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新聞主題 |
柴油發(fā)電機氮氧化合物的處理技術 |
摘要：當前很多地方使用柴油發(fā)電機組作為備用電源或者供應電源，柴油發(fā)電機組排出的尾氣中主要的污染物是氮氧化合物和顆粒物。隨著人們對環(huán)保的要求越來越高，對柴油發(fā)電機組排放尾氣的污染問題越來越重視。然而，目前應用的柴油發(fā)電機組尾氣處理方式主要是采用水浴除塵、高空排放的方法。這種方法只能去除部分顆粒物和降低黑度，對于尾氣中的氮氧化合物沒有辦法去除?？得魉构驹诒疚闹薪榻B了現代柴油發(fā)電機的氮氧化合物最新處理技術。
一、柴油機機內凈化技術
所有改進柴油發(fā)電機性能的機內措施，都是通過放熱規(guī)律的控制來實現的，而放熱規(guī)律又是燃燒過程的具體體現。放熱規(guī)律控制策略如圖1所示。
1、改進燃燒系統(tǒng)
改進燃燒系統(tǒng)指的是燃燒室的形狀、供油系統(tǒng)、進氣流動的最佳匹配。應保證在發(fā)動機整個工況范圍內，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動，有合理的噴油規(guī)律。這一措施有可能同時實現降低PM和NOx的排放的目的。如高壓共軌、泵噴油器等，噴射壓力高達100～250MPa，可實現預噴射和多段噴射，由此提高放熱規(guī)律的控制自由度，有效地限制預混合燃燒放熱率，促進擴散燃燒速率。
（1）電噴技術
采用電控制噴油泵、電控泵噴嘴、電子調速器、可變渦流系統(tǒng)、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油發(fā)電機性能，又可降低柴油發(fā)電機尾氣排放物，尤其是顆粒PM物質的排放。防止機油串入燃燒室。由于柴油發(fā)電機排放顆粒狀物質的相當部分，是由串入燃燒室的機油的不完全燃燒造成的，所以應盡可能地減少串機油量。防止和減少機油串入燃燒室，應通過加強機體剛度，改善汽缸蓋與機體的連接，減少汽缸工作面的變形，改善活塞、活塞環(huán)和汽缸表面的設計，加強機油控制，減少從氣門推桿泄漏機油等措施來實現。
（2）推遲噴射時期
配合高壓噴射，有效地推遲噴射時期，由此縮短著火延遲期；同時，通過高壓噴射強制霧化，結合燃燒室內的氣流特性促進擴散燃燒速率，縮短整個燃燒期間，從而在不改變經濟性的條件下，有效地降低NOx排放。
（3）使用縮口低排放型燃燒室
結合燃燒室結構形狀的合理設計，利用壓縮過程和膨脹過程中燃燒室內的氣流特性，保證擴散燃燒階段具有較強的氣流強度及其保持性，促進擴激燃燒速率。
（4）采用EGR技術
通過EGR和噴射壓力以及噴射時刻的協(xié)調控制，可以有效地抑制預混合燃燒階段的放熱速率和燃燒溫度，達到有效控制NOx排放的目的，同時結合高壓噴射及燃燒室內的氣流特性，促進擴散燃燒，由此改善燃油經濟性和碳煙排放。
（5）提高噴油壓力和減小噴孔直徑
提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低 PM 的排放。 為了避免高壓噴射導致的 NOx 的增加，要求適 當降低空氣渦流運動，提高壓縮比和可變定時 燃油噴射與其相適應。高壓噴油系統(tǒng)需要和燃 燒室良好配合， 以避免過多燃油噴射到汽缸的 冷表面上，減少 HC 和 PM 中 SOF（有機可溶物） 的排放； 同時減少噴嘴壓力室容積或采用無壓 力室噴油嘴，能使 PM 和 HC 排放大大減少；通 過燃油噴射率的優(yōu)化，如采用雙彈簧噴油器， 可降低 PM 和 NOx 的排放。
（6）共軌式噴油系統(tǒng)
