防爆柴油机尾气控制技术研究*

2022-01-04晓1华2

装备机械 2021年4期

□ 王晓1 □ 黄华2

1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司太原 030006 2.山西工程职业学院太原 030006

1 无轨辅助运输概况

在煤矿井下运输系统中,无轨辅助运输是越来越重要的组成部分,其优点是运输方式灵活机动,运输时间短、速度快、动力强劲。随着煤炭工业的跨越式发展,辅助运输设备种类和数量不断增加,许多现代化矿井都引进了无轨辅助运输车辆,包括防爆人员运输车、防爆工程车、防爆支架运输车、防爆洒水车等。目前全国13个省份使用无轨辅助运输车辆的矿井有700余处,使用总量在10 000台以上,日常生产作业车辆达到3 000台以上。就用途而言,煤矿无轨辅助运输车辆占比最大的是材料物料运输车和人员运输车,占全部无轨辅助运输车辆保有量的80%以上[1]。

2 非道路排放分析

在无轨辅助运输车辆中,防爆柴油机以动力性强、经济性好的特点得到广泛应用。防爆柴油机的缺点是排放污染严重,甚至影响运输车辆司机和其他作业人员的身体健康。煤矿井下运输巷道窄,空间小,路况差,通风情况相比路面差很多,以防爆柴油机为动力的无轨辅助运输车辆运行时,防爆柴油机的污染物不易排出,在工作环境中集聚[2-4]。各大煤矿意识到井下环保的重要性,应避免有害排放污染物对井下作业人员身心健康的影响。煤矿行业出台了对井下排放物严格控制的标准,国家煤矿安全监察局于2018年12月底发布《禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录(第四批)》,要求煤矿井下应使用排放达到国Ⅲ及以上标准的防爆柴油机。国家生态环境部于2020年12月底发布HJ 1014—2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》,要求所有生产、进口、销售的柴油机从2022年12月开始排放应符合国Ⅳ标准。

目前,防爆柴油机研究单位及生产厂商通过攻关,提出了符合煤矿井下要求的高效水冷防爆增压器、防爆式电控单体泵组、防爆式电控燃油喷射控制系统等关键技术,所研制的防爆电喷柴油机均达到非道路国Ⅲ标准[5-7]。防爆柴油机污染物排放控制技术要求在国Ⅲ标准的基础上升级为国Ⅳ标准,仅靠以上技术是无法实现的,必须要进行尾气处理方面的研究。笔者对防爆柴油机尾气控制技术进行研究。

3 柴油机污染物减排技术现状

柴油机因功率大、动力强劲、热效率高、经济性良好、可靠性高等优点,在各个机械领域中得到广泛应用。柴油机也有一定的缺点和不足,主要为工作过程中会不断排出颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物、一氧化氮、一氧化硫等有害尾气。由于煤矿井下通风条件比较差,防爆柴油机排出的有害尾气会在巷道或工作面集聚,并且不易排出,严重影响巷道和工作面作业人员的身体健康。柴油机污染物减排技术主要以降低一氧化碳、颗粒物、氮氧化合物排放量为目的。

3.1 氧化催化器

氧化催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法。氧化催化器降低碳氢化合物、一氧化碳排放量,生成二氧化碳,同时也生成硫酸盐产物,原因是氧化催化器的催化氧化性能。所以在设计符合煤矿井下要求的氧化催化器时,需要选择适合的催化剂,一般选择对二氧化硫氧化率很低而对一氧化碳、硫化物、碳氢化合物转化效率高的催化剂。排气温度和含硫量是影响氧化催化器转化效率的两个主要因素,较高的柴油机尾气温度可以提高一氧化碳、碳氢化合物等排放物的转化效率,满足氧化催化器的起燃温度要求。

3.2 颗粒捕捉器

颗粒捕捉器是目前应用于柴油发动机处理颗粒物的主要装置与措施,工作原理是通过物理方法对尾气中的颗粒物进行过滤。目前颗粒捕捉器主要有两种,分别是壁流式过滤和部分流式过滤。壁流式过滤的过滤效果较好,能够过滤掉尾气中的绝大部分微粒,但寿命相对有限,应用于工况较差的车辆,过滤器很快会被堵死,需要用电加热或喷油燃烧的方法进行强制再生,否则过滤器可能产生过热烧毁现象。部分流式过滤不能过滤所有尾气,过滤效果较差,但堵死失去过滤能力之后,不会对车辆行驶产生较大影响。

3.3 废气再循环

废气再循环的工作过程是将发动机排出的尾气中一小部分废气引流到进气管中,与进气管中的新鲜空气混合,生成的混合气体再进入发动机缸内参与燃烧。

废气再循环主要包括外部废气再循环、内部废气再循环、内外混合废气再循环等。内部废气再循环的工作原理是增大进气门的开启角,减小排气门的关闭角,即增大两个气门的重叠角,使上一个循环的废气参与下一个循环的进气,进而实现废气循环。也可通过增大排气背压来增加发动机缸内的残留废气,来实现废气再循环,但残余的废气会降低发动机缸内的进气量,减缓进气的流入,造成发动机功率降低和燃油消耗率提高。内部废气再循环一般不可以调节,因此目前在市场上很少见。

