矿用防爆柴油机尾气污染控制技术研究

张强

[摘 要]矿用防爆柴油机作为煤矿井下的动力源，其一直都是煤矿作业机械化的重要组成部分。然而，随着相关国家标准的不断改进，矿用防爆柴油机排放的废气对身体健康与环境的危害性逐渐突显。基于此，笔者从燃油改善、机内净化以及排气后的处理3方面阐述了尾气污染控制的方法，为相关研究提供参考。

[关键词]防爆柴油机；控制技术；燃油；改善；净化

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.22.070

[中图分类号]TK421.5 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2017）22-0-02

0 引 言

矿用防爆柴油机作为煤矿运输的重要动力源，应用于防爆柴油机无轨橡胶轮车辆、防爆柴油单轨车以及一些辅助运输车辆，在煤矿辅助运输中发挥着重要的作用。防爆柴油机在防爆过程中加入了排气阻火器和尾气处理罐等设备，从而增加了防爆柴油机的能源消耗和废气排放量。因此，其排放的尾气中含有大量的二氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物等污染物，对环境造成重大危害。再加上煤矿通风条件有限，有可能导致有害气体积聚，不仅影响煤矿正常生产，还给工人的身体健康埋下了巨大的隐患。为此，笔者从燃油改善、机内净化以及排气后的处理三个方面，探讨了尾气污染控制技术。

1 从源头着手：改善燃油

1.1 使用替代燃料

目前，国际上能够有效替代柴油的燃料主要包括酒精和工业酒精、液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）和生物柴油等，此外，替代燃料还包括上述燃料和柴油按一定比例制成的混合燃料。其中，很多替代燃料含有较高的氧元素，进入气缸后可以改善燃烧过程，使燃烧更充分，并减少有害气体的排放。醇类燃料可以有效减少柴油发动机的颗粒物和氮氧化合物，当向柴油中加入乙醇和一些助溶劑时，可以有效降低约46.2%的一氧化氮排放量，以及约51%的颗粒含量排放。然而，替代燃料在煤矿防爆柴油机中的应用还处于试验研究阶段，还有一些问题需要解决，如燃料在煤矿中使用时，其闪点不能低于70℃；绝大多数替代柴油的闪点都低于柴油本身，安全性能低。除此以外，大多数替代燃料会降低防爆柴油机的功率。

1.2 提高柴油品质

柴油品质对矿用防爆柴油机的排放具有重要影响，通过减少燃油中的硫和芳烃含量，提高燃油中的十六烷值，可以有效减少排放的有害气体成分。在柴油中加入一定量的十六烷增值剂，可以缩短点火延迟期，提高点火质量，有效减少尾气颗粒、一氧化碳以及一氧化氮的浓度。降低柴油中芳烃的含量可以提高柴油的点火性能，有效降低颗粒物和二氧化碳的含量；降低柴油中的硫含量可有效降低排气中硫酸盐颗粒的浓度；向柴油中添加一些烟雾添加剂，可以促进烟灰颗粒燃烧，将柴油机烟灰减少30%?50%左右。除此以外，柴油中添加一定比例的乳化剂可以减少一氧化氮的含量，还可以有效降低汽缸内的燃烧温度，从而减少一氧化氮的排放量。

2 中间过程控制：机内净化

2.1 优化喷油系统

增加注射压力并减小喷嘴直径可提高柴油机的雾化效果，使燃油与氧气之间的接触更充分，能显着降低颗粒物和一氧化碳的排放量。延迟柴油机的燃油喷射提前角可以将废气中的氮氧化合物浓度降低到一定程度，但会增加一氧化碳的浓度，实际上可以减少喷射时间，同时提高喷射率，从而有效降低氮氧化合物与一氧化成的排放量。随着对喷油系统研究的不断发展，目前正在研究的电控喷油系统通过对柴油机转速、温度、压力等信号进行实时监测反馈，可以对燃油喷射时间、燃油消耗量等方面进行准确计算，并对喷油规律和速率进行优化，可有效降低防爆柴油机的颗粒物、一氧化碳和氮氧化合物的排放量。该方法是目前矿用防爆柴油机减少尾气污染的一个重要研究方向。

