0   引言

随着地下矿山无轨化开采的发展, 地下矿用柴油设备, 包括铲运机、汽车、凿岩台车及无轨辅助设备的使用逐年增加, 设备规格越来越大, 已成为地下矿山开采主要设备, 为提高采矿强度和劳动生产率创造了条件。但柴油机排放污染日趋严重。特别是地下开采的巷道和采场空间狭小, 通风不畅, 使柴油机排放污染物浓度加大, 不仅损害了地下矿山的大气环境, 而且直接危及地下作业人员的健康。据有关报导^[1], 已查明柴油机排放尾气中含有35种可损害人体DNA的物质, 且有15种化合物是致癌物质。可见解决井下柴油设备排放污染物问题的重要性和紧迫性。世界各国对此都高度关注, 不仅颁布了柴油机排放污染物控制法规, 而且开发了各种柴油机排放污染控制技术与装置, 并取得了明显效果。

1   柴油机排放污染物的危害^{[2, 3]}

柴油机具有良好的燃油经济性和动力性, 其应用越来越广泛, 不仅大吨位货车、露天矿用汽车应用, 而且地下矿山无轨设备也广泛使用柴油机。由于柴油机燃烧过程压缩比高, 并多在富氧状态下燃烧, 其尾气中CO和HC含量极少(约为汽油机的几十分之一), NO_x含量与汽油机处于同一数量级, 但柴油机微粒排放相当高, 约为汽油机30 ~ 80倍。

CO与血红素有较强的亲和力, 使血液丧失对氧输送能力, 导致缺氧中毒。当CO浓度超过100×10^-6时, 人体产生头晕、乏力、不适感, 进而呕吐, 昏迷, CO浓度超过600 ×10^-6时, 短时可导致死亡。

HC中苯类物质具有致癌作用, 与NO_x在阳光作用下形成臭氧(O₃)和以醛类为主光化学雾, 到一定浓度时会使生物在短期内发生高温氧化而脱水死亡。

NO_x在低浓度下可引起眼结膜, 口腔、咽喉粘膜的肿胀, 易患气管炎、肺炎和肺气肿。

尾气中碳微粒多在0.01 ~ 0.05μm之间, 95 %的微粒 < 1μm, 在微粒上附有可溶性有机物为多环芳香烃、α—苯并芘和SO₂。当微粒小于0.2μm时吸入肺部沉积起来, 导致皮肤癌、肺癌和胃癌。因此治理NO_x和碳微粒是主要任务。

2   柴油机机内净化技术^[2~7]

从国外柴油机机内净化技术发展看, 大体分为三个阶段:

1980 ~ 1994年间进行缸内结构优化设计、改进燃烧方式、优化燃油喷射系统、改变涡流进气道等研究, 使柴油机综合性能提高, 降低微粒排放量。

1994 ~ 1998年间完全实现电控技术, 在不影响柴油机寿命和可靠性情况下, 进一步提高喷油压力, 对燃油硫分进行严格控制。由于进入燃烧室的润滑油形成可溶性微粒的可能性远比燃油大, 而开发完全燃烧的润滑油与降低机油消耗同时进行。

1998年以来, 研究尾气再循环控制技术, 以降低尾气中的NO_x含量。

2.1   优化燃烧室结构, 减少尾气污染物^[7]

改进燃油燃烧状况以降低柴油机尾气污染物排放量。德国道依茨(Deutz)公司生产的柴油机是把燃烧室和辅助燃烧室设计成涡流形镶在气缸内, 主燃烧室位于活塞顶部, 活塞顶部有两个加深凹坑, 两个燃烧室间有通道连接, 燃油燃烧分为两个阶段。当活塞上行时空气沿切向通道进入辅助燃烧室产生强烈涡流, 喷入的燃油与之混合后形成的混合气含燃油量较多, 先在燃空比较大的辅助燃烧室内着火, 此时的燃烧反应因缺氧而生成NO_x较少。当这部分燃气进入主燃烧室时接触大量冷空气而使燃烧温度降低又不利于NO_x的产生, 同时活塞下移再次造成NO_x生成的不利条件。由于二次燃烧避免了主燃烧室局部缺氧的不利因素, 而使CO、HC、烟尘和醛类排量降低。这类低污染柴油机被广泛应用于地下铲运机、汽车等柴油无轨设备。

