气中有害的氮氧化物发生化学反应,生成氮气和水。

3 防爆柴油机尾气排放关键技术

随着现代煤矿高效集约开采技术的推进,无轨辅助运输系统取得了长足的发展。防爆柴油机是无轨胶轮车的主要动力源,减少防爆柴油机污染物排放已成为无轨辅助运输车辆继续发展的先决条件。根据防爆柴油机的防爆要求,结合地面柴油机控制排放污染物的可行性技术,以机内净化与排气后处理互相配合为原则,在电喷防爆柴油机的基础上开展废气再循环、氧化催化转化器、微粒捕集过滤器等尾气排放关键技术的应用是可行的。根据煤炭行业标准MT 220—1990《煤矿用防爆柴油机械排气中一氧化碳、氮氧化物检验规范》和MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》的要求,通过试验研究各装置对防爆柴油机的影响,分析排放处理能力,以及动力性、经济性,可以有效解决目前煤矿井下尾气排放污染的问题[9-10]。

3.1 外置式废气再循环系统

设计防爆柴油机外部废气再循环系统,研究再循环废气的实现方式、冷却形式、控制方式、安装位置和瞬态响应。外置式废气再循环利用专门的废气再循环管道,将废气引入进气管,使废气与新鲜空气在进入气缸前充分混合。通过在废气再循环管道中加装废气再循环冷却器,降低废气温度,从而有效降低燃烧温度,在更大程度上控制发动机排放。防爆柴油机因为防爆性能要求,在进排气系统加装防爆系统后,会给高温循环废气从水冷式排气波纹管中引出带来困难,同时因为排气阻力增大,压力减小而难以顺利导入进气管。所以,防爆柴油机应用外置式废气再循环系统具有很大的作用。

高温废气导入进气系统后,进气混合气温度升高,新鲜空气被稀释,同时混合气的定压比热容增大,气缸内残余废气含量提高,直接影响防爆柴油机的燃烧过程,进而对防爆柴油机的性能和排放产生影响。若废气再循环率过高,会使燃烧室内空气燃油混合比迅速降低,缸内缺氧情况严重,从而导致燃烧恶化,动力性大幅降低。可见,废气再循环系统在应用时需与防爆柴油机的增压器进行匹配优化。在满足防爆性要求时,需要在原机动力性、燃油经济性等得到保证的基础上,尽可能提高废气再循环率,实现对防爆柴油机排放有效控制的目的。

3.2 氧化催化转化器优化

氧化催化转化器在陶瓷载体或金属载体上涂覆贵金属催化剂,使柴油机排气中的碳氢化合物、一氧化碳,以及微粒中的可溶性有机成分能与排气中的氧气在较低的温度下进行氧化反应,生成二氧化碳和水。由于氧化催化反应所需的排气温度较高,而防爆柴油机要求所有表面温度均不得高于150 ℃,由此导致氧化催化转化器的转化效率降低。通过氧化催化转化器防爆结构的设计优化,进行柴油机性能试验,研究氧化催化转化器对柴油机排放性能及动力性能的影响,使通过氧化催化转化器的柴动机废气温度在正常工作时能达到一氧化碳氧化反应温度,生成二氧化碳,从而降低污染物排放。

3.3 颗粒捕集过滤器优化

目前最环保、最有效的颗粒物后处理技术是采用特定的耐高温过滤材料设计制成具有过滤效果的过滤体,这种具有特定结构的过滤体即为颗粒捕集过滤器,可以使柴油机尾气中的颗粒物得到净化。地面用柴油机无最高表面温度要求,捕集的颗粒依靠柴油机排气温度将颗粒物燃烧,保证排气顺畅。防爆柴油机在正常工作时,由于对排气管冷却的要求,排气温度较低,颗粒物附着在过滤体上,不能通过燃烧再生,使颗粒捕集过滤器在短时间内堵塞。通过对颗粒捕集过滤器进行结构设计及优化,进行柴油机性能试验,研究颗粒捕集过滤器对柴油机排放性能及动力性能的影响,实现颗粒捕集过滤器在防爆柴油机上的合理应用。

4 结束语

笔者对防爆柴油机尾气控制技术进行了研究。废气再循环、氧化催化转化器、微粒捕集过滤器等技术在防爆柴油机中应用后,可有效降低防爆柴油机的排放。考虑到煤炭行业标准中所有外露表面温度均不得高于150 ℃的防爆要求,需要对废气再循环、氧化催化转化器、微粒捕集过滤器进行优化。

因所配柴油机不同,排气流量不同,还需要对氧化催化转化器、微粒捕集过滤器与整机进行匹配,以保证后处理装置对防爆柴油机动力性、经济性等的影响最小。