2.2 采用涡轮增压中冷技术

涡轮增压中冷技术的使用不仅可以提高防爆柴油机的排放性能，还能够提高其动力性能和经济性能。为了克服进气阻力，涡轮增压技术可有效提高进气量和空气过剩系数，增加气缸内空气的平均压力和密度，改善燃烧过程、减少颗粒物和一氧化碳的排放。而且，为了减少废气中的一氧化氮的含量，涡轮后中冷技术能够降低进气温度和燃油预燃温度，减少排气氮氧化合物的含量，该方法是目前已经应用于矿用防爆柴油机尾气污染处理的主要方式之一。

2.3 采用废气再循环（EGR）技术

废气再循环（EGR）原理是通过将排出尾气重新导入进气系统，和新鲜空气混合后再进入缸内参加燃烧，不仅可以降低对进气氧气的需求，还可以降低尾气排放的氮氧化合物以及一氧化碳，提高了混合气的比热容，降低了燃烧室的最大燃烧温度，有效抑制氮氧化合物的排放。防爆柴油机在利用废气再循环（EGR）减少二氧化氮的排放时，需要结合电子控制系统（ECU），根据柴油机转速、负载、温度等传感器信号来启动开关信号，从而减少二氧化氮含量的排放量，且实际效果优于延迟燃料喷射方式。废气从防爆柴油机的排气口排出后，一部分排气通过EGR冷却器和EGR阀返回到进气管，EGR冷却器可以降低尾气进入气缸内的温度和燃料的预燃温度。

3 尾端处理技术：排气后处理方法

3.1 洗涤法

洗涤法是目前防爆柴油机的常规尾气控制方法之一，它是在排气后加装废气处理箱，在排放废气处理箱装有一定体积的冷却水，防爆柴油机排出的尾气通过废气处理箱的进气管进入废气处理箱，在排气压力的作用下，排出的废气会绕流后排出。这种方法不仅可以降低防爆柴油机的排气温度，而且可以净化易溶于水的二氧化碳以及二氧化氮等一些尾气，有效率达到80%以上。

3.2 添加氧化催化剂（DOC）

由于防爆柴油机废气中的氧含量一般在8%～16%，防爆柴油机可以通过在排气管后添加氧化型催化转化器，来净化废气中的微粒、一氧化碳以及碳氢化合物等。催化剂以蜂窝陶瓷为载体，载体具有多个平行的小通道以供排气，催化剂通过氧化铝涂层附着在陶瓷载体上，通过催化、氧化作用可以将一氧化碳和碳氢化合物转化为二氧化碳和水，对二氧化氮几乎没有影响。氧化型催化转化器可以将排放尾气中的碳氢化合物和一氧化碳减少约50%，颗粒可以减少30%左右，同时，DOC还可以减少多环芳烃和乙醛等有害成分的废气。该方法可以用作减少防爆柴油机废气中颗粒物和一氧化碳污染的主要方式之一。

3.3 安装微粒过滤器（DPF）

微粒过滤器（DPF）是由微粒过滤器和再生器组成的一种可以显著减少柴油发动机颗粒物排放量的装置。它通过内部有极小孔隙的过滤介质（过滤元件）捕获柴油机排气中的微粒。最常见的微粒过滤器是一种壁流式蜂窝陶瓷颗粒捕集器，其使用多孔陶瓷作为过滤介质，可以有效减少80%以上的碳烟微粒，也可部分捕获SOF颗粒。但是，微粒过滤器在过滤过程中会导致过滤器堵塞，柴油机排气后压力上升，所以相关人员必须定期清除颗粒，使过滤器恢复正常工作状态。由于该方法容易造成过滤器堵塞问题，在使用上有一定的限制，还需要进一步研究。

3.4 选择催化还原法（SCR）

在催化剂的作用下，选择催化还原法（SCR）使用喷入尿素或者氨气的方式，利用催化剂将氮氧化合物还原为氮气，从而能够有效减少尾气中氮氧化合物的排放。最常用的催化剂是一种金属氧化物。

4 结 语

通过改善燃油、采取机内净化手段和排气后处理净化控制三方面的协调配合，可以有效降低矿用防爆柴油机尾气排放的污染物，在保护环境与工人健康的同时，还能提高煤矿运输效率。

主要参考文献

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