矿用防爆柴油机氧化催化器的开发与试验

李阳阳

(山西西山中煤机械制造有限公司，山西 太原 030053)

·试验研究·

矿用防爆柴油机氧化催化器的开发与试验

李阳阳

(山西西山中煤机械制造有限公司，山西 太原 030053)

对柴油机氧化催化器进行了设计开发及试验，结果证明，该催化器可以在排气温度较低(150 ℃～160 ℃)的工况下，高效地去除尾气中的CO成分，可以将其应用在矿用防爆柴油机无轨胶轮车上，改善胶轮车尾气的排放。

矿用防爆柴油机无轨胶轮车；氧化催化器；低温；一氧化碳(CO)

随着环境形势的日益恶劣，国家对环境保护的重视程度不断提高，尤其是对空气污染占20%以上的机动车排气污染，目前国家已出台相应的法律法规来控制、减少机动车的尾气污染。在煤矿生产中，矿用防爆柴油机无轨胶轮车虽然发挥了重要的作用，但是尾气的排放对矿井环境及工人的健康造成了影响，成为各胶轮车制造企业难以攻破的课题。可见，改善井下防爆柴油机无轨胶轮车的尾气排放已迫在眉睫。

1 防爆DOC催化器的设计

柴油机氧化催化器(DOC)主要用于降低柴油机CO、HC的排放，同时氧化催化器可以结合机内净化技术(EGR、增压中冷等)满足轻型柴油机国IV排放标准要求，也可以通过结合其它尾气后处理技术(SCR、DPF等)共同使用，以满足重型柴油车未来更严格的排放法规要求。该氧化催化器不需要再生，系统结构简单，成本相对较低，目前已成为尾气后处理产品中应用最多的一个。

柴油机氧化催化器主要由壳体、减震层、载体及催化剂4部分组成。

1) 氧化催化器的壳体由不锈钢制成，以防止因氧化皮脱落而造成催化器的堵塞。同时考虑到矿用防爆柴油机要求DOC催化器表面温度不超过150 ℃，因此需要对DOC进行隔热处理，使催化器的表面温度不超过法规要求。

催化转化器壳体应满足以下条件：a) 壳体的热膨胀系数要尽可能小。b) 壳体材料应具有较强的耐腐蚀性。c) 壳体的结构设计应尽可能考虑其强度和刚度要求。

2) 氧化催化器的减震层有金属网和陶瓷密封垫两种，而陶瓷密封垫在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固定力都比金属网优越，是常用的垫层。它主要起到的作用是：a) 固定载体并保证其安全使用。b) 在氧化催化器及内部构件受到冲击时起到缓冲作用。c) 防止废气从载体与壳体之间的间隙逸出。d) 防止氧化催化器内部过热的温度传递给氧化催化器壳体。e) 起到一定的隔声、吸声的作用。

3) 氧化催化器的载体主要分为3种：颗粒状载体、蜂窝陶瓷载体和金属载体。其性能的好坏，对催化剂的活性和寿命影响极大。而理想的载体应具有以下特性：a) 足够的机械强度，以适应汽车的震动。b) 足够的耐热性。c) 合适的孔隙结构或开孔率。d) 不含有使催化剂中毒的物质。e) 不与催化剂发生相互作用。

本次设计开发的氧化催化器选用金属载体，由特殊的金属薄片卷成，形状类似蜂窝体。 实践表明，与金属载体相比，目前通用的蜂窝陶瓷载体存在着元件壁较厚、排气阻力较大等缺点。因此，各国都在进行金属载体的开发。金属载体壁厚仅为陶瓷载体的1/4，因而可降低排气阻力，另外还有温度适应性好等优点。

4) 氧化催化器中的关键组分是催化剂活性组分。常用的活性组分是铂、铑和钯等贵金属催化剂以及铈、镧、镨等稀土元素和铜、铁、锰、钴等贱金属。贵金属催化剂虽然具有活性高、净化效果好、寿命长等优点，但是造价较高而且蕴藏量低。