2.2   改进燃油供给系统, 降低NO_x排放量^[6]

调整喷油提前角不仅对直喷式柴油机有效, 而且对复合燃烧室柴油机也同样有效。减少喷油提前角, 推迟开始喷油时间, 可降低气缸中燃烧温度, 以减少尾气中NO_x含量。国内曾进行大量试验研究工作, 如把6105Q型涡流燃烧室柴油机的喷油提前角由6.5 ~ 7°减少到2.5 ~ 3°, 最大功率为原来的98.3 %, 尾气中NO_x降低31%。波兰SW400/L型柴油机试验表明:将原喷油提前角由29°减少到12 ~ 15°时, NO_x比排放量由原14.956g/ kW· h降为3.916g/kW·h, 约降低73.8%。但同时CO排量有所提高, 油耗增加, 功率也稍有降低。因此, 采用该方法, 要研究改善柴油机的经济性和动力性的有效措施。

2.3   采用尾气再循环技术降低NO_x^{[3, 4]}

NO_x和微粒是柴油机主要排放污染物。国内外试验研究表明:柴油机尾气再循环技术(EGR)是降低NO_x有效技术之一。

利用柴油机尾气引入进气系统内与可燃混合气一起混合燃烧, 由于尾气热容量大, 会显著降低燃烧速度和温度, 从而降低了NO_x生成量。因此, EGR的作用主要靠抑制滞燃期内形成可燃混合气数量以及对燃烧高温的阻碍效果, 并随发动机转速降低, NO_x降低越显著。对增压柴油机需将EGR入口设置在压气机的进口处, 则在整个负荷范围之内均易实现EGR, 而且能有效降低NO_x排放量。马鞍山矿山研究院在台架试验表明:当柴油机功率一定时, 随着EGR量的增加, NO_x的生成量相应降低, 在高负荷时NO_x净化率可达65 %。但发动机的动力性和经济性有所降低, CO和烟尘浓度有所增加, 对汽缸和活塞的磨损加剧。因此EGR量要控制在20%以内; 另外柴油机冷起动时, 怠速工况、小负荷和减速工况时, NO_x生成量很小。这时要采用电脑(ECU)控制的EGR装置会发出停止EGR的指令。要采取必要的措施, 改善其动力性、经济性, 减少CO和碳烟的生成。

2.4   优化混合气燃烧过程, 实现电子控制喷油^[5]

直喷式柴油机虽然常规排放污染物较多, 但近年来, 采用涡轮增压、中冷技术以防止早燃, 特别是将缩短着火延迟期和燃油喷射时间的推迟相结合可降低NO_x的排放量, 同时避免了喷射延迟期内产生黑烟。也就是通过提高柴油机的引火性能, 减少柴油机爆燃时的燃油消耗量, 可有效抑制NO_x的生成量。为获得理想混合气, 需改进燃油的喷射系统, 可采用电子控制喷油系统, 实现对燃油喷射压力、喷射正时、喷射持续时间、喷油量和燃油喷射形态的全面控制。并在主喷油之前提供一个少量的初始喷油, 改善燃烧过程的热释放特性, 从而降低尾气污染物的排放量; 控制燃油喷射周期, 减少燃油消耗, 改善冷起动性能, 降低排放污染物; 控制喷油压力, 不受发动机转速限制, 从而减少了排放烟度。

3   机外净化技术与装置

3.1   氧化催化器^{[6 ~ 9]}

国外氧化催化器已形成系列产品与地下柴油设备和车辆配套使用, 可大幅度降低柴油机尾气中的CO和HC含量, 目前多用金属载体代替陶瓷载体, 以防止陶瓷载体因振动而损坏, 减小了外形尺寸, 增加了表面积。通常CO净化率达到90 %以上, HC净化率达80%~ 90 %。

