高昌樂 馮太翔

摘要：礦用防爆柴油機是一種在地面柴油機基礎(chǔ)上增加或者改造原機進排氣系統(tǒng)從而能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用的柴油機，具有功率大、安全系數(shù)高、可連續(xù)作業(yè)等特點，但是帶來的尾氣污染問題也尤為嚴重。本文簡述了EGR、DOC和DPF對NOx、CO、HC、PM等有害物質(zhì)進行處理的原理，同時闡述了如何根據(jù)煤礦安全規(guī)程進行設(shè)計安裝，使得其具有安裝便捷，性能穩(wěn)定，壽命長，成本低等特點。

關(guān)鍵詞：防爆柴油機；EGR；DOC；DPF

緒論

礦用防爆柴油機雖然解決了井下輔助運輸?shù)姆辣瑒恿栴}但也有許多弊端，柴油機排放的廢氣中含有大量的有害物質(zhì)（如NOx、CO、HC、PM等），由于防爆柴油動力機械應用越來越廣泛，對井下環(huán)境的負面效應也越來越大。受井下通風條件約束，井下空氣中的有害物質(zhì)越來越多，已由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性，井下作業(yè)人員則成為柴油機廢氣污染的直接受害者。因此必須加強和提高對保護井下環(huán)境和人生安全的意識。根據(jù)尾氣污染物的形成原理，提出尾氣排放中主要有害成分：氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、顆粒物（PM）的解決方法。比較全面和科學的解決辦法是運用EGR技術(shù)、DOC技術(shù)、DPF技術(shù)，其中EGR解決NOx、DOC解決CO，HC、DPF解決PM，三者互不干涉，本文就礦用防爆柴油機上開展EGR、DOC、DPF的運用進行闡述。

一、研究背景

1、礦用防爆柴油機的利弊

礦用防爆柴油機是一種在地面柴油機基礎(chǔ)上增加或者改造原機進排氣系統(tǒng)從而能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用的柴油機，具有功率大、安全系數(shù)高、可連續(xù)作業(yè)等特點。但是目前國內(nèi)各大主機廠提供的防爆柴油機排放標準仍然是國二標準，部分老舊車型還維持在國一標準，有害氣體的排放量比較高，受井下通風條件約束，井下空氣中的有害物質(zhì)越來越多，已由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性，井下作業(yè)人員則成為柴油機廢氣污染的直接受害者。

2、相關(guān)政策法規(guī)

（國辦發(fā)（2013）99號）《禁止井工煤礦使用的設(shè)備有工藝目錄（第四批）》，其中第8類禁用排氣標準在國三以下的防爆柴油機。

GB20891-2014非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值級測量方法（中國第三、四階段）中提出：自從2015年10月1日起，所有制造和銷售的非道路移動機械用柴油機，其排氣污染物排放必須符合國家排放第三階段要求，自2016年4月1日起所有制造進口和銷售非道路移動機械不得裝用不符合本標準第三階段要求的柴油機，鼓勵有條件的地區(qū)提前實施本標準。

目前國內(nèi)各大煤企都在逐步改造或替換防爆柴油動力設(shè)備，對于新招的設(shè)備必須滿足排放，對于尚在服役期內(nèi)的設(shè)備通過增加后處理設(shè)備實現(xiàn)排放達標。

二、有害氣體含量研究

1、NOx的生成機理

NOx是指燃燒過程中氮的各種氧化物，主要包括NO和NO2，其中NO的量相對較多。根據(jù)澤爾多維奇理論，在高溫、高壓和富氧的環(huán)境下，NO的化學反應鏈為：

O2→2O（1）

O+N2→NO+N（2）

N+OH→NO+H（3）

由于O2的化學反應活性大于N2的化學反應活性，O2的分解相對更加的容易，所以上述鏈式反應的開始是O2首先在高溫下分解為O原子，隨后由O原子激發(fā)其他鏈式反應。

由反應2可以看出，NO是O原子切斷N2分子的化合鍵生成的。溫度對于化學反應O+N2→NO+N的反應速率影響較大，因此降低柴油機的最高燃燒溫度有助于抑制O+N2→NO+N的反應速率，降低NOX的排放。同時，氧濃度對于化學反應O+N2→NO+N的反應速率也由一定影響。此外，由于化學反應需要時間，所以氮和氧在高溫中滯留的時間也是影響NOX生成的一個因素。

