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柴油发电机氮氧化合物的处理技术 |
摘要：当前很多地方使用柴油发电机组作为备用电源或者供应电源，柴油发电机组排出的尾气中主要的污染物是氮氧化合物和颗粒物。随着人们对环保的要求越来越高，对柴油发电机组排放尾气的污染问题越来越重视。然而，目前应用的柴油发电机组尾气处理方式主要是采用水浴除尘、高空排放的方法。这种方法只能去除部分颗粒物和降低黑度，对于尾气中的氮氧化合物没有办法去除。康明斯公司在本文中介绍了现代柴油发电机的氮氧化合物最新处理技术。
一、柴油机机内净化技术
所有改进柴油发电机性能的机内措施，都是通过放热规律的控制来实现的，而放热规律又是燃烧过程的具体体现。放热规律控制策略如图1所示。
1、改进燃烧系统
改进燃烧系统指的是燃烧室的形状、供油系统、进气流动的最佳匹配。应保证在发动机整个工况范围内，燃油在燃烧室中均匀分布，有合适的气体流动，有合理的喷油规律。这一措施有可能同时实现降低PM和NOx的排放的目的。如高压共轨、泵喷油器等，喷射压力高达100～250MPa，可实现预喷射和多段喷射，由此提高放热规律的控制自由度，有效地限制预混合燃烧放热率，促进扩散燃烧速率。
（1）电喷技术
采用电控制喷油泵、电控泵喷嘴、电子调速器、可变涡流系统、多气门化和中央配置喷油器等措施，既可改善柴油发电机性能，又可降低柴油发电机尾气排放物，尤其是颗粒PM物质的排放。防止机油串入燃烧室。由于柴油发电机排放颗粒状物质的相当部分，是由串入燃烧室的机油的不完全燃烧造成的，所以应尽可能地减少串机油量。防止和减少机油串入燃烧室，应通过加强机体刚度，改善汽缸盖与机体的连接，减少汽缸工作面的变形，改善活塞、活塞环和汽缸表面的设计，加强机油控制，减少从气门推杆泄漏机油等措施来实现。
（2）推迟喷射时期
配合高压喷射，有效地推迟喷射时期，由此缩短着火延迟期；同时，通过高压喷射强制雾化，结合燃烧室内的气流特性促进扩散燃烧速率，缩短整个燃烧期间，从而在不改变经济性的条件下，有效地降低NOx排放。
（3）使用缩口低排放型燃烧室
结合燃烧室结构形状的合理设计，利用压缩过程和膨胀过程中燃烧室内的气流特性，保证扩散燃烧阶段具有较强的气流强度及其保持性，促进扩激燃烧速率。
（4）采用EGR技术
通过EGR和喷射压力以及喷射时刻的协调控制，可以有效地抑制预混合燃烧阶段的放热速率和燃烧温度，达到有效控制NOx排放的目的，同时结合高压喷射及燃烧室内的气流特性，促进扩散燃烧，由此改善燃油经济性和碳烟排放。
（5）提高喷油压力和减小喷孔直径
提高喷油压力和减小喷孔直径可明显地降低 PM 的排放。 为了避免高压喷射导致的 NOx 的增加，要求适 当降低空气涡流运动，提高压缩比和可变定时 燃油喷射与其相适应。高压喷油系统需要和燃 烧室良好配合， 以避免过多燃油喷射到汽缸的 冷表面上，减少 HC 和 PM 中 SOF（有机可溶物） 的排放； 同时减少喷嘴压力室容积或采用无压 力室喷油嘴，能使 PM 和 HC 排放大大减少；通 过燃油喷射率的优化，如采用双弹簧喷油器， 可降低 PM 和 NOx 的排放。
（6）共轨式喷油系统
可在柴油发电机运转的整个特牲曲线范围内改变喷油过程。例如康明斯公司开发的共轨喷射系统，如图2所示。可自由选择喷油压力，高精度控制喷油量，灵活控制喷油定时，并可灵活进行预喷射和多级喷射，对颗粒和烟度的降低很有利。在采用共轨多级喷射系统和电控喷油器的柴油发电机试验中观察到，由于分段喷射加强了空气的卷吸和紊流，加强了燃油和空气的混合，可明显降低烟度。
电子控制柴油发电机高压喷射技术（如电控高压共轨喷射）的应用可使柴油发电机通过最佳喷油定时、最佳喷油率和预喷射，与发动机转速、负荷之间的关系进行连续调节，使颗粒排放降低40%以上，并且发动机过渡工况的排放性能也可得到显著改善。电控高压喷射控制对喷油规律进行控制，能根据发动机运行工况实现最佳喷油，同时通过控制预混合燃烧与扩散燃烧的比例，可同时降低有害排放和控制发动机的空燃比，有利于实现有效的机外净化措施。
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图1 柴油机放热规律的控制策略 |
图2 电控高压共轨式燃油系统 |
2、采用增压中冷技术
（1）普通的增压中冷
