柴油机的尾气处理技术
摘要:本文简要介绍了柴油机的发展趋势,与汽油机相比,柴油机有不可取代的优势,并阐述了尾气主要成分和我们现在对柴油机主要污染物的处理技术。
关键词:柴油机尾气污染物
随着生活水平的日渐提高,汽车的使用越来越普及。
大气污染的问题越来越突出,汽车污染成为了大气污染的主要来源之一,污染问题影响了人们的健康生活,不仅会制约汽车的发展,也牵制着国家的发展。
与汽油车相比,柴油车具有良好的动力性,经济性和热效率高等优点,柴油机在各种动力装置和车辆上得到日益广泛的应用。
据有关机构预测,在2001年至2014的15间,全球的汽车市场总规模将增长39%,其中汽油车增长23%,柴油车增长97%。
由于柴油机具有较高的热效率,原油资源日渐短缺,柴油机的节油效果得到美国、日本、韩国等发达国家的高度重视,柴油机应用在轿车上将成为一种趋势。
与汽油机相比,柴油机的有害气体HC,CO排放量相当低,一般只有汽油机的几十分之一,柴油机的NOx排放量和汽油机处于同一个数量级,而微粒排放是汽油机的30～50倍。
在工作过程中柴油机主要会释放两类物质:一种是可见产物,也就是颗粒物,像碳粒、重碳氢化合物、硫酸盐、油气、水汽及灰分等,第二种是不可见物质,像一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)和二氧化硫(SO2)、碳氢化合物(HC)等。
CO
是对人体有害的一种气体,不会在大气中自净;气味难闻刺鼻的是SO2;在地理条件合适的情况下,HC、NO在太阳光下会产生光化学烟雾,该物质毒性强烈;NOｘ和SO2易溶于水形成酸雨。
显然,柴油机工作排出的燃烧产物不仅会对人类生存环境造成污染与破坏,而且由于柴油燃烧不完全,造成了能源的浪费。
碳烟越浓,排放的可燃物越多,对环境造成的污染越严重,能源的浪费就越大。
控制重点是氮氧化合物、氢氧化物和颗粒污染物。
当前柴油机尾气排放的主要净化措施有以下几点。
1 利用废气再循环系统降低NOX的生成
柴油机与汽油机一样也有大量的NOX生成,废气再循环(EGR)就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应,利用废气中含有大量的惰性气体(CO2、N2、H2O等)具有较高的比热容这一特性,来降低NOX的生成。
柴油机NOX生成的原因是:燃烧过程的平均过量空气系数虽然比较大,但因混合气成分不均匀,局部燃烧温度仍很高,所以生成大量NOX不过,随着柴油机负荷的降低,NOX的排放迅速减小。
在汽油机上降低NOX最主要的方法是通过废气再循环(EGR),而柴油机也可以通过废气再循环(EGR)来降低NOX排放。
废气再循环
(EGR)为什么能降低NOX呢?因为NOX的生成条件是高温富氧,而废气的引入,一方面使混合气热容量增大,造成相同量的混合气升高同样温度所需热容量增大,从而降低最高燃烧温度;另一方面,废气对新鲜充量的稀释也相应降低了氧的浓度,从而有效的抑制了NOX的生成。
2 利用催化转化技术减少PM、HC和CO的排放
柴油机用催化转化剂与汽油机的基本相同,可用Pt等贵金属。
催化转化剂(Oxidizingtalyst)的作用是促使排气中的PM、HC和CO发生催化反应,被氧化为水和二氧化碳排出。
但因柴油机排气温度低,微粒中的碳烟难以氧化,氧化催化剂主要用于转化可溶性有机组分SOF(Soluble Olganic Fraction),达到微粒排放降低的效果。
同时也可使HC和CO排放进一步降低,还可净化其他有害成分(如乙醛等),以及减轻柴油机排气臭味。
试验表明当使用Pt系催化剂时,由于大量硫酸盐的产生使微粒排放总量比未使用催化剂时高了50％以上,但如果使用Pd系催化剂,在SOF排放明显降低的同时硫酸盐的生成量也不大,因而微粒排放总量降低约1/3。
另外,用氧化硅代替氧化铝作为涂层材料也可以减少硫酸的生成。
发动机刚起动后的催化剂活性很低的低温阶段,排气中的未燃成分HC和PM(ParticulateMatter)中的可溶有机成分SOF被HC的吸附
材料所吸附,当温度升高后,催化剂的活性提高,吸附材料的吸附能力降低,于是未燃HC和SOF脱离吸附材料,在催化转化剂的作用下变为无害的成分排出。
由于采用了和SO2难以反应的材料,催化器的寿命和效率得到了提高。
这种带有吸附功能的催化转化器可使排气中的CO、HC、SOF减少50％～90％。
这种催化器的缺点是不能除去PM 中的炭粒部分。
催化转化器应用的困难主要为柴油中含有较高的硫,燃烧后生成SO2,经催化器氧化后变为SO3然后与排气中的水结合后会生成硫酸盐等。
催化转化效果越好,硫酸盐生成越多,甚至达到平时的8～9倍。
这无疑将抵消掉SOF的减少所带来的环境效益,甚至反而使微粒排放上升。
同时,硫也是催化剂中毒劣化的原因之一。
3 颗粒物的净化技术
柴油机颗粒物的净化技术主要有上述的催化转化技术以及过滤净化技术、颗粒收集或捕集(捉)技术以及催化转化器和过滤器并用技术。
其中最为有效的方法是各种过滤器。
颗粒过滤器也叫颗粒收(捕)集器、颗粒捕捉器等。
颗粒过滤器DPF(Diesel Particulate Filter)的原理是先用过滤装置过滤废气中的颗粒物质,当过滤器收集到的颗粒物太多影响柴油机工作时,然后采用更换过滤器或对收集的颗粒采用氧化或燃烧技术进行
清p柴油机在高速、高负荷运转时,排气温度可以达到600℃以上,过滤器的颗粒能较快地氧化燃烧。
试验表明,大约有85％的颗粒氧化成CO2气体,其余部分因缺氧未完全燃烧,成为CO;而在部分负荷、小负荷时,温度低,不能进行颗粒过滤器的再生。
为了能在多种工况下使颗粒物发生氧化反应变成CO2气体,通常采用降低颗粒开始着火燃烧的最低温度或者提高排气温度的方法。
柴油机的技术得到不断的改进,越来越多的技术应用在对柴油机的尾气处理上,相信在未来,柴油机的尾气排放对环境的污染会进一步降低,柴油机的使用将会大大地提高不可再生资源的利用率。
参考文献
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