柴油機燃用生物柴油的氮氧化物排放特性

王博(天津濱海博泰海事工程技術有限公司 天津 300451)

一、前言

在柴油機的排放過程中，氮氧化物無疑是占據主體地位的污染物。隨著人們對環境問題的關注，人們加大了對該問題的研究力度。而生物柴油作為一種良好的替代品，在使用后，氮氧化物的排放量會大幅度提高。因此筆者對這個問題展開研究。

二、生物柴油的特點分析

1.生物柴油具有良好的環保性能

環境保護是我國的基本國策之一，生物柴油的良好環保性能滿足我國可持續發展的大方向。生物柴油與其他的柴油相比，其中的硫的成份較少。現階段在石油能源的使用過程中，脫硫問題是一個十分重要的難題，與此同時石油能源的使用會產生酸雨，酸雨對生態環境造成了巨大傷害。所以，生物柴油的使用可以減少酸雨，創造良好的環境，為人類提供良好的居住環境。

2.生物柴油具有良好的可再生性

生物柴油是一種可再生資源，并且來源于植物，通過光合作用而生成這種化學能源，所以是一種可再生能源，供應量能夠得到很好的保障。

三、船舶柴油機NOx的生成機理

在船舶柴油機燃燒的整個過程中，會產生大量的化合物，其中氮氧化合物被稱為氮氧化合物，主要包括NO、N2O4、N2O、NO2等，在這些氣體中，所占比例最大的為NO，其次是NO2，剩余氣體的所占比例相對較少。NO2是NO中部分地再與剩余的氧氣反應后生成的。通常認為NO是在火焰前鋒和火焰后的已燃區產生的。現常用擴展的捷爾杜維奇鏈反應機理來解釋NO生成:

氧的高溫離解:O2—2O(1)

NO生成開始:O+N2—NO+N(2)

N+O2—NO+O(3)

N+OH—NO+H（4）

當溫度很高時，O2受高溫的作用分解，發生直鏈反應，從分子結構的角度來說，O2分子與N2分子相比，O2分子比較容易，但是N2分子的分解就比較困難。在上述的幾個反應式中，（2）、（3）反應式對溫度的要求很高，所以NO很大程度上受到溫度的影響。其中（4）受到反應物濃度的影響，在筆者的論述中暫時不考慮此反映。

筆者結合自己的經驗和一些柴油機的燃燒情況，得出了如下結論，氮氧化物的生成受很多因素影響，在以往的氮氧化物生成控制過程中，主要考慮從溫度，噴油提前角等角度出發，下圖為與噴油提前角有關的變化曲線。

圖1、不同噴油提前角時NOx隨負荷變化曲線

四、影響NOx排放的主要因素分析

對于柴油機的燃燒過程而言，NOX的生成和排放量受到了多種因素的影響，其中包括氧氣的濃度，燃燒的時間、燃燒的溫度、噴油提前角等幾個主要的因素。而對于不同的柴油機而言，這些因素又存在差異，這主要是由于不同柴油機的參數不同，例如排氣系統的具體參數，柴油機的工作狀況，系統的參數等等。簡單而言，柴油機的整體構造，使用狀況，具體的功能，工作的具體環境等都會對NOX的排放產生影響。下面筆者就幾個因素簡單分析。

1.進氣溫度

進氣溫度的高低一方面取決于環境溫度，另一方面也取決于增壓空氣中間冷卻器的冷卻度。降低進氣溫度，意味著壓縮終了時的溫度的降低，從而也抑制了燃燒溫度的升高，有利于抑制NOx的生成率。因此采用高換熱性能中冷器，增大冷卻度，對減少NOx的排放有益。船用柴油機，由于其燃油在氣缸內的燃燒主要是非均相擴散燃燒，為了保證完全燃燒和降低氣缸熱負荷的目的，通常其過量空氣系數均很大，一般在1.1～.23之間，從而空燃比較大，燃燒室內富余的氧量大，有促進NOx生成的趨勢，但這又與柴油機的負荷有關。

取不同負荷下（100%，75%，50%，25%），100%轉速時，溫度從0℃到35℃變化時的柴油機NOx排放結果進行分析。得出以下結論：

柴油機的NOx排放負荷有關，在高負荷時，NOx的排放與溫度成正關系，溫度升高則排放量升高。而在低負荷下，進氣溫度的改變基本對NOx的排放無明顯影響。

2.供油提前角影響

供油提前角是指在壓縮行程中，噴油泵開始供油的瞬時到活塞上止點的曲柄轉角;噴油提前角是指在壓縮行程中，噴油器開始噴油的瞬時一到活塞上止點的曲柄轉角。

在柴油機的實際工作過程中，可以把上述兩種情況下的曲柄的轉角都歸結為噴油提前角。噴油的時間和噴油提前角有很大關系，并且會影響預混合油量，例如，當噴油提前角較大時，柴油機汽缸內的混合油量較大，在燃燒過程中，溫度會急速加大，氮氧化物的生成會增大，排放會增多。

五、控制船舶柴油機NOx排放技術

綜合上文筆者對船舶柴油機氮氧生成的過程以及排放影響因素的分析，筆者做出如下總結：對于船舶柴油機來說，影響其氮氧排放的主要因素有進氣溫度，空氣與燃油的混合情況，燃燒整個過程的時間長短等。要想做好對氮氧化物排放的控制，可以從氮氧化物本身的化學性質以及其生成原理這兩個方面入手，下面筆者進行簡單的介紹說明。

通常情況下，我們把船舶柴油機的氮氧化物排放的控制方式非為機外凈化技術和機內凈化技術兩種。而結合筆者多年的工作經驗可知，其中SCR是一種現階段運用比較廣泛并且相對而言比較成熟的技術。

首先，對其中的摻水技術進行簡單的介紹。摻水技術的主要原理是通過摻水來降低燃燒過程中的溫度，通過改變環境溫度來減少氮氧化物的生成量，效果比較顯著。但是摻水方法有一個比較大的劣勢，在這個技術使用的過程中，需要對船舶柴油機的發動機做出比較大的改動，對資金的需求比較大，需要的輔助設備比較多。相對而言，很多企業比較愿意采用控制燃燒法。通常而言，燃燒的整個過程是決定氮氧化合物生成的關鍵所在，一般可以通過改進燃燒室等技術來對該過程進行控制，從而減少氮氧化合物的排放。

采用新型燃燒室可使得進氣形成渦流或強渦流，邊、角等部位組織形成微渦流，促進燃油與空氣均勻迅速的混合，燃燒更充分且燃燒持續期短。因此可適當調整延遲噴油，縮短燃燒過程的時間，可以在保證燃油消耗量變化不大的情況下，降低最高燃燒溫度，從而降低NOX的排放。

為了保證在燃燒過程中燃油能夠與空氣進行最大程度的混合和接觸，可以改變噴嘴的結構，改變噴射壓力。通過上述方法能夠確保噴霧的細度，以此來促進燃燒的速度。通過提高混合的均勻程度以及提高噴霧的細度可以確保燃油的充分壓縮，當溫度不斷增高時，可以減少滯燃期，這樣比較容易燃燒，當燃油的噴入量很少時，燃燒溫度也會隨之降低，以此來降低氮氧化物的生成。

結束語

使用生物柴油除了可以達到環境保護的效果之外，其經濟性也非常好。通過筆者的分析研究可知，可以使用生物柴油和普通柴油進行合理配比，但是要明確的是，雖然可以通過改變配合比改變氮氧化物的排放量，但是并不能影響排放的規律。

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