防爆柴油機尾氣控制技術研究*

□ 王 曉1 □ 黃 華2

1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 太原 030006 2.山西工程職業學院 太原 030006

1 無軌輔助運輸概況

在煤礦井下運輸系統中,無軌輔助運輸是越來越重要的組成部分,其優點是運輸方式靈活機動,運輸時間短、速度快、動力強勁。隨著煤炭工業的跨越式發展,輔助運輸設備種類和數量不斷增加,許多現代化礦井都引進了無軌輔助運輸車輛,包括防爆人員運輸車、防爆工程車、防爆支架運輸車、防爆灑水車等。目前全國13個省份使用無軌輔助運輸車輛的礦井有700余處,使用總量在10 000臺以上,日常生產作業車輛達到3 000臺以上。就用途而言,煤礦無軌輔助運輸車輛占比最大的是材料物料運輸車和人員運輸車,占全部無軌輔助運輸車輛保有量的80%以上[1]。

2 非道路排放分析

在無軌輔助運輸車輛中,防爆柴油機以動力性強、經濟性好的特點得到廣泛應用。防爆柴油機的缺點是排放污染嚴重,甚至影響運輸車輛司機和其他作業人員的身體健康。煤礦井下運輸巷道窄,空間小,路況差,通風情況相比路面差很多,以防爆柴油機為動力的無軌輔助運輸車輛運行時,防爆柴油機的污染物不易排出,在工作環境中集聚[2-4]。各大煤礦意識到井下環保的重要性,應避免有害排放污染物對井下作業人員身心健康的影響。煤礦行業出臺了對井下排放物嚴格控制的標準,國家煤礦安全監察局于2018年12月底發布《禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄(第四批)》,要求煤礦井下應使用排放達到國Ⅲ及以上標準的防爆柴油機。國家生態環境部于2020年12月底發布HJ 1014—2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》,要求所有生產、進口、銷售的柴油機從2022年12月開始排放應符合國Ⅳ標準。

目前,防爆柴油機研究單位及生產廠商通過攻關,提出了符合煤礦井下要求的高效水冷防爆增壓器、防爆式電控單體泵組、防爆式電控燃油噴射控制系統等關鍵技術,所研制的防爆電噴柴油機均達到非道路國Ⅲ標準[5-7]。防爆柴油機污染物排放控制技術要求在國Ⅲ標準的基礎上升級為國Ⅳ標準,僅靠以上技術是無法實現的,必須要進行尾氣處理方面的研究。筆者對防爆柴油機尾氣控制技術進行研究。

3 柴油機污染物減排技術現狀

柴油機因功率大、動力強勁、熱效率高、經濟性良好、可靠性高等優點,在各個機械領域中得到廣泛應用。柴油機也有一定的缺點和不足,主要為工作過程中會不斷排出顆粒物、一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、一氧化硫等有害尾氣。由于煤礦井下通風條件比較差,防爆柴油機排出的有害尾氣會在巷道或工作面集聚,并且不易排出,嚴重影響巷道和工作面作業人員的身體健康。柴油機污染物減排技術主要以降低一氧化碳、顆粒物、氮氧化合物排放量為目的。

3.1 氧化催化器

氧化催化器使用化學催化方法將排放物中的一氧化碳、碳氫化合物變為水和二氧化碳,是目前路面車輛柴油機處理一氧化碳和碳氫化合物的成熟可行方法。氧化催化器降低碳氫化合物、一氧化碳排放量,生成二氧化碳,同時也生成硫酸鹽產物,原因是氧化催化器的催化氧化性能。所以在設計符合煤礦井下要求的氧化催化器時,需要選擇適合的催化劑,一般選擇對二氧化硫氧化率很低而對一氧化碳、硫化物、碳氫化合物轉化效率高的催化劑。排氣溫度和含硫量是影響氧化催化器轉化效率的兩個主要因素,較高的柴油機尾氣溫度可以提高一氧化碳、碳氫化合物等排放物的轉化效率,滿足氧化催化器的起燃溫度要求。