可在柴油發(fā)電機運轉的整個特牲曲線范圍內改變噴油過程。例如康明斯公司開發(fā)的共軌噴射系統(tǒng)，如圖2所示?？勺杂蛇x擇噴油壓力，高精度控制噴油量，靈活控制噴油定時，并可靈活進行預噴射和多級噴射，對顆粒和煙度的降低很有利。在采用共軌多級噴射系統(tǒng)和電控噴油器的柴油發(fā)電機試驗中觀察到，由于分段噴射加強了空氣的卷吸和紊流，加強了燃油和空氣的混合，可明顯降低煙度。
電子控制柴油發(fā)電機高壓噴射技術（如電控高壓共軌噴射）的應用可使柴油發(fā)電機通過最佳噴油定時、最佳噴油率和預噴射，與發(fā)動機轉速、負荷之間的關系進行連續(xù)調節(jié)，使顆粒排放降低40%以上，并且發(fā)動機過渡工況的排放性能也可得到顯著改善。電控高壓噴射控制對噴油規(guī)律進行控制，能根據發(fā)動機運行工況實現最佳噴油，同時通過控制預混合燃燒與擴散燃燒的比例，可同時降低有害排放和控制發(fā)動機的空燃比，有利于實現有效的機外凈化措施。
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圖1 柴油機放熱規(guī)律的控制策略 |
圖2 電控高壓共軌式燃油系統(tǒng) |
2、采用增壓中冷技術
（1）普通的增壓中冷
柴油發(fā)電機采用進氣增壓技術后，由于壓縮溫度升高，在動力性與經濟性提高的同時，NOx的排量也必然增加。但增壓柴油發(fā)電機在采用中冷技術以后，增壓空氣在進入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制NOx的排放。廢氣渦輪增壓提高了汽缸內平均有效壓力、過量空氣系數和整個循環(huán)的平均溫度，可使柴油發(fā)電機顆粒物的排放量降低50%左右，并減少CO和CH的排放。利用中冷技術，NO的排放量可降低60%-70%。廢氣渦輪增壓中冷技術的應用大大提高了柴油發(fā)電機的動力性、改善了燃油經濟性，并且還在降低發(fā)電機組排放有害物、減少溫室效應氣CO2、保護環(huán)境等方面起到了重要作用。為使柴油發(fā)電機滿足歐洲I、Ⅱ法規(guī)，渦輪增壓中冷技術是一個很好的技術方案；為滿足更高的排放法規(guī)歐洲Ⅲ、Ⅳ的要求，則必須采用電控可變噴嘴渦輪增壓器。隨著渦輪增壓器技術和其他先進發(fā)動機技術的進一步發(fā)展，柴油發(fā)電機將會成為真采用柴油電控高壓噴射技術。柴油電控技術已從第一代的位置控制、第二代的時間控制發(fā)展到今天的共軌式電控高壓噴射。
（2）采用可變壓縮比技術
可變增壓的目的就是在不同轉速下盡可能達到最佳的增壓效果。發(fā)動機增壓，實際上就是提高進氣密度，這不僅能夠增加壓縮終了的壓力和溫度，有利于縮短著火延遲期，而且對一定的噴射系統(tǒng)，噴注的錐角加大，貫穿距離縮短，有利于改善霧化特性。因此，增壓與高壓噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，可進一步改善放熱規(guī)律。
3、進氣系統(tǒng)的優(yōu)化
對進氣系統(tǒng)進行優(yōu)化設計， 主要目的是在提高充氣效率的同時，合理組織進氣渦流， 以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少 NOx 的生成。提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結果可導致缸內最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使NOx的排放明顯增加；若減少進氣渦流的強度雖可減少NOx的排放，但又勢必會犧牲柴油發(fā)電機的動力性和經濟性。因此，可采用可變渦流進氣道技術使渦流比在0.2-2.5范圍內變化，以兼顧柴油發(fā)電機在整個工況范圍內務個方面的性能。但采用可變渦流進氣道技術存在著結構復雜和成本較高的問題，因而限制了該技術的推廣。
