大型養路機械柴油機尾氣凈化裝置的研制

李紅利，何國華，高春雷

(1．中國神華軌道機械化維護分公司，天津300457;2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

大型養路機械柴油機尾氣凈化裝置的研制

李紅利1，何國華2，高春雷2

(1．中國神華軌道機械化維護分公司，天津300457;2．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路隧道內有砟道床在進行大型養路機械施工作業時，施工空間小，發動機廢氣濃度高，嚴重危害施工人員的健康及安全。為此研制了適用于大型養路機械的柴油機尾氣凈化裝置。本文介紹了尾氣凈化裝置的工作原理、結構設計，試驗驗證了其使用效果，給出了裝置使用維護方法。

大型養路機械 柴油機 氧化型催化器 隧道施工

1 概述

現有大型養路機械均采用柴油機作為主要動力，功率大，尾氣和噪聲也比較嚴重。大型養路機械作業時采用多種車型混合編組的方式，在局部區域同時開展作業，易導致施工環境發動機廢氣濃度高，危害施工人員的健康。在鐵路隧道尤其是長大隧道內進行作業時，發動機排放的廢氣無法及時擴散，對施工人員的危害尤其嚴重［1］。因此，有必要開發一種適用于大型養路機械大功率柴油機的尾氣凈化裝置。

柴油車尾氣排放主要成分為N2，水蒸氣，O2，CO2，CO，HC，SOx，NOx和PM(微粒)等污染物。

CO是燃料不完全燃燒的產物。柴油機排氣中未燃燒的HC是由原始燃油分子或被分解的燃油分子再化合的中間產物組成，其中一部分來自潤滑油，另一部分主要是由于混合氣的不均勻(局部過濃或過稀)和壁面的冷激效應使缸內的燃料不能燃燒或只能部分燃燒而引起的。SOx是燃料中的S在燃燒后形成的。SOx被排出機外后，易形成酸霧，污染環境。NOx是N2在高溫下燃燒的產物，在內燃機中主要是NO，其次是NO2。NOx可以與某些烴類發生化學反應，是形成酸雨和光化學煙霧的主要物質。HC和NOx在陽光強烈的紫外線照射下，可發生一系列光化學反應，進一步形成臭氧，產生光化學煙霧，使人呼吸困難甚至死亡，并使植物枯黃葉落，使橡膠制品和建筑物迅速老化。PM是除去未化合的水以外所有固態的碳基顆粒物、液態的燃油與潤滑油以及無機物(附聚在碳基顆粒物表面上的SO2，NO2，H2SO3，Pb)的總稱，是由于柴油機燃燒時燃料與空氣混合不均勻造成局部過濃，在高溫缺氧情況下產生的［2］。

2 尾氣凈化方式選擇

目前國內工程機械及其施工領域提出了使用高品質柴油、對柴油適當摻水和加裝尾氣凈化裝置三種控制柴油機尾氣污染物的技術措施［3］。在這三種方式中以加裝尾氣凈化裝置效果最好。

目前國際上柴油發動機的尾氣凈化設備主要有三種類型:水濾式凈化裝置、柴油顆粒捕集器和氧化型催化器［4］。

水濾式凈化裝置對硫化物的凈化有一定效果，但是水濾式凈化裝置親水性差，僅能凈化較小顆粒，且在發動機運行時廢氣溫度較高，水濾箱中的水會蒸發一部分，需要定時補充水，增加了工作量，還存在漏水隱患。如加水過多，對發動機也有影響。水濾箱體積較大，對安裝空間及設備搬運都有較高的要求。發動機尾氣消煙都是采用水噴淋循環噴淋工藝，該工藝雖然對發動機尾氣治理有一定效果，但僅吸收部分二氧化硫和小部分碳煙，對發動機尾氣的煙色及其刺激性氣味改善不明顯。經過這種工藝處理的發動機尾氣必須用煙管引到高處排放，而且在發動機運行的時候，采用水噴淋治理工藝會消耗大量的自來水。目前，國內用于鐵礦、銅礦等井下裝載機都采用水洗過濾型尾氣凈化裝置。由于井下作業的條件限制，使用水過濾尾氣凈化裝置的產品需要大量水資源，且經過過濾的水需要定期更換，經過凈化裝置處理的水還含有硝酸等酸性物質，若排入地下，會造成二次污染［5］。發達國家很早以前已經不再采用水箱處理尾氣，國內井下設備也在逐步淘汰這種方案。

