关于船用柴油机尾气排放污染物降解技术的研究

吴建国，李定华，吴佳琪

舟山嵊泗海光明电器有限公司

关于船用柴油机尾气排放污染物降解技术的研究

吴建国，李定华，吴佳琪

舟山嵊泗海光明电器有限公司

当今社会,人们把目光投向了海洋,蓝色海洋创造了巨大的经济效益,同时却也引发了一系列环境污染的问题,海洋环境污染问题越来越受到国家的关注。可喜的是人们的保护环境意识已越来越强，在自觉遵守国家海洋环境保护法等法律法规的同时，努力通过创新，对海洋生产工具进行技术革新，以控制或减少排放性的污染。渔业是舟山的传统优势产业和支柱产业。目前全市渔业人口20.6万人，占总人口的21%。组建各种类型渔业专业合作社53家、国内民营渔业公司11家、远洋渔业民营公司20余家。有各类机动渔船9091艘，有远洋渔船220多艘。柴油机是船只的动力源，使用柴油作为燃料。我们发现，在燃油存储过程中会生成胶质和沉渣，会造成油路堵塞，产生机械故障及缩短机器寿命，影响正常的航行作业效率的提高，严重的会发生安全事故；另外，这种高胶质的柴油油品在燃烧过程中容易产生积碳现象，造成燃烧不充分，随着船只功率的增大，船只排放的尾气CH、CO、PM也势必大量增加，导致海洋环境的污染。

一、目前世界各国解决油品问题的主要方法

1.是使用化学合成法制备的清净剂

但是这类产品仍存在以下两方面的缺陷：

1）容易使沉积在油路系统的积碳大块脱落，堵塞油滤系统，引发发动机熄火或功率不足。

2）由于其化学活性强易于和油品中的其它化学元素发生化学反应而影响到油品的其它理化性能，当不同厂家生产的合格产品混用时可能发生混合后油品质量下降的现象，特别是在不同地域加油的海洋运输船舶上这种现象发生的更为普遍，限制了企业选用油品的范围。

2.降低车船尾气中CO、CH、NO、PM（颗粒物）四个指标

1）降低CO、CH的方法主要是通过设备改良和炼油企业提高炼油成本炼制高品质清洁燃料来完成，这些方法的缺点是减排成本大幅增加，社会负担加重。

2）降低PM（颗粒物）的方法是过滤法，即使用更加细密的过滤材料滤去尾气颗粒物，其缺点是不仅增加成本而且会导致油耗上升。

3）降低NO的方法目前国内大量使用的的是SNCR脱硝工艺（车载尿素液还原法）用尿素溶液高温水解放出的NH3将NOX还原成N2，这种方法的缺点是使用不可控，NH3逃逸量大，成本高。

二、新型保能全效燃油增效剂研发

1.新型燃料增效剂所需的功能设想

针对普通燃油以上问题特点，我们设想有一种材料，它同时具有以下四大功能：

1）能溶于燃油中，在存储时可抑制油品胶质生成；

2）同燃油一起燃烧时起到催化剂的作用，使燃油充分燃烧，减少CH、CO、PM排放；

3）在尾气中能抑制三元催化剂表面积焦，提高催化效率，延长三元催化器寿命，若遇车辆使用尿素脱硝技术时可以降低NOX还原成N2的活化能，提高脱硝效率；

4）燃余微量纳米颗粒可以渗透吸附于摩擦表面，起到提高油膜强度，减少摩擦的作用。

2.新型燃料增效剂的材料合成与机理

经过多年研发和试验这种设想的材料终于被开发出来，这就是本项目研发的“一种用于汽车尾气净化的新型高效纳米稀土催化剂（商品名称：保能全效燃油增效剂）”它选材于具有活性稀土材料，是一种以稀土元素为主的适用于能源领域的功能材料。利用稀土元素具有的多配位性特点，采用机械化学合成法的核心技术对稀土元素或化合物进行纳米或亚微米尺度上的复合、改性和组装。可以与其它功能元素进行弱键复合，这些复合键键能低，在一定工况条件下会断裂重新具备活性，起到催化剂的效果，将这些稀土材料经过我公司拥有的专利技术“纳米微孔型复合材料制备”方法，加工成纳米级的微孔复合材料，这些材料能悬浮于燃油中，存储期间发挥纳米稀土材料抑制胶质的特点达到存储稳定的功能;燃烧时发挥纳米稀土材料二次雾化和催化燃烧的特点，让油品燃烧更加充分达到节能效果，直接减少CH、CO、PM排放;在使用尿素脱硝技术时，尾气中纳米稀土材料的催化功能可以降低NOX还原成N2的活化能，提高脱硝效率;燃烧残余物中的极微量纳米级颗粒物，利用稀土材料具有极强渗透力的特点，渗透并吸附在摩擦微裂纹的缝隙中，形成柔性摩擦保护层，绝不会出现应力堆积现象，提高油膜强度，起到保护发动机的作用。这种稀土纳米复合材料可应用于各种燃油的助燃和清净。