4、改進潤滑系統(tǒng)設計
減少潤滑油轉化為50%，可有效降低柴油發(fā)電機的PM排放。增加活塞環(huán)壓力，減少裙部間隙，優(yōu)化活塞環(huán)形狀設計，提高汽缸套圓度及改進進氣門挺桿的密封等措施，可有效地降低潤滑油消耗量，使串漏的潤滑油有效地燃燒，也可有效地降低排放。
5、采用多氣門技術
在柴油發(fā)電機上采用多氣門技術是滿足更嚴格排放指標的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央，從而優(yōu)化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現渦流比在不同轉速下的變化，這使混和氣的形成進一步優(yōu)化，因而在提高動力性和經濟性的同時減少了NOx排放，但增加了成本和結構的復雜性。例如采用四氣門技術的缸蓋，可優(yōu)化噴嘴位置，使其垂直置于燃燒室中央?；钊數娜紵野伎右餐瑯犹幱谥行奈恢没蛐D對稱位置，這樣就可在活塞頂燃燒室凹坑內形成均勻的氣流，多孔噴嘴噴出的油束處于沿任何方向流量均等的理想狀態(tài)，從而改善了進氣渦流和油霧分布的均勻性，達到了最佳的空氣利用率和降低顆粒排放的效果。
四氣門和五氣門結構如圖3、圖4所示。多氣門不僅能提高發(fā)動機功率，而且改善了活塞和噴油器的冷卻條件，可在不同轉速下實現渦流比可變，優(yōu)化了燃燒方式，降低了低轉速區(qū)的排放。
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圖3 柴油機四氣門結構圖 |
圖4 柴油機五氣門結構圖 |
二、機外后處理技術
1、稀氮氧化物技術LNC
（1）稀 NOx 技術指用 HC 作為還原劑來減少 NOx排放。
（2）根據HC的來源又分為被動稀NOx技術和主動稀NOx技術。
（3）被動LNC技術是利用廢氣中的HC作為還原劑
（4）主動稀 NOx 技術則是指通過共軌燃油系統(tǒng)的后噴射來增加廢氣中的HC量。
2、NOx選擇性催化還原
通常有選擇性非催化還原、非選擇性催化還原和選擇性催化還原三種方式
（1）選擇性非催化還原（SNCR）
只能在一定的溫度區(qū)間（800～1000℃）使用，而柴油機排氣不可能達到這樣高的溫度，因此只能通過在柴油機膨脹過程中，向氣缸中噴入氨水來實現，但效果不很理想，該技術僅在發(fā)電廠得到了廣泛應用。
（2）非選擇性催化還原（NSCR）
在催化劑存在的條件下，若還原劑優(yōu)先與氣相中的氧發(fā)生反應，再與NOx發(fā)生反應的還原過程稱非選擇性催化還原。NSCR技術將還原劑（如CH4，CO，H2）噴入排氣管中，在鉑或鈀催化轉換器的作用下與廢氣中的NOx進行反應。由于尾氣中含氧量較高，還原劑很容易直接被氧化，故消耗量極大。
（3）選擇催化還原（SCR）
用還原劑對含NOx的氣體進行催化還原處理，使之有選擇地和氣體中的NOx進行反應，而不和氧氣發(fā)生反應，可以與NOx發(fā)生催化還原反應的還原劑。
① NH3-SCR選擇性催化還原技術
NH-SCR系統(tǒng)一般由預氧化裝置，尿素熱解、水解裝置，SCR反應裝置和后氧化裝置四部分組成，如圖3所示。
• 工作原理∶
通過尿素噴射裝置使尿素溶液與發(fā)電機組產生的尾氣在排氣管內充分混合，加熱器在控制器的指令下對混合氣體加熱，混合氣體經過SCR催化劑的催化反應使尾氣中的氮氧化合物去除，使尾氣得到凈化。壓力傳感器和第一氮氧化合物傳感器可以監(jiān)測發(fā)電機組排出的尾氣的壓力和氮氧化合物含量，并將數據反饋給控制器，控制器對流量泵發(fā)出指令控制尿素的噴射量。溫度傳感器可以監(jiān)測混合氣體的溫度，以保證混合氣體在到達SCR催化劑時達到反應溫度。第二氮氧化合物傳感器可以監(jiān)測催化反應后的尾氣中氮氧化合物的含量，如果氮氧化合物含量超標，控制器會通過報警器發(fā)出警報。本實用新型可以對發(fā)電機組尾氣氮氧化物處理實現自動控制，對尾氣中的氮氧化物凈化效果好。
