大型养路机械柴油机尾气净化装置的研制

2015-12-28李红利何国华高春雷

铁道建筑 2015年4期

关键词：催化器养路净化器

李红利，何国华，高春雷

(1．中国神华轨道机械化维护分公司，天津300457;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

大型养路机械柴油机尾气净化装置的研制

李红利1，何国华2，高春雷2

(1．中国神华轨道机械化维护分公司，天津300457;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

铁路隧道内有砟道床在进行大型养路机械施工作业时，施工空间小，发动机废气浓度高，严重危害施工人员的健康及安全。为此研制了适用于大型养路机械的柴油机尾气净化装置。本文介绍了尾气净化装置的工作原理、结构设计，试验验证了其使用效果，给出了装置使用维护方法。

大型养路机械柴油机氧化型催化器隧道施工

1 概述

现有大型养路机械均采用柴油机作为主要动力，功率大，尾气和噪声也比较严重。大型养路机械作业时采用多种车型混合编组的方式，在局部区域同时开展作业，易导致施工环境发动机废气浓度高，危害施工人员的健康。在铁路隧道尤其是长大隧道内进行作业时，发动机排放的废气无法及时扩散，对施工人员的危害尤其严重［1］。因此，有必要开发一种适用于大型养路机械大功率柴油机的尾气净化装置。

柴油车尾气排放主要成分为N2，水蒸气，O2，CO2，CO，HC，SOx，NOx和PM(微粒)等污染物。

CO是燃料不完全燃烧的产物。柴油机排气中未燃烧的HC是由原始燃油分子或被分解的燃油分子再化合的中间产物组成，其中一部分来自润滑油，另一部分主要是由于混合气的不均匀(局部过浓或过稀)和壁面的冷激效应使缸内的燃料不能燃烧或只能部分燃烧而引起的。SOx是燃料中的S在燃烧后形成的。SOx被排出机外后，易形成酸雾，污染环境。NOx是N2在高温下燃烧的产物，在内燃机中主要是NO，其次是NO2。NOx可以与某些烃类发生化学反应，是形成酸雨和光化学烟雾的主要物质。HC和NOx在阳光强烈的紫外线照射下，可发生一系列光化学反应，进一步形成臭氧，产生光化学烟雾，使人呼吸困难甚至死亡，并使植物枯黄叶落，使橡胶制品和建筑物迅速老化。PM是除去未化合的水以外所有固态的碳基颗粒物、液态的燃油与润滑油以及无机物(附聚在碳基颗粒物表面上的SO2，NO2，H2SO3，Pb)的总称，是由于柴油机燃烧时燃料与空气混合不均匀造成局部过浓，在高温缺氧情况下产生的［2］。

2 尾气净化方式选择

目前国内工程机械及其施工领域提出了使用高品质柴油、对柴油适当掺水和加装尾气净化装置三种控制柴油机尾气污染物的技术措施［3］。在这三种方式中以加装尾气净化装置效果最好。

目前国际上柴油发动机的尾气净化设备主要有三种类型:水滤式净化装置、柴油颗粒捕集器和氧化型催化器［4］。

水滤式净化装置对硫化物的净化有一定效果，但是水滤式净化装置亲水性差，仅能净化较小颗粒，且在发动机运行时废气温度较高，水滤箱中的水会蒸发一部分，需要定时补充水，增加了工作量，还存在漏水隐患。如加水过多，对发动机也有影响。水滤箱体积较大，对安装空间及设备搬运都有较高的要求。发动机尾气消烟都是采用水喷淋循环喷淋工艺，该工艺虽然对发动机尾气治理有一定效果，但仅吸收部分二氧化硫和小部分碳烟，对发动机尾气的烟色及其刺激性气味改善不明显。经过这种工艺处理的发动机尾气必须用烟管引到高处排放，而且在发动机运行的时候，采用水喷淋治理工艺会消耗大量的自来水。目前，国内用于铁矿、铜矿等井下装载机都采用水洗过滤型尾气净化装置。由于井下作业的条件限制，使用水过滤尾气净化装置的产品需要大量水资源，且经过过滤的水需要定期更换，经过净化装置处理的水还含有硝酸等酸性物质，若排入地下，会造成二次污染［5］。发达国家很早以前已经不再采用水箱处理尾气，国内井下设备也在逐步淘汰这种方案。

柴油颗粒捕集器主要用于碳烟颗粒的捕捉。其采用可通气的多孔材料，过滤式的陶瓷载体由许多细小的平行孔道组成。这些平行孔道之间由通气性的孔壁分隔，一端开放，一端堵塞，过滤器孔壁中的微孔可以让柴油的废气分子通过，黑烟颗粒由于粒径较大无法通过微孔，被过滤在陶瓷孔壁表面，进而达到消除黑烟的效果，但无法满足废气净化要求［6］。

