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柴油发电机组排放污染物的有效控制措施(一)

发布时间:2021-08-25来源:顶博 人气:
由于汽油机排放的NOx可以通过三效催化剂或稀燃来解决,而柴油机排气中富氧条件下的NOx催化剂尚在研究开发中,目前尚无成功的催化剂可用,如何在保持柴油机良好性能的同时减少NOx的生成,是目前面临的重大技术挑战。

柴油发电机组

       柴油机的CO和HC排放量相对汽油机来说要少得多,但NOx与汽油机在同一数量级,而微粒和碳烟的排放要比汽油机大几十倍甚至更多。因此,柴油机的排放控制,重点是NOx与微粒,其次是HC。降低微粒和碳烟排放与改善柴油机燃烧过程是完全一致的,不过NOx排放往往与之矛盾,这就为柴油机的排放控制造成特殊的困难。由于汽油机排放的NOx可以通过三效催化剂或稀燃来解决,而柴油机排气中富氧条件下的NOx催化剂尚在研究开发中,目前尚无成功的催化剂可用,如何在保持柴油机良好性能的同时减少NOx的生成,是目前面临的重大技术挑战。
 
       柴油机造成污染物排放的根本原因在于燃油与空气混合不好。柴油机运转时,平均过量空气系数a一般都在1.3以下,如果达到理想的混合,碳烟是不可能生成的,NOx的生成也不会很多。但混合不好导致局部缺氧,使碳烟大量生成。同时存在很多a=1.0~1.1的高NOx生成区。所以,柴油机的排放控制要围绕改善油气混合这一中心任务,防止局部a超过0.9(这有利于NOx生成)和低于0.6(这有利于碳烟生成),做到油、气、室(燃烧室)三者的最佳匹配,这是降低柴油机排放最为常见和治本的措施。
 
       一、柴油机内的净化措施
       1、选择低污染燃烧系统。在柴油机的机内净化措施中,燃烧室的结构型式、形状和结构参数对污染物排放的影响占有主要地位。相对于直喷式燃烧系统而言,间喷式燃烧系统(涡流室、预燃室)就属于低污染燃烧系统。
 
       国外生产的地下用柴油动力设备一般都采用间喷式燃烧系统,如DeutzFL413FW系列柴油机(二级燃烧系统)、Caterpillar3306PCT型柴油机(预燃室)及Deutz——MWMD916/D932系列柴油机(预燃室)等。
 
间喷式柴油机的污染物比直喷式柴油机低得多的原因是,间喷式燃烧系统有强烈的气流运动,而且又是两次混合和两次燃烧(一是在辅助燃烧室,即涡流室或预燃室内的混合与燃烧,二是当燃气从辅助燃烧室流出之后,在主燃烧室内的混合与燃烧),又存在压缩涡流和燃烧涡流。因此,间喷式燃烧系统的混合气形成和燃烧比较充分及完善,故CO排放远比直喷式的低。
 
       对HC来说,由于间喷式柴油机混合气形成质量大为改善,因此减少了混合气中的过浓区和过稀区,进而减少了过浓缺氧区HC的未燃、裂解和不完全燃烧,降低了在稀燃极限以外的碳氢燃料无法完全燃烧而留下HC,这样就减少了HC排放。
 
       间喷式柴油机NOx排放也比直喷式低,因为涡流室(或预燃室)中温度虽高,但氧的浓度很低,不利于NOx生成。当燃烧不完全的高温燃气夹带着未燃烧的燃油一起喷人主燃室后,很快与空气混合,这时氧虽有富余,但活塞已开始下行,燃气温度降低,而且气体在高温下停留的时间较短,也不利于NOx生成。
 
       对碳烟微粒而言,间喷式柴油机亦比直喷式低,原因是间喷式燃烧系统具有强烈的空气涡流运动,混合气经两次混合、两次燃烧。在辅助燃烧室里生成的碳烟,在相当程度上经主燃室的后续燃烧而被氧化。
 
       味直喷式燃烧室具有油耗低和冷起动性能好的显著优点,因而在柴油机上获得了广泛应用,但其主要缺点是排污严重。目前人们力求通过研制新的直喷式燃烧系统来兼顾低油耗、低排放的要求,具有代表性的是微涡流型半开式燃烧室,例如四角形燃烧室、微混合燃烧系统(HMMS)、微涡流燃烧室(MTCC)等。这些燃烧室依靠气流运动、供油系统与燃烧室的合理匹配,因而可以在保持低油耗的同时降低排气污染。
 
       2、改进供油系统包括以下几个步骤:
       1)延迟喷油定时。延迟喷油定时是柴油机降低NOx排放的一项行之有效的措施。由于延迟喷油定时,因而降低了气缸内最高燃烧温度,故抑制了NOx的生成。但延迟喷油定时会引起碳烟和微粒排放增加以及动力性、经济性的损失。
       2)提高喷油速率。提高喷油速率,可使喷油持续期缩短,这样可防止着火后有较多的燃油喷到高温火焰中去。因为后者会引起热束缚效应,并使燃油高温裂解而形成碳烟及微粒。所以,柴油机应有较高的喷油速率。但提高喷油速率会使NOx排放增加。
       3)减小喷油嘴压力室容积。喷油嘴压力室容积对HC排放有很大的影响。无压力室(VCO,即针阀关闭喷孔式)的喷油嘴,HC排放明显低于有压力室喷油嘴。因此,要获得低的HC排放,对喷油嘴来说,可采用无压力室或减小压力室容积到最小程度。但压力室容积的减小受喷油嘴寿命的限制。
       4)采用高压喷射系统。研究表明,较高的喷油压力对改善燃油雾化、油气混合、缩短燃烧持续期和改善排放有利,它可使HC、烟度及微粒排放降低。目前传统的泵-管-嘴系统的喷油压力可达110~130MPa,泵-喷嘴系统对高速柴油机可提供150MPa或更高的喷油压力。
       5)采用泵-喷嘴结构的供油系统。泵-喷嘴由于具有高的喷油压力和喷油能量而又不易发生二次喷油及穴蚀的优点,因此引起人们日益重视与青睐。采用泵-喷嘴的柴油机,不仅燃油经济性好,而且排放低,特别是HC、碳烟和微粒排放低。如再适当延迟喷油,则可使NOx降低。
 
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