防爆柴油机使用SCR系统的可行性分析

范江鹏

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)

0 引言

目前以防爆柴油机为核心动力的防爆无轨胶轮车在煤矿井下得到了广泛的认可，但防爆柴油机作为其核心部件，其尾气污染物中的NOx严重制约着防爆无轨胶轮运输车的发展。由于井下有限的行车空间和通风资源[1]，尤其当多辆无轨运输车辆在同一区域同时运行时，极易造成煤矿井下空气的氧气含量降低，使其防爆柴油机进气量不足；进而使得防爆柴油机燃烧不完全，尾气中污染物的含量急剧上涨，使得空气中的氧含量持续下降，进一步加剧了防爆柴油机的尾气污染物,这大量的尾气污染物对井下煤矿工人的身体健康造成了严重的威胁。为解决此问题，通过对现有的柴油机净化技术对比分析，提出一种适合煤矿使用的尾气后处理技术。

1 净化技术在防爆柴油机的应用分析

20世纪90年代末，中国煤炭科工集团太原研究院自主研发第一台采用自然吸气式柴油机作为动力源的防爆无轨胶轮车。由于煤矿特殊的使用环境，胶轮车的进、排气系统中增加了隔爆栅栏，以满足防爆要求；排气系统中增加了水冷式排气歧管，由于采用不锈钢焊接工艺，流道在流线性方面作了妥协。但上述各项安全强制措施使得防爆柴油机进气阻力和排气背压增加，导致自然吸气式的防爆柴油机的排放性能较差。

为了降低防爆柴油机尾气污染物的排放并提高其动力性能，曾开发一种气涡轮增压式防爆柴油机。该增压器主要是增大进气压力，并提高燃烧室内燃烧温度。相比于自然吸气式柴油机，增压机使得CO和碳烟颗粒的排放降低，却使NOx的排放增加。为降低NOx，配置空-空中冷器或水-空中冷器，通过降低增压后空气的温度以达到降低排放的效果，同时加装中冷器后防爆柴油机的动力性和燃油经济性都得到了提升[2]。

为进一步增加进气量和降低排气背压，四气门技术、带水套的铸件排气歧管先后应用到防爆柴油机中，但这些技术只是缓解了井下环境,为此将目光集中到柴油机尾气后的处理技术，文献[3]研究表明：通过加装催化器对CO的净化率达50%；对NOx的净化率为15%；可见此类型催化器对CO转化效率高，而对NOx的转化效果一般。2013年，太原研究院与江西直方合作开发了防爆电控柴油机，在开发试验中得出结论[4]：尾气污染物排放中CO和NOx的排放值均优于现用的机械式燃油系统的柴油机，尤其是CO的排放指标，然而NOx依旧是尾气净化的重要任务。

2 选择性催化还原技术

2.1 工作原理

2003年，以尿素为还原剂的选择性催化还原技术(简称SCR)成功的应用到配备柴油机的商用车上，大幅度优化了NOx排放指标，且符合欧Ⅳ及欧Ⅴ标准[5]。SCR系统的工作原理是通过对尾气分析取样，结合尾气温度，排气传感器采集的数据将尿素溶液按照指令定量喷入排气管中，最终进入反应区将NOx转化为N2和H2O。

尾气和尿素溶液进入催化层后，以尿素为还原剂的SCR反应方程式如下：

SCR系统工作原理如图1所示。

2.2 催化剂的选择

催化剂对于SCR系统是非常重要的元素,不同的催化剂配比使得SCR系统有不同的处理效果。不同催化剂的特点如表1所示，不同催化剂活性窗口温度如图2所示。

表1 不同催化剂的优缺点

图1 SCR系统工作原理

图2 不同催化剂的活性窗口温度

3 防爆柴油机应用SCR系统的可行性分析

SCR系统工作是以电子控制器为基础，按照其设定的脉谱图工作，辅助以NOx传感器的实时监测为修正依据，保证柴油机尾气中的NOx以较高的转化率还原为N2。因此，SCR系统在防爆柴油机中应用，需对该系统在的电子器件进行防爆处理，对可能产生火花的接合面进行隔爆处理，以保证煤矿安全生产。

