新聞主題	柴油發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電機組作為備用電源或者供應電源，柴油發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。隨著人們對環保的要求越來越高，對柴油發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。康明斯公司在本文中介紹了現代柴油發電機的氮氧化合物最新處理技術。

 

一、柴油機機內凈化技術

 

      所有改進柴油發電機性能的機內措施，都是通過放熱規律的控制來實現的，而放熱規律又是燃燒過程的具體體現。放熱規律控制策略如圖1所示。

1、改進燃燒系統

      改進燃燒系統指的是燃燒室的形狀、供油系統、進氣流動的最佳匹配。應保證在發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、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油發電機性能，又可降低柴油發電機尾氣排放物，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

      可在柴油發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的共軌噴射系統，如圖2所示。可自由選擇噴油壓力，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和電控噴油器的柴油發電機試驗中觀察到，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）的應用可使柴油發電機通過最佳噴油定時、最佳噴油率和預噴射，與發動機轉速、負荷之間的關系進行連續調節，使顆粒排放降低40%以上，并且發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律進行控制，能根據發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動機的空燃比，有利于實現有效的機外凈化措施。

 

圖1  柴油機放熱規律的控制策略

圖2  電控高壓共軌式燃油系統

 

2、采用增壓中冷技術

（1）普通的增壓中冷

      柴油發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的平均溫度，可使柴油發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電機的動力性、改善了燃油經濟性，并且還在降低發電機組排放有害物、減少溫室效應氣CO2、保護環境等方面起到了重要作用。為使柴油發電機滿足歐洲I、Ⅱ法規，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動機技術的進一步發展，柴油發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，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的優化，可進一步改善放熱規律。

3、進氣系統的優化

      對進氣系統進行優化設計， 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、改進潤滑系統設計

      減少潤滑油轉化為50%，可有效降低柴油發電機的PM排放。增加活塞環壓力，減少裙部間隙，優化活塞環形狀設計，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，可優化噴嘴位置，使其垂直置于燃燒室中央。活塞頂的燃燒室凹坑也同樣處于中心位置或旋轉對稱位置，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，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，優化了燃燒方式，降低了低轉速區的排放。

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，若還原劑優先與氣相中的氧發生反應，再與NOx發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，而不和氧氣發生反應，可以與NOx發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測發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，控制器對流量泵發出指令控制尿素的噴射量。溫度傳感器可以監測混合氣體的溫度，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出警報。本實用新型可以對發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）

6NO2十8NH3→7N2十12H2O

（氨氣與NO2作用生成氮氣和水，氮氣揮發）

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。

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定性之后，開始再生過程；再生時需要控制柴油發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特別穩定，嚴重阻礙了LNT的還原再生。同時由于需要柴油發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。

 

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，因此NOx是柴油機排放主要控制指標之一。我國之前的環保意識比較滯后,特別是治理資金的缺乏，對于NOx的治理是很有限的。隨著我國經濟的發展，環保意識的加強，環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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