3.2 顆粒捕捉器

顆粒捕捉器是目前應用于柴油發動機處理顆粒物的主要裝置與措施,工作原理是通過物理方法對尾氣中的顆粒物進行過濾。目前顆粒捕捉器主要有兩種,分別是壁流式過濾和部分流式過濾。壁流式過濾的過濾效果較好,能夠過濾掉尾氣中的絕大部分微粒,但壽命相對有限,應用于工況較差的車輛,過濾器很快會被堵死,需要用電加熱或噴油燃燒的方法進行強制再生,否則過濾器可能產生過熱燒毀現象。部分流式過濾不能過濾所有尾氣,過濾效果較差,但堵死失去過濾能力之后,不會對車輛行駛產生較大影響。

3.3 廢氣再循環

廢氣再循環的工作過程是將發動機排出的尾氣中一小部分廢氣引流到進氣管中,與進氣管中的新鮮空氣混合,生成的混合氣體再進入發動機缸內參與燃燒。

廢氣再循環主要包括外部廢氣再循環、內部廢氣再循環、內外混合廢氣再循環等。內部廢氣再循環的工作原理是增大進氣門的開啟角,減小排氣門的關閉角,即增大兩個氣門的重疊角,使上一個循環的廢氣參與下一個循環的進氣,進而實現廢氣循環。也可通過增大排氣背壓來增加發動機缸內的殘留廢氣,來實現廢氣再循環,但殘余的廢氣會降低發動機缸內的進氣量,減緩進氣的流入,造成發動機功率降低和燃油消耗率提高。內部廢氣再循環一般不可以調節,因此目前在市場上很少見。

外部廢氣再循環的工作原理是將發動機排氣岐管中廢氣的一小部分通過氣管流入進氣歧管,與進氣混合成混合氣體,進入燃燒室參與燃燒。外部廢氣再循環按照驅動方式可以分為電控式廢氣再循環和真空驅動廢氣再循環,目前電控式廢氣再循環因控制簡單、操作靈活、反應靈敏等優點應用較廣。

4 防爆柴油機污染物減排技術研究

4.1 廢氣再循環清潔燃燒技術

筆者研究廢氣再循環的實現方式、冷卻形式、控制方式、安裝位置、瞬態響應。防爆廢氣再循環通過水冷防爆式雙層管路內層將排出廢氣的一部分引流入進氣系統的進氣管路,與進氣充分混合,混合后的氣體進入缸內參與燃燒。通過廢氣再循環雙層管路中的外層和防爆廢氣再循環冷卻器來共同降低引流廢氣的溫度,使廢氣再循環裝置的表面溫度滿足MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》[8],同時降低缸內燃燒室的燃燒溫度,從而減小防爆柴油機氮氧化合物的排放量。防爆柴油機因為防爆性的要求,進、排氣系統在加裝防爆系統后,給高溫廢氣再循環的廢氣從水冷式排氣波紋管中引出帶來困難,同時由于排氣阻力增大,壓力降低,廢氣難以順利導入進氣管。由此可見,防爆柴油機外部廢氣再循環的結構設計及優化對廢氣再循環的應用起很大作用。

4.2 循環廢氣控制策略

廢氣再循環會降低防爆柴油機的性能,并改變廢氣的排放量。主要原因是循環廢氣和進氣系統的新鮮空氣混合,提高進氣溫度,降低進氣量,導致缸內殘留廢氣因數增大,使防爆柴油機的燃燒過程受到很大影響。極端的情況是,過高的廢氣再循環率會造成發動機缸內空燃比較小,缸內燃燒室嚴重缺氧,燃燒過程不充分或燃燒環境嚴重惡化,發動機輸出功率和扭矩下降嚴重。因此,防爆廢氣再循環需與防爆柴油機整機進行匹配優化后再應用[9]。匹配過程不但要考慮發動機的防爆性,而且要在盡量不降低發動機功率、扭矩,不惡化燃油經濟性的前提下盡最大可能提高廢氣再循環率,從而達到防爆柴油機污染物有效減排的目的。

