礦用防爆柴油機氧化催化器的開發與試驗

李陽陽

(山西西山中煤機械制造有限公司，山西 太原 030053)

·試驗研究·

礦用防爆柴油機氧化催化器的開發與試驗

李陽陽

(山西西山中煤機械制造有限公司，山西 太原 030053)

對柴油機氧化催化器進行了設計開發及試驗，結果證明，該催化器可以在排氣溫度較低(150 ℃～160 ℃)的工況下，高效地去除尾氣中的CO成分，可以將其應用在礦用防爆柴油機無軌膠輪車上，改善膠輪車尾氣的排放。

礦用防爆柴油機無軌膠輪車；氧化催化器；低溫；一氧化碳(CO)

隨著環境形勢的日益惡劣，國家對環境保護的重視程度不斷提高，尤其是對空氣污染占20%以上的機動車排氣污染，目前國家已出臺相應的法律法規來控制、減少機動車的尾氣污染。在煤礦生產中，礦用防爆柴油機無軌膠輪車雖然發揮了重要的作用，但是尾氣的排放對礦井環境及工人的健康造成了影響，成為各膠輪車制造企業難以攻破的課題。可見，改善井下防爆柴油機無軌膠輪車的尾氣排放已迫在眉睫。

1 防爆DOC催化器的設計

柴油機氧化催化器(DOC)主要用于降低柴油機CO、HC的排放，同時氧化催化器可以結合機內凈化技術(EGR、增壓中冷等)滿足輕型柴油機國IV排放標準要求，也可以通過結合其它尾氣后處理技術(SCR、DPF等)共同使用，以滿足重型柴油車未來更嚴格的排放法規要求。該氧化催化器不需要再生，系統結構簡單，成本相對較低，目前已成為尾氣后處理產品中應用最多的一個。

柴油機氧化催化器主要由殼體、減震層、載體及催化劑4部分組成。

1) 氧化催化器的殼體由不銹鋼制成，以防止因氧化皮脫落而造成催化器的堵塞。同時考慮到礦用防爆柴油機要求DOC催化器表面溫度不超過150 ℃，因此需要對DOC進行隔熱處理，使催化器的表面溫度不超過法規要求。

催化轉化器殼體應滿足以下條件：a) 殼體的熱膨脹系數要盡可能小。b) 殼體材料應具有較強的耐腐蝕性。c) 殼體的結構設計應盡可能考慮其強度和剛度要求。

2) 氧化催化器的減震層有金屬網和陶瓷密封墊兩種，而陶瓷密封墊在隔熱性、抗沖擊性、密封性和高低溫下對載體的固定力都比金屬網優越，是常用的墊層。它主要起到的作用是：a) 固定載體并保證其安全使用。b) 在氧化催化器及內部構件受到沖擊時起到緩沖作用。c) 防止廢氣從載體與殼體之間的間隙逸出。d) 防止氧化催化器內部過熱的溫度傳遞給氧化催化器殼體。e) 起到一定的隔聲、吸聲的作用。

3) 氧化催化器的載體主要分為3種：顆粒狀載體、蜂窩陶瓷載體和金屬載體。其性能的好壞，對催化劑的活性和壽命影響極大。而理想的載體應具有以下特性：a) 足夠的機械強度，以適應汽車的震動。b) 足夠的耐熱性。c) 合適的孔隙結構或開孔率。d) 不含有使催化劑中毒的物質。e) 不與催化劑發生相互作用。

本次設計開發的氧化催化器選用金屬載體，由特殊的金屬薄片卷成，形狀類似蜂窩體。 實踐表明，與金屬載體相比，目前通用的蜂窩陶瓷載體存在著元件壁較厚、排氣阻力較大等缺點。因此，各國都在進行金屬載體的開發。金屬載體壁厚僅為陶瓷載體的1/4，因而可降低排氣阻力，另外還有溫度適應性好等優點。

4) 氧化催化器中的關鍵組分是催化劑活性組分。常用的活性組分是鉑、銠和鈀等貴金屬催化劑以及鈰、鑭、鐠等稀土元素和銅、鐵、錳、鈷等賤金屬。貴金屬催化劑雖然具有活性高、凈化效果好、壽命長等優點，但是造價較高而且蘊藏量低。