2、CO的生成機理

CO的生成主要有四個方面，第一：在缺氧狀態(tài)下C不完全燃燒生成CO；第二：在氧氣富足時，由于實際混合不均勻造成局部缺氧而生成CO；第三：燃燒生成的CO2和H2O在高溫條件下產(chǎn)生熱解反應進而生成CO；第四：排氣過程中未燃HC不完全氧化也會生成少量CO。

3、HC的生成機理

HC產(chǎn)生主要有兩個方面，第一個是因為燃燒室內(nèi)混合氣的濃度分布不均勻，局部過濃區(qū)域或過稀區(qū)域，會對應產(chǎn)生不完全燃燒或者完全不燃燒的情況，產(chǎn)生大量的HC；第二個是在燃燒后期，燃燒不完全的燃油在低速離開燃燒室的時候伴隨著大量的HC產(chǎn)生，這部分HC排放是主要的HC排放。

4、PM的生成機理

柴油機尾氣顆粒物由氣相碳氫、吸附在顆粒上的碳氫、水合硫鹽酸、可溶性有機組份、固態(tài)碳構(gòu)成，其中碳氫和可溶性有機組份可以通過成熟的氧化催化技術(shù)進行催化和二次燃燒，當發(fā)動機在中低負荷下運行時可溶性有機組份大量產(chǎn)生，而中低負荷往往是正常工況。

三、對應解決方案

1、EGR技術(shù)解決NOx

EGR即廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation），是將一部分排氣引入進氣管與新鮮空氣混合后進入氣缸燃燒。EGR系統(tǒng)一般可通過內(nèi)部EGR和外部EGR兩種方式來實現(xiàn)循環(huán)。

內(nèi)部EGR：通過擴大氣門重疊角來實現(xiàn)的，即增大進氣門提前開啟和推遲排氣門延遲關(guān)閉或提高排氣背壓等方法來增加缸內(nèi)的殘余廢氣，殘余下個循環(huán)的燃燒，從而實現(xiàn)EGR。由于它降低了新鮮進氣充量，且妨礙了進氣慣性效應的利用，因而要犧牲功率和燃油消耗。另外，其控制和調(diào)節(jié)沒有外部EGR靈活，所以應用不廣。

外部EGR：將排氣管中部分廢氣經(jīng)外部管路引入進氣管參與再燃燒，從而實現(xiàn)EGR。就形式而言一般分為真空驅(qū)動和電控式，其中電控式EGR最具典型性。

內(nèi)部EGR工作過程：當爆發(fā)行程時，混合器燃燒而膨脹成原來體積的很多倍，在接下來的排氣行程時，排氣閥一打開，高壓廢氣就會沖向排氣管，而活塞也會上升把所有廢氣推出氣缸，這是排氣管中的氣流流速很快，當活塞快要到達上止點時，由于慣性的關(guān)系，排氣管中的廢氣仍會告訴往外沖，而這些氣流就會把燃燒室中的廢氣“抽”出來，如果在這個時候打開進氣閥，新鮮空氣剛好被“抽”進燃燒室，就在混合器剛好填滿燃燒室時，排氣門剛好也關(guān)閉了。如果此時提前關(guān)閉排氣閥，則缸內(nèi)的廢氣排不出去，且阻礙了進氣，如此一來，缸內(nèi)空氣中氧含量就降低了許多，實現(xiàn)內(nèi)部EGR。

