柴油机的排放与控制

柴油机的排放与控制柴油机的排放与控制 第一节柴油机的废气排放及生成机理的认知 柴油发电机组中 柴油机的废气排放是造成环境污染的重要来源 其中成份中除 99 7 75 5 的 N2 10 的 CO2 8 的水蒸汽和 6 的 O2 对人类无害外 其余的 0 3 0 2 的 NO 0 01 的 NO2 0 03 的 HC 和 0 05 的 CO 0 01 的 SO2和小于 0 01 的 PM 都是有害物质 它是形成酸雨和破坏臭氧层的罪魁祸首 柴油 机对环境的污染主要有下列三个方面 一是柴油机的废气排放物对 大气的污染 二是噪声对环境的污染 三是废油 废水对土壤或地 表水的污染 其中 尤以废气排放对人类健康的危害最大 柴油机 排放的废气中包含有气态 液态及固态的污染物 气态污染物中含 CO2 CO H2 NOX SO2 HC 氧化物 有机氮化物及含硫混合 物等 柴油是在 533K 625K 的温度范围内从石油中提炼出来的碳氢化 合物 其中各成分质量分数分别是碳 87 氢 12 6 氧 0 4 碳氢 化合物燃料完全燃烧时 将只产生 CO2H2O 没有其它成分 和汽油机 相比 柴油机的 CO 和 HC 排放均比较小 这是因为柴油机总体来说在 稀混合气下运转 平均过量空气系数一般在 1 5 3 之间 CO 生成后可 以得到进一步的氧化 作为汽油机 HC 排放的主要来源 狭缝效应 在柴油机中大为弱化 原因是柴油机中进入狭缝的是空气而不是可燃 混合气 因此 HC 排放得到大幅度降低 NOx的排放与汽油机在同一 个数量级 微粒排放则要大几十倍甚至更多 所以 NOx和微粒是柴油 机最主要的排放物 近年来随着科技水平的发展和对柴油机研究的深入 通过机内机外净 化措施已经大大改善了柴油机的排放水平 为防止高压喷射带来的 氮氧化物排放增加 必须延迟喷油 这样又导致热效率下降 要想从根 本上解决排放问题 需要对 NOx和微粒这两种主要排放物的生成机理 有深刻的认识 一 NOx的生成机理 氮氧化物包括 NO NO2 N2O3 N2O N2O5 N2O4 NO3等 在化 石燃料的燃烧过程中生成的氮氧化物主要是 NO 和 N2O 其中以 NO 为主 以煤的燃烧为例 NO 占 90 以上 N2O 占 5 10 燃烧过程 中 NOx来源于燃料中的氮化合物和空气中的氮气的氧化过程 过去已 经有大量的研究人员从事 NOx的生成机理方面的研究 按其生成的 基础理论 NOx可分为热力型 NOx和燃料型 NOx两大类 其中热力型 NOx又分为捷里德维奇 Zeldovich NOx和快速型 NOx 燃料中含氮量 的不同以及氮元素在燃料中的存在形态的不同和燃烧方式的不同 使 这两种氮氧化物的比例有很大区别 1 热力型 NOx 热力型 NOx源于燃烧过程中空气中的氮气被氧化成 NO 它主要产生于温度高于 1800 K 的高温区 其反应机理可以捷里德 维奇 Zeldovich 模型描述 而且从扩大的模型的常用反应常数看 生成 速度比较缓慢 N2 02 NO NN 02 NO 0N 0H N0 H 热力型 NOx的主要影响因素是温度和氧浓度 随温度和氧浓度的增 加 热力型 NOx的浓度增加 因此 降低热力型 NOx的基本原理就是 降低氧的浓度 降低火焰温度以及缩短高温区的停留时间等 在工 程实践中 采用烟气再循环 浓淡燃烧 水蒸气喷射以及新发展起来 的高温空气燃烧技术等都是利用上述原理来控制热力型 NOx的生成 措施 2 快速型 NOx 快速型 NOx是碳氢类燃料在过量空气系数1 稀混合气工况时 理论上不应该有 CO 产生 但是实际燃 烧过程中 由于混合不均匀 造成局部地区 1 条件成立 由于局部燃 烧不完全而产生 CO 或者已形成的 CO2 和 H2O 在高温时吸热产生 热离解反应 由此产生 CO 另外 在排气过程中 未燃碳氢化合物 HC 的 不完全氧化 也会产生部分 CO 4 臭气的生成机理 汽车排气中的臭气含有多种成分物质 除 O3 和 NOx外 主要还有甲醛和丙烯醛等燃料不完全燃烧或中间裂解产物 第二节 柴油机废气排放的影响因素 一 NO 当柴油机的温度愈高 N2 和 O2 的浓度就愈大 则 NO 的生成率愈 高 由此可知 影响 NO 生成率最主要的因素有 3 个 温度 时间 及喷油角度 二 HC 和碳烟 碳烟生成的因素可归纳为 3T 即时间 温度和湍流 温度越高 停 留时间越长 湍流混合良好 促使 HC 和 sootr 氧化 则总颗粒 TPM 将减少 但同时 NOX 的生成将增加 这就是直喷柴油机中著 名的 颗粒 NoX 权衡曲线 柴油机在调试排放指标时 一般均把一 种污染物 例如用高压喷射把 TPM 指标达到法规要求 利用燃烧改 善本身达到要求 然后再对另一种污染物用其它方法 例如对 NOX 用 EGR 推迟喷油提前角 废气后处理 来达到法规要求 这已经是被证明是同时降低 PM 和 NOX 排放的措施极少 第三 柴油机的排放控制 现代柴油机集中体现在进气系统 燃烧系统 喷射系统以及后处 理系统的发展上 控制和降低柴油机的排放主要从以下几个方面入 手 1 通过提高燃油品质 进气质量等手段 如采用增压中冷 多 气门技术 EGR 等 2 现代柴油机对柴油喷射技术的要求为 准确的燃油计量 灵 活的喷油定时 最佳的喷油压力 优化喷油规律 通常把这种手段 称为机内净化方法 3 采用在柴油机排气尾部加装废气净化装置以进一步降低有害 排放物直接进入大气 如采用 De NO 催化转换器和颗粒捕集器等可 以有效地降低 NOX 和颗粒的排放 这种方法称为机外净化方法 4 合理的维护和管理 超负荷使用 保养维护不当或检修调整 不良等使用中