• 主要反應為∶
（NH2）2CO+H2O→CO2+2NH3+H2O
（尿素在常溫下能分解成氨氣、二氧化碳和水）
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
（氨氣與NO作用生成氮氣和水，氮氣揮發(fā)）
6NO2十8NH3→7N2十12H2O
（氨氣與NO2作用生成氮氣和水，氮氣揮發(fā)）
② 碳氫化合物選擇催化還原（HC-SCR）
該裝置結構外形如圖6所示。柴油發(fā)電機尾氣在稀燃條件下氧過剩，CO和HC含量很低，而NO2的含量比較高，其少量的HC可利用來選擇性還原NOx（HC-SCR，），達到同時除去HC和NOx的目的。試驗表明，烷烴、烯烴、芳香烴及柴油本身都能降低NOx的排放。
HC與NOx發(fā)生的反應如下∶
NO+HC+O2→N2+CO2+H2O
NOx的轉化效率不僅與碳氫化合物的種類有關，還與催化劑的選擇及碳氫的比率有關。
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圖5 NH3-SCR選擇性催化還原裝置 |
圖6 尾氣氮氧化物處理裝置結構圖 |
3、NOx 吸附催化劑NAC技術
原理如圖7所示。一般工況（稀燃富氧）時，NOx首先在貴金屬上被催化氧化為NO2，然后與NO.吸附劑發(fā)生反應形成硝酸鹽；當存儲物的吸附能力飽和，或燃料后噴引起尾氣溫度增加破壞硝酸鹽穩(wěn)定性之后，開始再生過程；再生時需要控制柴油發(fā)電機產生缺氧燃燒以獲得含有適量的CO，HC和H2的濃廢氣，硝酸鹽與CO和HC等還原成分反應生成NOx，然后NOx與還原成分CO，H2，HC在貴金屬催化劑的作用下發(fā)生反應生成N2。
影響NAC技術的最關鍵因素是燃料中的硫含量
（1）燃燒生成的SO2可在燃燒和后處理過程中生成硫酸鹽，這些硫酸鹽覆蓋在載體表面，嚴重影響捕集效果
（2）S燃燒生成的SO2能像NO2一樣與K2CO3反應生成KSO4，而KSO4特別穩(wěn)定，嚴重阻礙了LNT的還原再生。同時由于需要柴油發(fā)電機周期性的混合氣濃稀工況轉換（每分鐘約幾秒鐘），故引起燃料消耗較多，且CO2的排放相應增加。
4、低溫等離子體輔助催化還原技術（NTP）
該裝置外形結構如圖8所示。其生成機理可分為兩步∶
（1）首先以等離子體氧化為主，即利用等離子體發(fā)生器產生的低溫等離子體，在氧（O2）和碳氫化合物（HC）存在的條件下，將發(fā)電機組尾氣中的NO氧化為NO2；
（2）隨后進入催化還原階段，即將第一步經等離子體氧化并激活的含有NO2中間體與HC的混合體系，借助催化劑的作用，選擇性還原NO2，得到N2，CO2和H2O等。
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圖7 NOx吸附催化劑原理圖 |
圖8 低溫等離子體脫硝裝置 |
總結：
柴油發(fā)電機主要排放污染物之一是氮氧化合物（NOx）,不僅會生產酸雨，危害到植物生長，而且會破壞人體的中樞神經系統(tǒng)，因此NOx是柴油機排放主要控制指標之一。我國之前的環(huán)保意識比較滯后,特別是治理資金的缺乏，對于NOx的治理是很有限的。隨著我國經濟的發(fā)展，環(huán)保意識的加強，環(huán)境保護已成為當前和今后一項任重而道遠的工作。
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