2、DOC技術(shù)解決CO、HC

DOC即柴油氧化催化劑（Diesel Oxidation Catalyst），催化氧化器的催化劑一般由Pt、Pd等貴重金屬組成，并浸入載體表面上。影響轉(zhuǎn)化效率的因素主要有：催化劑種類、載體、發(fā)動機工況、燃油的含硫量、排氣流速等。催化氧化器在降低微粒及HC、CO同時，由于其很強的催化氧化性能也有可能會造成SO2轉(zhuǎn)化成硫酸鹽的排放量增加。因此，必須對催化劑進行優(yōu)化篩選，選擇對SOF、HC、CO轉(zhuǎn)化效率高對SO2氧化率低的方案。研究表明，影響DOC工作性能的主要因素是排氣溫度和燃油中的含硫量。較高的尾氣溫度將有助于SOF的氧化，提高轉(zhuǎn)換效率；但是尾氣溫度過高（400～500℃以上），SO2和燃油中的硫轉(zhuǎn)化成硫酸鹽的量將大大增加，這樣有可能使總的顆粒量增加而不是減少。此外，硫酸鹽覆蓋在催化氧化器內(nèi)表面將使得催化氧化器市區(qū)活性，大大降低其轉(zhuǎn)化效率。因此，應用DOC時對燃油的硫含量有要求，一般要求燃油含硫低于0.05%（質(zhì)量分數(shù)），最好是低于0.01%（質(zhì)量分數(shù)。）所以，柴油機氧化催化器一般適于含硫量較低的柴油燃料；并要保證催化劑及載體、發(fā)動機運行工況、發(fā)動機特性、廢氣的流速和催化轉(zhuǎn)換器的大小以及廢氣流入轉(zhuǎn)換器的進口溫度等正常，使凈化效果達到最佳。

3、DPF技術(shù)解決PM

控制 PM 最有效的技術(shù)就是采用 DPF 裝置。DPF即顆粒微粒捕集器（Diesel Particulate Filter），從20 世紀 70 年代的中期歐美一些國家就開始采用 DPF 技術(shù)來降低柴油發(fā)動機的 PM 的排放，美國排放法規(guī)要求從2007 年的 1 月開始，所有的大功率柴油機必須安裝DPF 裝置。該裝置是在排氣管中裝設(shè)一個顆粒物過濾器，過濾的材料和方法有多種，其中壁流式效果最佳，應用最為廣泛。

DPF是一種蜂窩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大的增加了作用接觸面積，當含有PM的尾氣由入口通道進入，入口通道末端堵住，尾氣只能通過慮壁滲透進入相鄰的出口通道內(nèi)，再由出口通道排出，慮壁是微孔陶瓷，具有很強的透氣性，超過2.5um（可設(shè)定）的顆粒將被阻隔在入口通道內(nèi)，從而對尾氣中的PM進行吸附過濾。

四、新舊系統(tǒng)對比

1、原機排放系統(tǒng)

新鮮空氣通過進氣柵欄進入發(fā)動機進氣總管，發(fā)動機燃燒做功后形成高溫廢氣，高溫廢氣由排氣岐管合流后由排氣波紋管引入水洗箱，水洗箱對廢氣進行水洗、滅煙、降低煙度后再通過排氣柵欄排入大氣。

優(yōu)點：水洗式廢氣凈化方式結(jié)構(gòu)簡單，最終的目的是保證廢氣在溫度不超過安標許可值70℃、無火花的狀態(tài)下排入大氣，在這個過程中水洗箱亦可通過水洗的方式進行顆粒物清除，降低廢氣的煙度。

缺點：技術(shù)陳舊，僅凈化可見的黑色顆粒物，對不可見物質(zhì)未做凈化，防爆柵欄或阻火器極容易堵塞，日常維護繁瑣。

2、加裝EGR、DOC、DPF排放系統(tǒng)

優(yōu)點：極大的降低柴油機NOx、CO、CH、PM排放；防爆柵欄或阻火器免維護，使用本裝置后，防爆柵欄或阻火器幾乎不會產(chǎn)生積碳；與原機防爆系統(tǒng)串聯(lián)，不改變原機的防爆結(jié)構(gòu)，即使本裝置出現(xiàn)故障也不會影響原機的正常使用；兼容性強，適合于多種功率、多種排放的柴油機；