瑞典Unikat公司开发一种带有电加热器的新型催化器, 可在冷起动前加热催化层温度, 当作业中断时保持催化层温度以提高净化效率。催化器应用到一定时间后催化剂被污染时, 进行高温再生催化剂(烧净法)。

加拿大发动机控制系统(ECS)公司的新产品AZ型柴油机净化消声装置, 不锈钢密封外壳内衬以12.7mm厚的隔热材料, 内装陶瓷载体和贵金属催化剂, 构成净化、消声、隔热三位一体, 能在低温下有效净化尾气中污染物。生产实践表明:能降低CO和HC95 %以上; 能溶解碳烟中颗粒成分(可降低45 % ~ 50 %); 也能降低NO_x和硫化物排放; 该装置表面温度下降70 %; 噪声降低6 ~ 8dB。

国内开发的氧化催化器已有10多种型号在井下柴油设备中使用, 也取得了较好的净化效果, CO的净化率达90 %、HC的净化率达60 %以上。为提高催化器使用寿命, 用粘结剂把小块蜂窝陶瓷载体粘结在一起或把陶瓷载体和金属构件粘合在一起, 从而防止因柴油设备和车辆在行驶中振动造成损坏, 使催化器一次使用寿命达到1 000 ~ 1 200h。但因其使用贵金属催化剂, 我国资源少, 价格高, 一台柴油机铂催化剂的费用高达3 000多元。目前正在开发稀土催化剂, 其资源丰富, 价格便宜, 有广阔的发展前景。

3.2   水洗箱^{[6, 7]}

国外地下柴油设备所用的水洗箱都随主机匹配, 已实现系列化生产。新型水箱增加了分隔水的导向套筒、浮子、补水阀和安全阀等附属控制装置, 有的在排水口装有水滴捕集器, 使耗水量降低20 % ~ 30 %, 且安全可靠。

马鞍山矿山研究院、长沙矿山研究院、嘉兴冶金机械厂、长沙矿山通用机器厂、厦门工程机械厂等国内水洗箱研制单位开发了十多种型号应用到地下铲运机等柴油无轨设备上, 取得一定效果。例如Bg -81 -3型隔板式水洗箱在LK型铲运机使用, 烟灰平均净化率为60 %以上, 并且有很强的冷却效果, 水洗箱后的排气温度仅40 ~ 60 ℃。