外部废气再循环的工作原理是将发动机排气岐管中废气的一小部分通过气管流入进气歧管,与进气混合成混合气体,进入燃烧室参与燃烧。外部废气再循环按照驱动方式可以分为电控式废气再循环和真空驱动废气再循环,目前电控式废气再循环因控制简单、操作灵活、反应灵敏等优点应用较广。

4 防爆柴油机污染物减排技术研究

4.1 废气再循环清洁燃烧技术

笔者研究废气再循环的实现方式、冷却形式、控制方式、安装位置、瞬态响应。防爆废气再循环通过水冷防爆式双层管路内层将排出废气的一部分引流入进气系统的进气管路,与进气充分混合,混合后的气体进入缸内参与燃烧。通过废气再循环双层管路中的外层和防爆废气再循环冷却器来共同降低引流废气的温度,使废气再循环装置的表面温度满足MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》[8],同时降低缸内燃烧室的燃烧温度,从而减小防爆柴油机氮氧化合物的排放量。防爆柴油机因为防爆性的要求,进、排气系统在加装防爆系统后,给高温废气再循环的废气从水冷式排气波纹管中引出带来困难,同时由于排气阻力增大,压力降低,废气难以顺利导入进气管。由此可见,防爆柴油机外部废气再循环的结构设计及优化对废气再循环的应用起很大作用。

4.2 循环废气控制策略

废气再循环会降低防爆柴油机的性能,并改变废气的排放量。主要原因是循环废气和进气系统的新鲜空气混合,提高进气温度,降低进气量,导致缸内残留废气因数增大,使防爆柴油机的燃烧过程受到很大影响。极端的情况是,过高的废气再循环率会造成发动机缸内空燃比较小,缸内燃烧室严重缺氧,燃烧过程不充分或燃烧环境严重恶化,发动机输出功率和扭矩下降严重。因此,防爆废气再循环需与防爆柴油机整机进行匹配优化后再应用[9]。匹配过程不但要考虑发动机的防爆性,而且要在尽量不降低发动机功率、扭矩,不恶化燃油经济性的前提下尽最大可能提高废气再循环率,从而达到防爆柴油机污染物有效减排的目的。

4.3 基于贵金属的低温氧化催化技术

氧化催化器是在多孔状的金属载体或陶瓷载体上涂覆一定量贵金属催化剂的氧化催化转化装置,工作原理是在较低的温度条件下使废气中的微颗粒、一氧化碳、碳氢化合物等与氧气实现氧化反应,转化为二氧化碳和水。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 ℃,导致氧化催化器的转化效率降低。对氧化催化转化装置的防爆结构进行设计优化,并进行柴油机性能试验,研究氧化催化转化装置对柴油机排放性能及动力性能的影响,进而使氧化催化器的温度在正常工作时达到氧化催化器的起燃温度,减少一氧化碳等排放污染物。

4.4 防爆式颗粒捕捉器捕捉技术

颗粒捕捉器使用耐高温且具有过滤能力的特定材料做成多孔结构过滤体,当发动机废气中的颗粒物流过颗粒捕捉器时,被内部的过滤体所捕捉,达到减少废气中颗粒物的目的。这一技术是当前特别有效且应用最广的发动机废气颗粒物处理技术。地面用柴油机没有最高表面温度要求,捕捉的颗粒依靠柴油机的排气温度可以燃烧,保证排气顺畅。防爆柴油机在正常工作时,排气管有冷却的要求,使排气温度较低,颗粒附着在多孔结构过滤体上,可能在短时间内造成颗粒捕捉器堵塞[10]。通过对颗粒捕捉器的防爆结构进行设计及优化,并进行柴油机性能试验,研究颗粒捕捉器对柴油机排放性能及动力性能的影响,使在符合煤矿标准的前提下颗粒捕捉器的颗粒捕捉效率满足井下防爆车辆的使用要求。

5 应用方案

目前地面车辆柴油机大部分采用氧化催化器、废气再循环、颗粒捕捉器等污染物减排技术,均较为成熟。煤矿井下无轨辅助运输车辆和地面车辆所用柴油机的后处理存在三方面较大区别。第一,地面车辆尾气后处理为非防爆式,煤矿井下尾气后处理采用防爆尾气后处理装置,两者的起燃条件、反应温度条件等均不相同,装置的部分材料也不相同。第二,地面车辆尾气后处理控制技术仅涉及电气控制方法,煤矿井下为满足煤矿柴油机的防爆要求和使用条件,需要采用电、液、气协调控制方法进行尾气后处理控制。第三,目前的后处理装置均是与道路用柴油机进行匹配,而无人研究符合煤矿标准的防爆式尾气后处理装置与防爆柴油机整机的性能匹配技术。

某型非道路国Ⅲ标准排放的防爆柴油机如图1所示,某型非道路国Ⅳ标准排放的防爆柴油机如图2所示。通过图1和图2对比可以发现,非道路国Ⅲ标准排放的防爆柴油机升级至国Ⅳ标准需要加装符合MT 990—2006要求的氧化催化器、颗粒捕捉器、废气再循环等尾气后处理装置,安装顺序为防爆柴油机水冷排气岐管、防爆废气再循环、防爆氧化催化器、防爆颗粒捕捉器,这样可以优先保证废气再循环的废气引入的温度,然后保证氧化催化器的起燃温度。防爆废气再循环还需要加装电源控制箱和隔爆电子控制单元。