柴油发电机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，NOx的排量也必然增加。但增压柴油发电机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制NOx的排放。废气涡轮增压提高了汽缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，可使柴油发电机颗粒物的排放量降低50%左右，并减少CO和CH的排放。利用中冷技术，NO的排放量可降低60%-70%。废气涡轮增压中冷技术的应用大大提高了柴油发电机的动力性、改善了燃油经济性，并且还在降低发电机组排放有害物、减少温室效应气CO2、保护环境等方面起到了重要作用。为使柴油发电机满足欧洲I、Ⅱ法规，涡轮增压中冷技术是一个很好的技术方案；为满足更高的排放法规欧洲Ⅲ、Ⅳ的要求，则必须采用电控可变喷嘴涡轮增压器。随着涡轮增压器技术和其他先进发动机技术的进一步发展，柴油发电机将会成为真采用柴油电控高压喷射技术。柴油电控技术已从第一代的位置控制、第二代的时间控制发展到今天的共轨式电控高压喷射。
（2）采用可变压缩比技术
可变增压的目的就是在不同转速下尽可能达到最佳的增压效果。发动机增压，实际上就是提高进气密度，这不仅能够增加压缩终了的压力和温度，有利于缩短着火延迟期，而且对一定的喷射系统，喷注的锥角加大，贯穿距离缩短，有利于改善雾化特性。因此，增压与高压喷射系统的优化，可进一步改善放热规律。
3、进气系统的优化
对进气系统进行优化设计， 主要目的是在提高充气效率的同时，合理组织进气涡流， 以利于混合气的形成，提高燃烧速率，并尽量减少 NOx 的生成。提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力与温度的升高，从而使NOx的排放明显增加；若减少进气涡流的强度虽可减少NOx的排放，但又势必会牺牲柴油发电机的动力性和经济性。因此，可采用可变涡流进气道技术使涡流比在0.2-2.5范围内变化，以兼顾柴油发电机在整个工况范围内务个方面的性能。但采用可变涡流进气道技术存在着结构复杂和成本较高的问题，因而限制了该技术的推广。
4、改进润滑系统设计
减少润滑油转化为50%，可有效降低柴油发电机的PM排放。增加活塞环压力，减少裙部间隙，优化活塞环形状设计，提高汽缸套圆度及改进进气门挺杆的密封等措施，可有效地降低润滑油消耗量，使串漏的润滑油有效地燃烧，也可有效地降低排放。
5、采用多气门技术
在柴油发电机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOx排放，但增加了成本和结构的复杂性。例如采用四气门技术的缸盖，可优化喷嘴位置，使其垂直置于燃烧室中央。活塞顶的燃烧室凹坑也同样处于中心位置或旋转对称位置，这样就可在活塞顶燃烧室凹坑内形成均匀的气流，多孔喷嘴喷出的油束处于沿任何方向流量均等的理想状态，从而改善了进气涡流和油雾分布的均匀性，达到了最佳的空气利用率和降低颗粒排放的效果。
四气门和五气门结构如图3、图4所示。多气门不仅能提高发动机功率，而且改善了活塞和喷油器的冷却条件，可在不同转速下实现涡流比可变，优化了燃烧方式，降低了低转速区的排放。
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图3 柴油机四气门结构图 |
图4 柴油机五气门结构图 |
二、机外后处理技术
1、稀氮氧化物技术LNC
（1）稀 NOx 技术指用 HC 作为还原剂来减少 NOx排放。
（2）根据HC的来源又分为被动稀NOx技术和主动稀NOx技术。
（3）被动LNC技术是利用废气中的HC作为还原剂
（4）主动稀 NOx 技术则是指通过共轨燃油系统的后喷射来增加废气中的HC量。
2、NOx选择性催化还原
通常有选择性非催化还原、非选择性催化还原和选择性催化还原三种方式
（1）选择性非催化还原（SNCR）
只能在一定的温度区间（800～1000℃）使用，而柴油机排气不可能达到这样高的温度，因此只能通过在柴油机膨胀过程中，向气缸中喷入氨水来实现，但效果不很理想，该技术仅在发电厂得到了广泛应用。
（2）非选择性催化还原（NSCR）
在催化剂存在的条件下，若还原剂优先与气相中的氧发生反应，再与NOx发生反应的还原过程称非选择性催化还原。NSCR技术将还原剂（如CH4，CO，H2）喷入排气管中，在铂或钯催化转换器的作用下与废气中的NOx进行反应。由于尾气中含氧量较高，还原剂很容易直接被氧化，故消耗量极大。