纳米稀土材料是通过降低燃烧反应活化能和提高燃油二次雾化雾化效果，两个方面来提高燃烧效率的，燃烧效率接近100%，可有效降低油耗达1.5-1.9%。

燃油燃烧时，首先要将燃油由液态汽化成气态，然后与空气中的氧气混合，形成可燃混合气，进行燃烧，燃油由液态汽化成汽态的常规过程我们称其为一次雾化过程，通常燃油设备在设计时，设计师会精心考虑这一问题，通过各种手段，如喷嘴设计、回流加热设计等，使第一次雾化过程进行得充分，只有燃油雾化达到规定的颗粒度标准，才能使燃油燃烧得完全充分。客观地讲，如果燃油雾化充分，即使加入任何添加剂都不会产生节油效果，因为燃油已经充分燃烧了。

然而，任何燃油设备都不可能永远是崭新的，经过一段时间使用以后，燃油系统中的部件会积碳，尤其是喷嘴、节气门等处，使其燃油一次雾化效果无法满足最初设计时的标准，燃油就会产生燃烧不完全的现象，油耗就会明显上升，排放变差。

图一二次雾化过程

图二燃油互溶效果

长期使用保能全效燃油增效剂，一方面可以通过保能全效燃油增效剂中稀土纳米复合材料对喷嘴、气门等部件进行清洁处理，使其保持良好工作状态；另一方面，纳米稀土复合材料因子能够在燃油燃烧的瞬间形成二次雾化作用，具体机理是这样的：纳米稀土复合材料因子在燃烧瞬间形成高温炽热点，在高速运动中冲击一次雾化超过标准的大颗粒冷油滴，产生微爆作用，生成粒度更细小的燃油颗粒，形成二次雾化作用，最终使超过雾化标准的大颗粒油滴二次雾化成符合设计标准的油滴，使燃油雾化更充分。（如图一所示）

3.新型燃料添加剂功效测试

在燃油中微量添加“燃油增效剂”，设备在运作过程中废气排放减少10～30%，颗粒物排放（PM）减少30～60%以上。产品台架检测报告结果：负荷特性平均节油率1.5%；推进特性平均节油率1.6%。

本项目经过大量的对比试验优化出配方，实现了以下4方面性能。

1）防止油品老化。利用专利中的纳米稀土材料因子的配位活性，有效抑制燃油中不饱和烃的聚合。

2）保护发动机的效果。利用专利中纳米稀土材料微粒具有极强的渗透性，可渗透吸附在摩擦微裂纹表面。

3）提高脱硝效率。利用专利中纳米稀土材料在汽车尾气尿素溶液脱硝过程中的催化性能。

4）充分燃烧，有效降低CO,CH,PM排放。纳米稀土材料与配方中的清净剂、分散剂共同发挥作用，温和去除发动机积碳，保持供油系统清洁顺畅。

4.新型燃料添加剂的应用

本产品可广泛应用于重油、渣油、柴油、汽油等多种燃料。适量添加该产品可有效解决工矿和交通运输企业使用重油、渣油、柴油、汽油等多种燃料所带来的设备维护及环保问题，特别是尾气排放问题更是当前政府急于解决的大问题。是一种高科技节能增效产品。

三、新型保能全效燃油增效剂的发展前景

1.新型添加剂的配制方法申请了国家发明专利，“一种燃油添加剂”申请了专利。（发明公布号：CN105885971A）

2.将纳米稀土无机材料溶入传统燃油中，可同时解决燃油质量、减少排放、保养发动机三方面问题，是国内、国际上的首次。

经过了努力，本公司拥有了“纳米微孔型复合材料制备”的专利技术。目前该技术非常成熟，而且通过该技术可以加工出纳米稀土微孔型复合材料，这种材料能够长期悬浮于燃油中，外观上达到和燃油互溶的效果，目前产品已经批量使用。（如图二所示）

3.良好的经济效益和环保数据

以年耗燃油量1万吨的企业，节油率（台架试验2%）为例：按2000：1比例添加燃油增效剂，若节油率2%，则可节约重油200吨（10000×2%）；保守估计每吨燃油售价4500元，每吨燃油增效剂售价8.5万元，产生经济效益90万元（200吨×4500元∕吨）；投入成本：（10000吨÷2000）×8.5万元∕吨=42.5万元；毛收益：90－42.5=47.5万元。

可见仅节油一项就可带来47.5万余元的经济效益，若再加上保养设备，降低污染物排放等间接功效，效益更加明显。