本次的催化剂组分主要是贵金属铂，铂在催化剂中的作用主要是使一氧化碳和碳氢化合物转化成二氧化碳和水。

开发的防爆金属DOC是在排气温度较低的条件下对矿用防爆柴油机无轨胶轮车尾气中的CO、HC和颗粒物中的可溶性有机物进行净化的装置。该装置采用具有抗震性好、流动阻力低、体积小等优点的金属载体担载贵金属催化剂，起燃温度在150 ℃～160 ℃，能在排气温度较低的条件下使得排气中的CO与贵金属催化剂发生化学反应从而去除CO含量。氧化催化器的反应机理见图1.

图1 氧化催化器的反应机理图

防爆DOC催化器需要根据实车安装空间尺寸进行合理设计与开发，同时考虑到矿用防爆柴油机要求DOC催化器表面温度不超过150 ℃，因此需要对DOC进行隔热处理，使催化器的表面温度不超过法规要求。从本次试验结果来看，实验过程中催化器表面温度始终维持在55 ℃～70 ℃，远低于法规要求的150 ℃。前期的设计见图2，温度场模拟见图3.

图2 DOC的设计图

图3 防爆DOC催化器的3D模型和温度场分布图

2 防爆DOC催化器的测试

本次试验通过两组试验数据进行对比，一组未安装DOC催化器，一组安装DOC催化器。试验使用水力测功机、便携式尾气排放分析仪等仪器设备。

3 试验结果及分析

试验分别选取1 000 r/min、 600 r/min、2 000 r/min等转速，负荷率为50%、75%、100%. 具体试验数据见表1.

表1 具体试验数据表

试验用矿用柴油发动机外特性最大扭矩282 N·m，对应转速2 200 r/min. 图4,5分别选取了转速在1 600 r/min，2 200 r/min，对应负荷率0%、50%、75%、100%下的DOC催化器前后CO排放量及相应工况下的转化效率。其中，在2 200 r/min、100%负荷率下排气最高温度为290 ℃，1 600 r/min、100%负荷率下最高温度为215 ℃，试验最低温度42 ℃(转速=710 r/min，负荷率0%).

从图4,5可以看出，在低转速、低负荷下由于排气温度较低，尚未达到催化剂的最低起燃温度，故DOC催化器对CO的转化效率较低；随着负荷的增加，排气温度不断上升，当排气温度大于150 ℃时(转速=1 600 r/min，负荷率75%，温度160 ℃)，催化器转化效率不断上升，最大转化效率接近100%.

图4 转速为2 200 r/min下不同负荷CO排放及转化效率情况图

图5 转速为1 600 r/min下不同负荷CO排放及转化效率情况图

4 结 论

该款催化器体现了良好的CO转化性能，在转速1 600～2 200 r/min，负荷率75%～100%的工况下(即矿用防爆柴油机无轨胶轮车常用工况)，CO转化效率接近100%，可以高效地去除尾气中CO的含量，具有较大的实用价值。

[1] 赵 航，王务林.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社，2010：12-13.

Development and Test of Oxidation Catalytic Converter for Explosion-Proof Diesel Engine

LI Yangyang

The oxidation catalytic converter is designed and developed for diesel engine. The test results show that the catalytic converter can effectively remove the CO components from the exhaust under the condition of low temperature (150 ℃～160 ℃). The achievement could be introduced to explosion-proof diesel engine of trackless rubber tyred vehicles which are mostly used underground for short distance transportation, so to improve the underground air quality.

Mine explosion-proof diesel engine trackless rubber tyred vehicle; Oxidation catalytic converter; Low temperature; Carbon monoxide (CO)

2016-11-25

李阳阳(1986—)，男，山西太原人，2009年毕业于太原科技大学，助理工程师，主要从事矿用防爆柴油机无轨胶轮车的设计开发工作

(E-mail)yang4131610@163.com

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1672-0652(2017)01-0050-04