柴油机燃用生物柴油的氮氧化物排放特性

王博(天津滨海博泰海事工程技术有限公司 天津 300451)

一、前言

在柴油机的排放过程中，氮氧化物无疑是占据主体地位的污染物。随着人们对环境问题的关注，人们加大了对该问题的研究力度。而生物柴油作为一种良好的替代品，在使用后，氮氧化物的排放量会大幅度提高。因此笔者对这个问题展开研究。

二、生物柴油的特点分析

1.生物柴油具有良好的环保性能

环境保护是我国的基本国策之一，生物柴油的良好环保性能满足我国可持续发展的大方向。生物柴油与其他的柴油相比，其中的硫的成份较少。现阶段在石油能源的使用过程中，脱硫问题是一个十分重要的难题，与此同时石油能源的使用会产生酸雨，酸雨对生态环境造成了巨大伤害。所以，生物柴油的使用可以减少酸雨，创造良好的环境，为人类提供良好的居住环境。

2.生物柴油具有良好的可再生性

生物柴油是一种可再生资源，并且来源于植物，通过光合作用而生成这种化学能源，所以是一种可再生能源，供应量能够得到很好的保障。

三、船舶柴油机NOx的生成机理

在船舶柴油机燃烧的整个过程中，会产生大量的化合物，其中氮氧化合物被称为氮氧化合物，主要包括NO、N2O4、N2O、NO2等，在这些气体中，所占比例最大的为NO，其次是NO2，剩余气体的所占比例相对较少。NO2是NO中部分地再与剩余的氧气反应后生成的。通常认为NO是在火焰前锋和火焰后的已燃区产生的。现常用扩展的捷尔杜维奇链反应机理来解释NO生成:

氧的高温离解:O2—2O(1)

NO生成开始:O+N2—NO+N(2)

N+O2—NO+O(3)

N+OH—NO+H（4）

当温度很高时，O2受高温的作用分解，发生直链反应，从分子结构的角度来说，O2分子与N2分子相比，O2分子比较容易，但是N2分子的分解就比较困难。在上述的几个反应式中，（2）、（3）反应式对温度的要求很高，所以NO很大程度上受到温度的影响。其中（4）受到反应物浓度的影响，在笔者的论述中暂时不考虑此反映。

笔者结合自己的经验和一些柴油机的燃烧情况，得出了如下结论，氮氧化物的生成受很多因素影响，在以往的氮氧化物生成控制过程中，主要考虑从温度，喷油提前角等角度出发，下图为与喷油提前角有关的变化曲线。

图1、不同喷油提前角时NOx随负荷变化曲线

四、影响NOx排放的主要因素分析

对于柴油机的燃烧过程而言，NOX的生成和排放量受到了多种因素的影响，其中包括氧气的浓度，燃烧的时间、燃烧的温度、喷油提前角等几个主要的因素。而对于不同的柴油机而言，这些因素又存在差异，这主要是由于不同柴油机的参数不同，例如排气系统的具体参数，柴油机的工作状况，系统的参数等等。简单而言，柴油机的整体构造，使用状况，具体的功能，工作的具体环境等都会对NOX的排放产生影响。下面笔者就几个因素简单分析。

1.进气温度

进气温度的高低一方面取决于环境温度，另一方面也取决于增压空气中间冷却器的冷却度。降低进气温度，意味着压缩终了时的温度的降低，从而也抑制了燃烧温度的升高，有利于抑制NOx的生成率。因此采用高换热性能中冷器，增大冷却度，对减少NOx的排放有益。船用柴油机，由于其燃油在气缸内的燃烧主要是非均相扩散燃烧，为了保证完全燃烧和降低气缸热负荷的目的，通常其过量空气系数均很大，一般在1.1～.23之间，从而空燃比较大，燃烧室内富余的氧量大，有促进NOx生成的趋势，但这又与柴油机的负荷有关。

取不同负荷下（100%，75%，50%，25%），100%转速时，温度从0℃到35℃变化时的柴油机NOx排放结果进行分析。得出以下结论：

柴油机的NOx排放负荷有关，在高负荷时，NOx的排放与温度成正关系，温度升高则排放量升高。而在低负荷下，进气温度的改变基本对NOx的排放无明显影响。

2.供油提前角影响

供油提前角是指在压缩行程中，喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点的曲柄转角;喷油提前角是指在压缩行程中，喷油器开始喷油的瞬时一到活塞上止点的曲柄转角。

在柴油机的实际工作过程中，可以把上述两种情况下的曲柄的转角都归结为喷油提前角。喷油的时间和喷油提前角有很大关系，并且会影响预混合油量，例如，当喷油提前角较大时，柴油机汽缸内的混合油量较大，在燃烧过程中，温度会急速加大，氮氧化物的生成会增大，排放会增多。

五、控制船舶柴油机NOx排放技术

综合上文笔者对船舶柴油机氮氧生成的过程以及排放影响因素的分析，笔者做出如下总结：对于船舶柴油机来说，影响其氮氧排放的主要因素有进气温度，空气与燃油的混合情况，燃烧整个过程的时间长短等。要想做好对氮氧化物排放的控制，可以从氮氧化物本身的化学性质以及其生成原理这两个方面入手，下面笔者进行简单的介绍说明。

通常情况下，我们把船舶柴油机的氮氧化物排放的控制方式非为机外净化技术和机内净化技术两种。而结合笔者多年的工作经验可知，其中SCR是一种现阶段运用比较广泛并且相对而言比较成熟的技术。

首先，对其中的掺水技术进行简单的介绍。掺水技术的主要原理是通过掺水来降低燃烧过程中的温度，通过改变环境温度来减少氮氧化物的生成量，效果比较显著。但是掺水方法有一个比较大的劣势，在这个技术使用的过程中，需要对船舶柴油机的发动机做出比较大的改动，对资金的需求比较大，需要的辅助设备比较多。相对而言，很多企业比较愿意采用控制燃烧法。通常而言，燃烧的整个过程是决定氮氧化合物生成的关键所在，一般可以通过改进燃烧室等技术来对该过程进行控制，从而减少氮氧化合物的排放。

采用新型燃烧室可使得进气形成涡流或强涡流，边、角等部位组织形成微涡流，促进燃油与空气均匀迅速的混合，燃烧更充分且燃烧持续期短。因此可适当调整延迟喷油，缩短燃烧过程的时间，可以在保证燃油消耗量变化不大的情况下，降低最高燃烧温度，从而降低NOX的排放。

为了保证在燃烧过程中燃油能够与空气进行最大程度的混合和接触，可以改变喷嘴的结构，改变喷射压力。通过上述方法能够确保喷雾的细度，以此来促进燃烧的速度。通过提高混合的均匀程度以及提高喷雾的细度可以确保燃油的充分压缩，当温度不断增高时，可以减少滞燃期，这样比较容易燃烧，当燃油的喷入量很少时，燃烧温度也会随之降低，以此来降低氮氧化物的生成。

结束语

使用生物柴油除了可以达到环境保护的效果之外，其经济性也非常好。通过笔者的分析研究可知，可以使用生物柴油和普通柴油进行合理配比，但是要明确的是，虽然可以通过改变配合比改变氮氧化物的排放量，但是并不能影响排放的规律。

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