地矿部勘探所研制的以粘土泥浆作捕集介质的筛板气泡涤烟水箱, 碳颗粒净化率达70 %~ 99 %。

劳动部劳保所研制的CTJ -002型水箱, 在水中加入了表面活性剂, 增加了碳微粒的亲水性能, 碳微粒的净化率达到84.9 %~ 93.8 %。

3.3   微料过滤收集器

微粒过滤收集器是一种微粒捕捉和滤除装置, 是目前降低柴油机微粒排放的有效措施, 世界各国研制开发出许多产品可降低微料排放量60 % ~ 90 %。

3.3.1   微粒过滤器^{[2, 7]}

微粒过滤器采用孔隙极微小的陶瓷泡沫体和陶瓷蜂窝体为过滤介质以捕获微粒物。所捕获的微粒绝大部分是干的或吸附着可溶性有机成分的碳烟。这种陶瓷材料的过滤介质具有较高的可靠性、较高的过滤效率和较好的再生性能。所捕集的微粒被吸附在过滤介质的表面, 先沉积下来的微粒团也能进行微粒的捕集。随着微粒过滤器使用时间延续, 微料沉积层加厚, 当微孔堵塞使进出口气流压差增加到一定程度时, 要进行再生还原。如美国坎农金矿使用在地下矿用汽车、铲运机和锚杆安装车等柴油设备上的催化尾气颗粒过滤器^[11], 采用有一层被催化剂被覆的多孔陶瓷体, 在进口端每隔一个通气道用陶瓷材料堵塞; 在出口端相邻通气道也用陶瓷材料堵塞, 一旦尾气进入就被驱入多孔通气道滤壁, 经过滤的尾气从相邻通气道排出, 可去除63 %~ 95 %的微粒物。该装置应靠近柴油尾气流安装以保持较高温度。随着工作时间加长, 多孔滤壁被捕集微粒堵塞时, 柴油机背压加大; 当过滤器工况正常时微粒物被燃烧, 使柴油机背压减少, 这种自净过程(再生)是在过滤器温度为400 ℃并保持15 ~ 20min条件下实现的。该过滤器除净化微粒物外, CH和CO净化率为95 %以上。另外一种过滤器的过滤介质为不锈钢金属网, 外面涂有铂金属。过滤介质可以叠放, 以增加过滤效果。它具有较好的抗震性和抗热性, 也可以不拆卸过滤器情况下自动再生, 微粒净化率为85 %, CO净化率94 %, HC净化率83 %。

3.3.2   静电式微粒收集器^[9]

由于柴油机排放微粒中有70 %~ 80 %呈带电状态, 每个带电微粒约带1 ~ 5个正负电荷, 整体呈中性。如果采用外加强电场, 则可对带电荷的柴油机排放微粒物实现静电吸附。基于这一原理而研制成静电式微粒收集器。但存在的问题是体积大、结构复杂、成本高及需高压电源供给等, 尚需进一步研究解决。

3.4   微粒过滤器再生技术^{[9, 10]}

3.4.1   加热再生法

该法是通过加热过滤体, 使其温度达到微料的着火温度, 一般要提高到550 ~ 600 ℃, 使过滤体捕捉的微粒燃烧而再生。该法可分以下几种:

(1) 节流再生技术:是利用进排气节流的方法提高排气温度, 使过滤体捕捉微粒燃烧; 其节流程度取决于所需达到的最高燃烧温度, 原则是既不过度影响柴油机的动力性能, 又不过多增大排放烟度。它是以进排气损失为代价, 再生程度不易保证, 对柴油机工作条件有较多要求, 不易实现。现正处于研究阶段。

(2) 电加热再生技术:一种是利用电加热器对过滤体加热, 从而使沉积在过滤体上的微粒升温直至燃烧而再生; 另一种是过滤体本身电加热再生, 它利用高导电性结晶SiC作为过滤体, 将其作为电加热元件, 直接对其电加热, 使沉积在过滤体上微粒升温直至燃烧。这两种电加热再生技术所需辅助设备多, 研制成本高, 运行故障多, 维护保养难度大, 外部电能在过滤体内分布不均匀, 利用率低, 温度梯度大, 使过滤体容易开裂损坏。

3.4.2   催化再生法

利用化学催化方法, 降低微粒的反应活性能, 使微粒着火温度降至柴油机正常排气温度(200 ~ 400 ℃)下燃烧, 以实现过滤体再生。这是一种基本连续再生方法, 效果较好。但要加入贵金属化合物, 将使成本增加, 尚待完善。

3.4.3   微波加热再生法

微波加热是使电场能直接作用于物质分子内部空间的体积加热。微波加热再生法是利用微波所独有的体积加热和选择加热特性, 沉积在过滤体上的微粒对微波能吸收能力强, 而陶瓷过滤体对微波吸收能力差, 因而当微波进入微粒时立刻出现分子高速摆动和摩擦产生热量能迅速升温燃烧再生。它具有加热速度快、加热均匀、能量利用率高、价格低、寿命长(用磁控管作微波发生器使用寿命4 000 ~ 5 000h)和易于保养维护等特点。但还存在过滤体内微波场的分布、再生规律和电能供给等问题尚待进一步研究。目前, 微波加热再生法是国内外研究的热点, 是一种很有潜力的再生方法, 有广阔的应用前景。