氫合力氫能減排機對于旋挖鉆機油耗影響分析

王金濤 張波 魯航宇 董康寧

山東高速路橋裝備工程有限公司，中國·山東 濟南 250000

1 引言

為貫徹落實集團公司促進節能減排的政策措施，筆者所在公司對市場上節能減排設備進行了深入的市場調研，對各類節能減排設備情況進行了綜合比對，氫合力氫能減排機節能減耗效果明顯，價格合理，公司選取氫合力氫能減排機進行試驗，分析氫合力氫能減排機對于旋挖鉆機油耗的影響。

2 原理介紹

2.1 柴油發動機形成黑煙的原因

內燃機是依靠燃料（汽油、柴油、天然氣等）燃燒推動活塞往復直線運動轉換為曲軸的旋轉運動，由離合器將動力傳給變速箱，再變扭傳給驅動輪。四沖程內燃機每兩圈完成一個做功：他們分別是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。

柴油是16 烷值，碳鏈較長，質地黏稠，不易揮發，與空氣的混合程度一般，所以在發動機內燃燒不完全，未燃燒的柴油則由于缸內高溫而裂解，最終以碳離子的形式排出形成黑煙，進而導致尾氣不達標[1]。

2.2 布朗氣體及其特性

布朗氣體（英文名為Browns Gas），是由澳大利亞科學家Yull Brown（1922—1998）教授最早提出，其定義為“嚴格地按照水（H2O）分子式中氫氧摩爾當量配比，經專用設備電解產生的具有活性的混合氣體”。

布朗氣體具有催化助燃、清潔環保、資源豐富的特性。一方面，由于布朗氣中氫的點火能量僅為汽油的十分之一，比汽油更加容易點燃，燃燒傳播速度是汽油的6 倍多，所以布朗氣能夠大幅增加火焰的傳播速度。氫氣是活性氣體催化劑，可與空氣混合的方式加入所有固體、液體、氣體燃料進行催化燃燒，加速反應過程，促進完全燃燒，達到節能減排之目的。另一方面，布朗氣的生產過程只消耗水和電，其燃燒后唯一產物還是水，無CO、CO2等物質產生，亦無溫室氣體。布朗氣生產設備消耗的原料為蒸餾水，每升蒸餾水可生產多達約1800L 布朗氣體，經試驗每升水可供旋挖鉆工作約10 個h[2]。

2.3 氫合力氫能減排機工作原理

氫合力氫能減排機利用車、船和非道路移動機械發電機輸出的盈余電能，將水電解為布朗氣，輸入到發動機中，充分發揮其催化燃燒等作用，從而達到節能減排、提升動力的功效。

3 氫合力氫能減排機與DPF 的功效對比

柴油機顆粒捕集器（DPF，Diesel Particulate Filter），是一種安裝在柴油發動機排放系統中的陶瓷過濾器，它可以在微粒排放物質進入大氣之前將其捕捉。發動機的污染主要來自4 個組成部分，即微粒排放物質（PM）、碳氫化合物（HCx）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。其中微粒排放物質（煙灰）大部分是由碳或碳化物的微小顆粒（尺寸小于4~20μm）所組成的。DPF 能夠減少發動機所產生的煙灰達90%以上，然而DPF 中捕捉的顆粒物逐漸增加會引起發動機背壓升高，導致發動機性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復捕集器的過濾性能。DPF 與氫合力綜合使用效果對比如表1所示。

表1 氫合力氫能減排機與競品DPF 綜合效果對比

4 試驗過程及試驗結果

為了檢驗氫合力氫能減排機的實際使用效果，公司選取濟南大西環項目以及濟濰六標項目作為試點項目開展第一階段的節能試驗。

4.1 試驗機安裝及試驗概況

2021年4月21日，在中國山東省濟南市長清區雙泉鎮，對旋挖鉆（山河智能SWDM360H-II）進行安裝試驗。2021年5月31日，在青州市西滴水張村，對旋挖鉆（山河智能SWDM450）進行安裝試驗。經試驗安裝氫合力氫能減排機后，兩臺設備的平均每小時油耗均有不同程度地降低，試驗結果良好。

4.2 安裝氫合力減排機后的節能效果分析

4.2.1 濟南大西環項目試驗結果

SWDM360H-II 安裝氫合力前（2021年4月1日—2021年4月21日），合計加油18940L，累計工作時間422h，平均油耗為44.88L/h；安裝氫合力后（2021年4月22日—2021年5月18日），合計加油19300L，累計工作時間455h，平均油耗為42.41L/h。每小時可節約柴油2.47L，節油率為5.5%。按每月工作550h 計算，每月節油1358.5L，中石化0 號柴油價格6.7 元/L，每月可節約9100 元。

4.2.2 青州濟濰高速項目第一階段試驗結果

SWDM450 安裝氫合力前（2021年5月19日—2021年5月31日），合計加油12300L，累計工作時間211h，平均油耗為58.29L/h；安裝氫合力后（2021年6月1日—2021年6月12日），合計加油10730L，累計工作時間205h，平均油耗為52.34L/h。每小時可節約柴油5.95L，節油率為10.2%。按每月工作550h 計算，每月節油3272.5L，中石化0 號柴油價格6.7 元/L，每月可節約21925.75 元。

4.2.3 青州濟濰高速項目第二階段試驗結果

SWDM450 使用氫合力設備期間（2021年6月16日—2021年6月21日），合計加油6150L，累計工作時間92h，平均油耗為66.85L/h；停用氫合力設備后（2021年6月27日—2021年7月1日），合計加油2800L，累計工作時間38h，平均油耗為73.68L/h。每小時可節約柴油6.83L，節油率為9.3%。按每月工作550h 計算，每月節油4664L，中石化0 號柴油價格6.7 元/L，每月可節約25168 元。

5 結論分析

5.1 節能效果分析

4月21日SWDM360H-II 安裝氫合力氫能減排機時的累計工作時長為2800h，5月31日SWDM450 安裝氫合力氫能減排機時的累計工作時長為7254h。對比試驗結果，氫合力氫能減排對舊設備和大功率設備的節能效果顯著，可以達到10%左右，而對于新設備和小功率設備的節能效果略低，可以達到5.5%左右。

5.2 經濟效益分析

試驗結果表明，安裝氫合力氫能減排機的旋挖鉆平均每小時可節約燃油2.47~6.83L，按每月工作550h 計算，中石化0 號柴油實時價格為6.7 元/L，每月可節約0.9~2.5 萬元。目前，氫合力氫能減排機的市場零售價為2.4 萬元，根據公司現有旋挖鉆的型號、工作時長情況以及柴油價格波動情況，每臺設備工作1~3 個月可以收回成本。經測算，氫合力氫能減排機的平均使用成本約為1200 元/年。

5.3 建議

根據現有的試驗數據，氫合力氫能減排機的節油效果分別為10%和5%，考慮現有試驗樣本過少，試驗結果可能存在偶發性，現提出申請采購4 臺氫合力氫能減排機安裝，對其節能及減排的功效開展第二階段的試驗，將不同工作條件下，不同工作狀態下的旋挖鉆節能和減排的效果進行對比，并得出詳細試驗結果，根據試驗結果判斷是否有必要將公司設備全部安裝氫合力氫能減排機[3]。

6 結語

氫合力氫能減排機對于旋挖鉆機油耗影響顯著，且尾氣處理效果明顯，建議推廣使用。