本次的催化劑組分主要是貴金屬鉑，鉑在催化劑中的作用主要是使一氧化碳和碳氫化合物轉化成二氧化碳和水。

開發的防爆金屬DOC是在排氣溫度較低的條件下對礦用防爆柴油機無軌膠輪車尾氣中的CO、HC和顆粒物中的可溶性有機物進行凈化的裝置。該裝置采用具有抗震性好、流動阻力低、體積小等優點的金屬載體擔載貴金屬催化劑，起燃溫度在150 ℃～160 ℃，能在排氣溫度較低的條件下使得排氣中的CO與貴金屬催化劑發生化學反應從而去除CO含量。氧化催化器的反應機理見圖1.

圖1 氧化催化器的反應機理圖

防爆DOC催化器需要根據實車安裝空間尺寸進行合理設計與開發，同時考慮到礦用防爆柴油機要求DOC催化器表面溫度不超過150 ℃，因此需要對DOC進行隔熱處理，使催化器的表面溫度不超過法規要求。從本次試驗結果來看，實驗過程中催化器表面溫度始終維持在55 ℃～70 ℃，遠低于法規要求的150 ℃。前期的設計見圖2，溫度場模擬見圖3.

圖2 DOC的設計圖

圖3 防爆DOC催化器的3D模型和溫度場分布圖

2 防爆DOC催化器的測試

本次試驗通過兩組試驗數據進行對比，一組未安裝DOC催化器，一組安裝DOC催化器。試驗使用水力測功機、便攜式尾氣排放分析儀等儀器設備。

3 試驗結果及分析

試驗分別選取1 000 r/min、 600 r/min、2 000 r/min等轉速，負荷率為50%、75%、100%. 具體試驗數據見表1.

表1 具體試驗數據表

試驗用礦用柴油發動機外特性最大扭矩282 N·m，對應轉速2 200 r/min. 圖4,5分別選取了轉速在1 600 r/min，2 200 r/min，對應負荷率0%、50%、75%、100%下的DOC催化器前后CO排放量及相應工況下的轉化效率。其中，在2 200 r/min、100%負荷率下排氣最高溫度為290 ℃，1 600 r/min、100%負荷率下最高溫度為215 ℃，試驗最低溫度42 ℃(轉速=710 r/min，負荷率0%).

從圖4,5可以看出，在低轉速、低負荷下由于排氣溫度較低，尚未達到催化劑的最低起燃溫度，故DOC催化器對CO的轉化效率較低；隨著負荷的增加，排氣溫度不斷上升，當排氣溫度大于150 ℃時(轉速=1 600 r/min，負荷率75%，溫度160 ℃)，催化器轉化效率不斷上升，最大轉化效率接近100%.

圖4 轉速為2 200 r/min下不同負荷CO排放及轉化效率情況圖

圖5 轉速為1 600 r/min下不同負荷CO排放及轉化效率情況圖

4 結 論

該款催化器體現了良好的CO轉化性能，在轉速1 600～2 200 r/min，負荷率75%～100%的工況下(即礦用防爆柴油機無軌膠輪車常用工況)，CO轉化效率接近100%，可以高效地去除尾氣中CO的含量，具有較大的實用價值。

[1] 趙 航，王務林.車用柴油機后處理技術[M].北京：中國科學技術出版社，2010：12-13.

Development and Test of Oxidation Catalytic Converter for Explosion-Proof Diesel Engine

LI Yangyang

The oxidation catalytic converter is designed and developed for diesel engine. The test results show that the catalytic converter can effectively remove the CO components from the exhaust under the condition of low temperature (150 ℃～160 ℃). The achievement could be introduced to explosion-proof diesel engine of trackless rubber tyred vehicles which are mostly used underground for short distance transportation, so to improve the underground air quality.

Mine explosion-proof diesel engine trackless rubber tyred vehicle; Oxidation catalytic converter; Low temperature; Carbon monoxide (CO)

2016-11-25

李陽陽(1986—)，男，山西太原人，2009年畢業于太原科技大學，助理工程師，主要從事礦用防爆柴油機無軌膠輪車的設計開發工作

(E-mail)yang4131610@163.com

TD525

B

1672-0652(2017)01-0050-04