（3）选择催化还原（SCR）
用还原剂对含NOx的气体进行催化还原处理，使之有选择地和气体中的NOx进行反应，而不和氧气发生反应，可以与NOx发生催化还原反应的还原剂。
① NH3-SCR选择性催化还原技术
NH-SCR系统一般由预氧化装置，尿素热解、水解装置，SCR反应装置和后氧化装置四部分组成，如图3所示。
• 工作原理∶
通过尿素喷射装置使尿素溶液与发电机组产生的尾气在排气管内充分混合，加热器在控制器的指令下对混合气体加热，混合气体经过SCR催化剂的催化反应使尾气中的氮氧化合物去除，使尾气得到净化。压力传感器和第一氮氧化合物传感器可以监测发电机组排出的尾气的压力和氮氧化合物含量，并将数据反馈给控制器，控制器对流量泵发出指令控制尿素的喷射量。温度传感器可以监测混合气体的温度，以保证混合气体在到达SCR催化剂时达到反应温度。第二氮氧化合物传感器可以监测催化反应后的尾气中氮氧化合物的含量，如果氮氧化合物含量超标，控制器会通过报警器发出警报。本实用新型可以对发电机组尾气氮氧化物处理实现自动控制，对尾气中的氮氧化物净化效果好。
• 主要反应为∶
（NH2）2CO+H2O→CO2+2NH3+H2O
（尿素在常温下能分解成氨气、二氧化碳和水）
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
（氨气与NO作用生成氮气和水，氮气挥发）
6NO2十8NH3→7N2十12H2O
（氨气与NO2作用生成氮气和水，氮气挥发）
② 碳氢化合物选择催化还原（HC-SCR）
该装置结构外形如图6所示。柴油发电机尾气在稀燃条件下氧过剩，CO和HC含量很低，而NO2的含量比较高，其少量的HC可利用来选择性还原NOx（HC-SCR，），达到同时除去HC和NOx的目的。试验表明，烷烃、烯烃、芳香烃及柴油本身都能降低NOx的排放。
HC与NOx发生的反应如下∶
NO+HC+O2→N2+CO2+H2O
NOx的转化效率不仅与碳氢化合物的种类有关，还与催化剂的选择及碳氢的比率有关。
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图5 NH3-SCR选择性催化还原装置 |
图6 尾气氮氧化物处理装置结构图 |
3、NOx 吸附催化剂NAC技术
原理如图7所示。一般工况（稀燃富氧）时，NOx首先在贵金属上被催化氧化为NO2，然后与NO.吸附剂发生反应形成硝酸盐；当存储物的吸附能力饱和，或燃料后喷引起尾气温度增加破坏硝酸盐稳定性之后，开始再生过程；再生时需要控制柴油发电机产生缺氧燃烧以获得含有适量的CO，HC和H2的浓废气，硝酸盐与CO和HC等还原成分反应生成NOx，然后NOx与还原成分CO，H2，HC在贵金属催化剂的作用下发生反应生成N2。
影响NAC技术的最关键因素是燃料中的硫含量
（1）燃烧生成的SO2可在燃烧和后处理过程中生成硫酸盐，这些硫酸盐覆盖在载体表面，严重影响捕集效果
（2）S燃烧生成的SO2能像NO2一样与K2CO3反应生成KSO4，而KSO4特别稳定，严重阻碍了LNT的还原再生。同时由于需要柴油发电机周期性的混合气浓稀工况转换（每分钟约几秒钟），故引起燃料消耗较多，且CO2的排放相应增加。
4、低温等离子体辅助催化还原技术（NTP）
该装置外形结构如图8所示。其生成机理可分为两步∶
（1）首先以等离子体氧化为主，即利用等离子体发生器产生的低温等离子体，在氧（O2）和碳氢化合物（HC）存在的条件下，将发电机组尾气中的NO氧化为NO2；
（2）随后进入催化还原阶段，即将第一步经等离子体氧化并激活的含有NO2中间体与HC的混合体系，借助催化剂的作用，选择性还原NO2，得到N2，CO2和H2O等。
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图7 NOx吸附催化剂原理图 |
图8 低温等离子体脱硝装置 |
总结：
柴油发电机主要排放污染物之一是氮氧化合物（NOx）,不仅会生产酸雨，危害到植物生长，而且会破坏人体的中枢神经系统，因此NOx是柴油机排放主要控制指标之一。我国之前的环保意识比较滞后,特别是治理资金的缺乏，对于NOx的治理是很有限的。随着我国经济的发展，环保意识的加强，环境保护已成为当前和今后一项任重而道远的工作。
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