柴油顆粒捕集器主要用于碳煙顆粒的捕捉。其采用可通氣的多孔材料，過濾式的陶瓷載體由許多細小的平行孔道組成。這些平行孔道之間由通氣性的孔壁分隔，一端開放，一端堵塞，過濾器孔壁中的微孔可以讓柴油的廢氣分子通過，黑煙顆粒由于粒徑較大無法通過微孔，被過濾在陶瓷孔壁表面，進而達到消除黑煙的效果，但無法滿足廢氣凈化要求［6］。

氧化型催化器是一種綜合性的尾氣凈化裝置，能夠同時降低發動機內排放出來的顆粒物及有害氣體，可以在發動機排氣口加裝該裝置。三效催化劑閉環控制系統是最常用的排氣凈化系統。在這個系統中，柴油發電機排出的三種主要污染物CO，HC，NOx能同時被高效率地凈化。煙塵凈化器主要由載體、涂層、活性物、襯墊和殼體等組成。柴油經過燃燒后排出的廢氣中含有大量的CO、碳氫化合物和氮氧化物。這些物質的存在會使我們看到發電機尾氣的煙色和嗅到發電機尾氣刺激性的氣味。這些物質在凈化裝置的作用下以及在220℃以上高溫與煙氣中的氧繼續反應，生成CO2和H2O排入大氣中。同時NOx也生成了H2和H2O排入大氣中。CO和HC轉化率可以達到95%以上，NOx的轉化率在40%以上，可解決柴油機尾氣排放造成的污染問題。國內有關柴油車尾氣凈化的研究起步較晚，但發展較快，如清華大學、昆明貴研催化劑有限公司、中國科學院生態環境研究中心等單位在氧化物和貴金屬催化劑的制備、評價上開展了大量工作［7］。

綜合大型養路機械的結構特點和使用要求，選用DOC貴金屬氧化型催化器來全面凈化尾氣。同時，為適應大型養路機械結構緊湊、安裝空間較小的特點，優化其結構形式，將尾氣凈化裝置和發動機消音器制作在一起，直接安裝在發動機排氣管出口。

3 尾氣凈化裝置的研制

3.1 工作原理

DOC貴金屬氧化型催化器工作原理如圖1所示。其氧化原理與汽油機三元催化器氧化CO和HC的原理基本一樣，主要目的是降低CO，HC及其他廢氣的排放。它可以非常有效地去除尾氣中的CO和HC，并能氧化掉PM中的可溶性有機物(SOF)，還可以凈化多環芳香烴和乙醛等有害成分。貴金屬催化劑選用成熟的以鉑金為主的氧化型催化劑，鉑金抗SO2性能及自我恢復功能好［8］。

3.2 凈化流程

尾氣凈化裝置安裝在柴油機排氣管后方，有害氣體經過排氣管道進入凈化器，通過凈化器對有害物質進行處理，最后經過處理后的尾氣可直接排出到大氣中，如圖2所示。

圖1 DOC貴金屬氧化型催化器工作原理

圖2 凈化流程

3.3 結構設計

尾氣凈化裝置采用薄壁金屬結構的鐵鉻鋁合金制金屬載體，如圖3所示。將尾氣凈化裝置和消音器制作在一起以減小安裝空間。產品直接安裝在排氣歧管出口的波紋管后，排氣管接口尺寸可根據不同的發動機定制。

圖3 尾氣凈化裝置外觀

采用先進的催化劑(圖4)，保證尾氣凈化器能在最低的排氣溫度中正常工作。將貴金屬催化劑布置成蜂窩狀，既可以增加氧化反應面積，充分氧化有害氣體，又可以阻擋較大顆粒物直接排放到大氣中。催化劑配方耐久性高，既有超長使用壽命，又可保持最高轉化效率。合金金屬制載體在超過1 100℃以上的高溫下仍能保持高耐久性，同時能防止發動機震動及高溫引起的熱膨脹帶來的崩塌故障［9］。標準件安裝簡單，安裝要求的空間小，使用維護方便。