缺點：較原有系統(tǒng)成本有所增加；DPF需要定期清理再生。

五、技術(shù)運用

1.EGR選用及制造

EGR選用關(guān)鍵是確定再循環(huán)廢氣量

在EGR系統(tǒng)中，根據(jù)不同的發(fā)動機工況選用不同的Map圖（邏輯控制圖），再循環(huán)的廢氣量因發(fā)動機不同的工況而改變，這些廢氣量在進入進氣總管前都將得到精準的控制和計量，這種控制方式能很好的平衡發(fā)動機排放和性能之間的矛盾：如果太多的廢氣量進入發(fā)動機，發(fā)動機的性能會惡化，煙度將大幅上升，并且發(fā)動機可能會出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象；如果太少的廢氣量回到發(fā)動機，發(fā)動機的排放將得不到較好的改善使其滿足排放標準。對于每一個不同的發(fā)動機工況（油門、轉(zhuǎn)速、溫度）存有一個最優(yōu)化的EGR率（EGR率=V廢氣/V進氣）。

EGR系統(tǒng)由離合傳感器（選擇）、水溫傳感器、油門傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、ECU、電磁閥組成，發(fā)動機運行時ECU讀取離合傳感器（選擇）、水溫傳感器、油門傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)確定發(fā)動機運行工況后對照Map圖給予電磁閥指令，實現(xiàn)電磁閥開度變化。

EGR系統(tǒng)各大元件參照GB 3836-2010《爆炸性環(huán)境》、MT/T 715-1997《礦用防爆電磁閥通用技術(shù)條件》、MT 209-1990《煤礦通信、監(jiān)測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)條件》、MT 393-1995《礦用壓差傳感器通用技術(shù)條件》。

2、DOC總成選用及制造

DOC體積對應發(fā)動機排量，一般說來選用發(fā)動機排量的±120%即可，發(fā)動機排量7.42L，那么DOC體積在5.94L至8.9L即可，對照威孚環(huán)保的產(chǎn)品目錄最終選擇直徑240mm、長度176.2mm、體積為7.97L的陶瓷基體作為DOC載體，對發(fā)動機排放污染物進行分析后，最終確定涂層配方、涂層質(zhì)量、孔眼密度等保密參數(shù)。

由于煤礦井下特殊作業(yè)環(huán)境，所以對DOC的封裝需要考慮保溫和防震，發(fā)動機工作時DOC內(nèi)芯溫度不得低于250℃，殼體外溫度不得高于150℃，DOC靠近發(fā)動機安裝時發(fā)動機高頻震動，不得將陶瓷基體震碎，因此需要安裝質(zhì)石隔溫棉、防震護套。

3、DPF總成選用及制造

DPF體積亦對應發(fā)動機排量，一般說來選用發(fā)動機排量的一倍到兩倍之間，發(fā)動機排量7.3L，那么DPF體積在7.3L至14.6L即可，對照威孚環(huán)保的產(chǎn)品目錄最終選擇直徑240mm、長度305mm、體積為13.8L的DPF載體，對發(fā)動機排放污染物進行分析后，最終確定慮壁微孔大小、孔眼密度等保密參數(shù)。

由于煤礦井下特殊作業(yè)環(huán)境，所以對DPF的封裝依然需要考慮保溫和防震，發(fā)動機工作時DPF殼體外溫度不得高于150℃，DPF安裝在DOC之后，剛性鏈接，依舊受發(fā)動機高頻震動影響，因此同樣需要安裝質(zhì)石隔溫棉、防震護套。

六、結(jié)論

對礦用防爆柴油機開展EGR、DOC、DPF技術(shù)后，綜合排放完全能達到預期效果，而且技術(shù)運用很容易實現(xiàn)，對原機改動較小。

由于礦用防爆柴油機運行環(huán)境特殊，運用新型電噴技術(shù)解決尾氣排放投入成本比較大，后期維護繁瑣，而且必須淘汰很大一批尚在服役期限內(nèi)的機械，這對能源物資等都是極大的浪費，因此運用EGR、DOC、DPF技術(shù)做為設(shè)備升級換代的緩沖是確實可行的。

開展EGR、DOC、DPF技術(shù)是一種一次性投資，后期長效的環(huán)保技術(shù)，給用戶節(jié)約成本的同時提高了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，具有良好的社會效應。目前由我公司研發(fā)的礦用EGR、DOC、DPF技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)在多種礦用防爆柴油機機械上運用，獲得了防爆認證及安標證。

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（作者單位：1.國家能源集團神東煤炭分公司；2.無錫雙翼汽車環(huán)?？萍加邢薰?。）