氧化型催化器是一种综合性的尾气净化装置，能够同时降低发动机内排放出来的颗粒物及有害气体，可以在发动机排气口加装该装置。三效催化剂闭环控制系统是最常用的排气净化系统。在这个系统中，柴油发电机排出的三种主要污染物CO，HC，NOx能同时被高效率地净化。烟尘净化器主要由载体、涂层、活性物、衬垫和壳体等组成。柴油经过燃烧后排出的废气中含有大量的CO、碳氢化合物和氮氧化物。这些物质的存在会使我们看到发电机尾气的烟色和嗅到发电机尾气刺激性的气味。这些物质在净化装置的作用下以及在220℃以上高温与烟气中的氧继续反应，生成CO2和H2O排入大气中。同时NOx也生成了H2和H2O排入大气中。CO和HC转化率可以达到95%以上，NOx的转化率在40%以上，可解决柴油机尾气排放造成的污染问题。国内有关柴油车尾气净化的研究起步较晚，但发展较快，如清华大学、昆明贵研催化剂有限公司、中国科学院生态环境研究中心等单位在氧化物和贵金属催化剂的制备、评价上开展了大量工作［7］。

综合大型养路机械的结构特点和使用要求，选用DOC贵金属氧化型催化器来全面净化尾气。同时，为适应大型养路机械结构紧凑、安装空间较小的特点，优化其结构形式，将尾气净化装置和发动机消音器制作在一起，直接安装在发动机排气管出口。

3 尾气净化装置的研制

3.1 工作原理

DOC贵金属氧化型催化器工作原理如图1所示。其氧化原理与汽油机三元催化器氧化CO和HC的原理基本一样，主要目的是降低CO，HC及其他废气的排放。它可以非常有效地去除尾气中的CO和HC，并能氧化掉PM中的可溶性有机物(SOF)，还可以净化多环芳香烃和乙醛等有害成分。贵金属催化剂选用成熟的以铂金为主的氧化型催化剂，铂金抗SO2性能及自我恢复功能好［8］。

3.2 净化流程

尾气净化装置安装在柴油机排气管后方，有害气体经过排气管道进入净化器，通过净化器对有害物质进行处理，最后经过处理后的尾气可直接排出到大气中，如图2所示。

图1 DOC贵金属氧化型催化器工作原理

图2 净化流程

3.3 结构设计

尾气净化装置采用薄壁金属结构的铁铬铝合金制金属载体，如图3所示。将尾气净化装置和消音器制作在一起以减小安装空间。产品直接安装在排气歧管出口的波纹管后，排气管接口尺寸可根据不同的发动机定制。

图3 尾气净化装置外观

采用先进的催化剂(图4)，保证尾气净化器能在最低的排气温度中正常工作。将贵金属催化剂布置成蜂窝状，既可以增加氧化反应面积，充分氧化有害气体，又可以阻挡较大颗粒物直接排放到大气中。催化剂配方耐久性高，既有超长使用寿命，又可保持最高转化效率。合金金属制载体在超过1 100℃以上的高温下仍能保持高耐久性，同时能防止发动机震动及高温引起的热膨胀带来的崩塌故障［9］。标准件安装简单，安装要求的空间小，使用维护方便。

图4 贵金属催化剂

3.4 试验验证

将研制出的柴油机尾气净化装置放置在试验台上进行试验，如图5所示。采用烟气分析仪测量尾气净化前后的成分，比较各项成分的变化情况。经过试验分析，通过尾气净化装置的净化，尾气中有害成分大大减少，其中CO减少99%，HC减少91.2%，NOx减少15.4%，PM减少21%。尾气净化装置安装前后尾气中CO含量变化曲线如图6所示。随着尾气温度的升高，DOC的净化率逐步升高，220℃以上时对CO可达到80%以上的净化率，温度达到260℃以上时可达99%的净化率。

图5 尾气净化装置测试

图6 尾气净化前后CO含量变化曲线

3.5 使用维护

目前由于催化再生技术中使用的催化剂受柴油品质、温度、尾气中杂质等因素的限制，经常出现催化剂“中毒”等情况，无法正常发挥作用［10］。由于常用的催化剂及过滤材料较为昂贵，更换性差，因此目前大多数颗粒捕集器采用固定不可拆卸式，限制了颗粒捕集器的普及和柴油机的发展。为了解决这一问题，本文采用可拆卸式结构。由于温度对净化器的工作影响很大，温度越高，其工作效果越好，因此净化器的安装位置要求尽量靠近柴油机。为了防止粉尘进入柴油机气缸，净化器应该水平安装。另外，为了保证进入烟尘净化器的气体温度，途中尽量减少热量损失，在柴油机净化器之间的排管要求包保温材料。由于国产柴油含硫量较大，如果采用稀土或贱金属作为催化剂，运行了一段时间后，CO和HC的转化效果会降低，原因是硫会吸附在催化剂表面，阻挡了催化剂的工作。而采用贵金属作催化剂后，中毒现象变得很微弱，贵金属具有良好的抗“中毒”的特性。另外，净化器运行了一段时间后，会有柴油机的黑碳粒积聚，严重时会增加柴油机的背压。

DOC系列柴油机氧化型催化净化器工作500 h左右后压力接近柴油机最高限制值时，应在停机冷却后拆下侧盖板，松开载体压紧螺丝(或卡箍)，取出内部DOC净化芯，用高压空气反吹出净化芯内积存的炭渣。清除净化芯内部残余炭渣可保证排气通畅。若发动机长期低负荷工作，排气温度低，净化芯可能产生积炭，应缩短维护时间，要注意背压，及时清理。