圖4 貴金屬催化劑

3.4 試驗驗證

將研制出的柴油機尾氣凈化裝置放置在試驗臺上進行試驗，如圖5所示。采用煙氣分析儀測量尾氣凈化前后的成分，比較各項成分的變化情況。經過試驗分析，通過尾氣凈化裝置的凈化，尾氣中有害成分大大減少，其中CO減少99%，HC減少91.2%，NOx減少15.4%，PM減少21%。尾氣凈化裝置安裝前后尾氣中CO含量變化曲線如圖6所示。隨著尾氣溫度的升高，DOC的凈化率逐步升高，220℃以上時對CO可達到80%以上的凈化率，溫度達到260℃以上時可達99%的凈化率。

圖5 尾氣凈化裝置測試

圖6 尾氣凈化前后CO含量變化曲線

3.5 使用維護

目前由于催化再生技術中使用的催化劑受柴油品質、溫度、尾氣中雜質等因素的限制，經常出現催化劑“中毒”等情況，無法正常發揮作用［10］。由于常用的催化劑及過濾材料較為昂貴，更換性差，因此目前大多數顆粒捕集器采用固定不可拆卸式，限制了顆粒捕集器的普及和柴油機的發展。為了解決這一問題，本文采用可拆卸式結構。由于溫度對凈化器的工作影響很大，溫度越高，其工作效果越好，因此凈化器的安裝位置要求盡量靠近柴油機。為了防止粉塵進入柴油機氣缸，凈化器應該水平安裝。另外，為了保證進入煙塵凈化器的氣體溫度，途中盡量減少熱量損失，在柴油機凈化器之間的排管要求包保溫材料。由于國產柴油含硫量較大，如果采用稀土或賤金屬作為催化劑，運行了一段時間后，CO和HC的轉化效果會降低，原因是硫會吸附在催化劑表面，阻擋了催化劑的工作。而采用貴金屬作催化劑后，中毒現象變得很微弱，貴金屬具有良好的抗“中毒”的特性。另外，凈化器運行了一段時間后，會有柴油機的黑碳粒積聚，嚴重時會增加柴油機的背壓。

DOC系列柴油機氧化型催化凈化器工作500 h左右后壓力接近柴油機最高限制值時，應在停機冷卻后拆下側蓋板，松開載體壓緊螺絲(或卡箍)，取出內部DOC凈化芯，用高壓空氣反吹出凈化芯內積存的炭渣。清除凈化芯內部殘余炭渣可保證排氣通暢。若發動機長期低負荷工作，排氣溫度低，凈化芯可能產生積炭，應縮短維護時間，要注意背壓，及時清理。

4 結語

針對大型養路機械大功率柴油發動機研制出的尾氣凈化裝置，能夠有效去除尾氣中的有害成分，滿足大型養路機械的作業要求，降低養護作業時對施工人員的危害，凈化施工環境，減少空氣污染，消除作業安全隱患，具有較大的實用價值，可以推廣應用。

［1］王雷．鐵路隧道作業急性職業性危害因素調查［J］．中華勞動衛生職業病雜志，2014(8):590-592．

［2］何偉，崔力拓．柴油車發電機尾氣煙塵凈化器［J］．中國環境管理干部學院學報，2004(4):54-56．

［3］鄭明軍，趙金生，祖炳潔．降低施工機械及車輛尾氣排放的措施［J］．起重運輸機械，2004(8):13-15．

［4］楊冬霞，曹秋娥，趙云昆，等．柴油車尾氣凈化催化技術進展［J］．工業催化，2005，13(3):32-33．

［5］王富華．用氧化催化器處理井下裝載機的尾氣［J］．工程機械與維修，2012(4):162．

［6］鐘東階，孫士法，張光德．汽車尾氣凈化器的開發研究［J］．武漢科技大學學報(自然科學版)，2000，23(2):156-159．

［7］劉奇，陳德茂，劉艷，等．柴油車尾氣凈化用負載型催化材料及性能研究［J］．功能材料，2011(8):1512-1513．

［8］朱小兵，呂瑞典，何娟，等．鉆井柴油車尾氣凈化裝置研制［J］．石油礦場機械，2012，41(6):75-77．

［9］潘成杰，李剛．煤礦井下柴油發動機尾氣的防爆與凈化［J］．煤礦機械，2010，31(8):198-199．

［10］許益存，浦甲辰，許鈺龍，等．柴油機尾氣凈化裝置中利用微波加熱再生技術的研究［J］．農機化研究，2007(1):215-216．

(責任審編李付軍)

U216.6

B

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．36

1003-1995(2015)04-0141-03

2014-10-10;

2015-02-10

李紅利(1972—)，男，山西聞喜人，工程師。