1) 从图1可以看出，SCR系统要采集进SCR温度、排气温度和催化层压差信号，决定尿素喷射剂量的计量泵(其关键元件为电磁阀)，均需要进行防爆处理，可以常用的胶封型处理方式，既简单易行，又可靠性高。

2) 由于温度传感器、压差信号传感器，喷枪等的安装位置位于排气管路上，须按照MT 990—2006要求，采用螺纹结构，其螺纹旋合长度应不小于12.5 mm的要求进行隔爆处理。

3) SCR系统中的微处理单元，采用车载24 V电压，又与温度传感器、NOx传感器等连接，根据《煤矿安全规程》规定，需采用隔爆兼本质安全型的处理方式，微处理单元与各传感器之间用光电信号连接，形成本质安全型电路；分析仪与隔离板整体封闭于隔爆箱中形成隔爆结构。

4) 对于SCR催化剂载体，其合理的使用温度范围在300～450 ℃之间。根据试验的经验来看，防爆柴油机从废气涡轮增压器排出的尾气温度在350℃～450℃之间；在低速大负荷工况，NOx排放严重工况，防爆柴油机废气温度也在400℃左右。根据表1和图2数值，V2O5/TiO2型催化剂符合使用要求，可有效与防爆柴油机匹配。

5) 为满足煤矿使用要求，载体表面温度应不超过150℃，故需在其外层加装冷却水套，利用防爆柴油机冷却系统进行冷却。另一方面，为保证催化效率，尾气温度下降不宜过快，载体需采用保温性能良好的陶瓷材料，而且排气管内层需设置隔热保温材料。

6) 根据SCR运行原理，尿素溶液在工作时会转化为氨气。尿素溶液不易发生爆炸，氨气也是一种不可燃物质，但其在空气中的浓度达到16%～25%时，遇火星或明火会发生爆炸。另外，氨气具有刺激性气味，可导致支气管痉挛、急性肺水肿，甚至会构成失明和窒息死亡。使用氨气作为还原剂，不可避免地会在尾气中排出氨气，故需要在SCR系统尾部配置一个氧化装置，用于去除尾气中没有发生反应的氨气。除此这外，在井下使用SCR系统时，必须配备SCR监控系统。利用防爆柴油机电控系统对SCR系统监控，只要尾气中氨气排放超标，应强制切断SCR系统电源，保证煤矿安全生产。

7) 尿素水溶液冰点在-11℃，在寒冷的冬天使用时不可避免会结冰,而且在工作时需挥发成氨气才能很好地与氮氧化物发生反应,故要借助防爆柴油机的冷却循环水对尿素溶液加热，由防爆柴油机电控系统控制，当水温达到70℃以上，才会允许冷却水加热尿素罐，进而允许净化系统工作。

8) SCR系统经济性。对于柴油机，燃油经济性和NOx存在着此消彼长的关系；CO和NOx之间也存在着此消彼长的关系。若单纯降低CO，而不顾及NOx的排放量，则柴油机的燃油经济率也会下降。故采用机内净化技术降低CO排放量，而后采用SCR技术处理NOx，在不考虑SCR系统尿素溶液的消耗量的情况下，可提高柴油机的燃油经济性。根据车用SCR系统的使用情况来看，尿素水溶液消耗量为燃油消耗量的5%，以汽车的常用车速来计算，将尿素水溶液的消耗量折算为燃油消耗量，其燃油消耗仍然可以改善4%[6]。因此，配备SCR系统不会增加用户的使用成本。

4 结论

通过对SCR系统的工作原理、结构特点以及经济性进行分析，结合煤矿使用特点，对于日趋严格的排放标准来讲，发展适用于煤矿的SCR系统非常适时,而且该系统也不增加用户的使用成本，经济性良好。但SCR系统中催化剂及其载体是整个系统的薄弱环节,其催化剂对燃料中的硫元素非常敏感，必须使用满足国家标准的柴油，如若使用不当，柴油中的硫元素可与微量元素形成硫酸盐，会导致整个载体堵塞，造成不可逆的损坏，另一方面，防爆柴油机的尾气系统若含有湿式废气处理箱，使得排气系统尾部水蒸气含量较高，如果系统布置不当,也会造成催化剂因水蒸气中毒而破裂。