4.3 基于貴金屬的低溫氧化催化技術

氧化催化器是在多孔狀的金屬載體或陶瓷載體上涂覆一定量貴金屬催化劑的氧化催化轉化裝置,工作原理是在較低的溫度條件下使廢氣中的微顆粒、一氧化碳、碳氫化合物等與氧氣實現氧化反應,轉化為二氧化碳和水。由于氧化催化反應所需的排氣溫度較高,而防爆柴油機要求所有表面溫度均不得高于150 ℃,導致氧化催化器的轉化效率降低。對氧化催化轉化裝置的防爆結構進行設計優化,并進行柴油機性能試驗,研究氧化催化轉化裝置對柴油機排放性能及動力性能的影響,進而使氧化催化器的溫度在正常工作時達到氧化催化器的起燃溫度,減少一氧化碳等排放污染物。

4.4 防爆式顆粒捕捉器捕捉技術

顆粒捕捉器使用耐高溫且具有過濾能力的特定材料做成多孔結構過濾體,當發動機廢氣中的顆粒物流過顆粒捕捉器時,被內部的過濾體所捕捉,達到減少廢氣中顆粒物的目的。這一技術是當前特別有效且應用最廣的發動機廢氣顆粒物處理技術。地面用柴油機沒有最高表面溫度要求,捕捉的顆粒依靠柴油機的排氣溫度可以燃燒,保證排氣順暢。防爆柴油機在正常工作時,排氣管有冷卻的要求,使排氣溫度較低,顆粒附著在多孔結構過濾體上,可能在短時間內造成顆粒捕捉器堵塞[10]。通過對顆粒捕捉器的防爆結構進行設計及優化,并進行柴油機性能試驗,研究顆粒捕捉器對柴油機排放性能及動力性能的影響,使在符合煤礦標準的前提下顆粒捕捉器的顆粒捕捉效率滿足井下防爆車輛的使用要求。

5 應用方案

目前地面車輛柴油機大部分采用氧化催化器、廢氣再循環、顆粒捕捉器等污染物減排技術,均較為成熟。煤礦井下無軌輔助運輸車輛和地面車輛所用柴油機的后處理存在三方面較大區別。第一,地面車輛尾氣后處理為非防爆式,煤礦井下尾氣后處理采用防爆尾氣后處理裝置,兩者的起燃條件、反應溫度條件等均不相同,裝置的部分材料也不相同。第二,地面車輛尾氣后處理控制技術僅涉及電氣控制方法,煤礦井下為滿足煤礦柴油機的防爆要求和使用條件,需要采用電、液、氣協調控制方法進行尾氣后處理控制。第三,目前的后處理裝置均是與道路用柴油機進行匹配,而無人研究符合煤礦標準的防爆式尾氣后處理裝置與防爆柴油機整機的性能匹配技術。

某型非道路國Ⅲ標準排放的防爆柴油機如圖1所示,某型非道路國Ⅳ標準排放的防爆柴油機如圖2所示。通過圖1和圖2對比可以發現,非道路國Ⅲ標準排放的防爆柴油機升級至國Ⅳ標準需要加裝符合MT 990—2006要求的氧化催化器、顆粒捕捉器、廢氣再循環等尾氣后處理裝置,安裝順序為防爆柴油機水冷排氣岐管、防爆廢氣再循環、防爆氧化催化器、防爆顆粒捕捉器,這樣可以優先保證廢氣再循環的廢氣引入的溫度,然后保證氧化催化器的起燃溫度。防爆廢氣再循環還需要加裝電源控制箱和隔爆電子控制單元。

圖1 非道路國Ⅲ標準排放防爆柴油機

圖2 非道路國Ⅳ標準排放防爆柴油機

6 結束語

為提升目前煤礦井下用防爆柴油機尾氣排放技術水平,滿足日益嚴格的煤礦井下排放標準要求,筆者對煤礦用防爆柴油機尾氣控制技術進行研究,分析廢氣再循環、氧化催化器、顆粒捕捉器等技術。廢氣再循環、氧化催化器、顆粒捕捉器屬于長效的環保技術,成本低,并且可以改善煤礦井下的作業環境,具有良好的社會效益。