陳永芳

摘 ?要：現(xiàn)階段船舶動力裝置都是采用柴油機作為主動力， 對環(huán)境造成了巨大的污染。本文提出了減少NOX排放的控制策略，分析尾氣生成機理，對尾氣降污處理方法進行了研究。

關(guān)鍵詞：柴油機尾氣 ?降污處理

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展， 交通運輸量持續(xù)增加，給海運市場帶來極大的發(fā)展機遇，隨之而來的是船舶的持續(xù)增加?，F(xiàn)階段船舶動力裝置特別是大型的遠洋運輸船都是采用柴油機作為主動力。它帶給人類便捷和舒適的同時， 也對環(huán)境造成了巨大的污染。隨著人們對環(huán)境保護的日益關(guān)注，降低尾氣有害氣體排放問題便成為各國面臨的熱點問題之一。柴油機尾氣中含有大量有害氣體，如一氧化碳、二氧化碳、硫化氣體、氮氧化合物及顆粒塵埃等，這些氣化氮毒性較一氧化氮更強，二氧化氮與空氣中的水分結(jié)合會形成強酸，當人體吸進后會對神經(jīng)產(chǎn)生麻痹，對肺部產(chǎn)生刺激，造成身體上的傷害。據(jù)國際海事部門提供的資料顯示，每年世界船舶排放的氮氧化合物的總量達到600萬噸以上，占世界排放總量的7%。為了減少船舶對自然環(huán)境的危害，國際海事組織制定了越來越為嚴格的排放標準，所以適應(yīng)新標準是每一艘船舶所要解決的問題。

尾氣處理方法

通過大量的的實驗研究，人們發(fā)現(xiàn)在柴油機燃燒過程中，影響NOX生成率主要有三個因素：燃燒溫度、燃空當量比和已燃混合氣在高溫停留時間。

因此人們提出了各種減少NOX排放的控制策略，雖然減排的方案層出不窮，但本質(zhì)上都是圍繞在燃燒過程中的溫度和氧的濃度進行的。常用的方法包括：①優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作參數(shù);②直接噴水（DWI）和燃油乳化（FWE）技術(shù);③選擇性催化還原技術(shù)（SCR）;④廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）;⑤均質(zhì)混合壓縮著火 （HCCI）燃燒模式;⑥進氣加濕降低柴油機NOX排放暨HAM技術(shù)。

尾氣生成機理

柴油機的燃燒過程非常復(fù)雜，涉及到流動、壓縮、燃燒、傳導(dǎo)等多個過程，整個過程是物理與化學(xué)過程的綜合。在研究過程中，將氣缸視為一個獨立的熱力系統(tǒng)，由活塞、缸套、氣缸蓋組成的封閉空間為研究空間。助燃氣體狀態(tài)一般由壓力P、質(zhì)量M、溫度T等參數(shù)確定，考慮用熱力學(xué)三大定律及各種狀態(tài)、質(zhì)量方程將整個燃燒過程表達出現(xiàn)，確定氣缸內(nèi)的基本的工作參數(shù)。

1、壓縮階段基本方程和氣缸容積確定

1.1 基本方程

能量守恒方程（熱力學(xué)第一定律）可寫成下列通用形式：

■ ? ?（1）

式中 U—系統(tǒng)的內(nèi)能;W—作用在活塞上的機械功;Qi—通過系統(tǒng)邊界交換的熱量;h—比焓;■—質(zhì)量;■—帶入（或帶出）系統(tǒng)的能量。

1.2 瞬時容積

氣缸的瞬時容積為：

■ （2）

式中：Vh：氣缸行程容積;Vc：余隙容積;S：活塞行程;D：氣缸直徑;？孜：壓縮比;？姿S：連桿曲柄比。

氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為：

■ ? ? （3）

將上述公式進行整理，最后得到氣缸表面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率：

■ （4）

1.3 壓縮始點缸內(nèi)氣體成分

柴油機在缸內(nèi)過程壓縮始點，缸內(nèi)壓力、溫度為掃氣箱內(nèi)增壓壓力和增壓空氣溫度，并且壓縮始點氣缸內(nèi)的空氣用理想氣體方程■來求解出氣體摩爾數(shù)。

缸內(nèi)氣體成分及比例的確定：標準干空氣的摩爾質(zhì)量■，其摩爾比例依次為：O2=0.209495;N2=0.780881;CO2=0.0003;Ar=0.009324。

相對濕度為？準的空氣各氣體成分的摩爾比例：

■ ? （5）

其中：■， ■， ■， ■， Ar為缸內(nèi)氣體各成分的摩爾比例。

■ （6）

式中：d：空氣中含濕量g/kg;P：空氣壓力0.1MPa;■：水蒸氣飽和壓力0.1MPa;■：空氣濕度。

濕空氣的摩爾質(zhì)量：

■ ? （7）

濕空氣的氣體常數(shù)R濕=8315/M濕

2、燃燒階段熱力學(xué)

根據(jù)燃燒理論的基本假設(shè)，氣缸內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)都可認為是瞬時達到化學(xué)平衡，氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物的參數(shù)（燃燒產(chǎn)物平均相對分子質(zhì)量M、摩爾分數(shù)xi、內(nèi)能u氣體常數(shù)R、焓h、）與基本參數(shù)（缸內(nèi)壓力P、溫度T、當量空氣比F）具有一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)氣缸內(nèi)燃燒后的基本參數(shù)即可求得燃燒產(chǎn)物的參數(shù)。

燃料的分子式一般表示為CkHmOlNk（其中k、l通常為0），根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理，若燃料完全所需的氧氣的理論量為■。在燃燒化學(xué)反應(yīng)過程中，一般的燃燒產(chǎn)物包括12種：H、O、 N、OH、NO、H2、N2、 O2、CO、CO2、H2O， Ar，依次用x1-x12表示其摩爾分數(shù)?？芍a(chǎn)生1摩爾燃燒產(chǎn)物的燃料為x13摩爾。燃料和空氣的化學(xué)反應(yīng)式為：

■ ? （8）

■ ?（9）

■ ?（10）

3、膨脹階段基本方程確定

氣缸內(nèi)的膨脹階段與壓縮過程相近，但是在物質(zhì)上增加了一次噴油量，根據(jù)能量守恒將該過程簡化為：

■ ? ?（11）

4、柴油機NOX生成量計算

柴油機排放產(chǎn)物中的有害氣體很多，包括硫氧化合物、碳氧化合物及氮氧化合物，在這些化合物中，因燃料及助燃介質(zhì)的化學(xué)構(gòu)成決定硫氧化合物、碳氧化合物含量較小，氮氧化合物含量很大，而氮氧化合物中又以NO最大，NO2的含量很少，所以在計算燃燒產(chǎn)物中以NO為計算主體。

4.1 NO生成速率計算

在NO生成速率的計算方面，認為其生成過程遵從擴大的Zeldovich機理，反應(yīng)的控制方程為：

■

規(guī)定用K1，K2，K3…分別表示各反應(yīng)控制方程的正反應(yīng)速度常數(shù);K-1，K-2，K-3…分別為各反應(yīng)控制方程的逆反應(yīng)速度常數(shù)。而在實際計算中通常只考慮前面三個主要反應(yīng)，即式（12）、（13）、（14）。其中反應(yīng)速度常數(shù)可由公式得知：

■

式中氣體常數(shù)R=1.986cal/（mol k）。

一氧化氮NO生成速率表達式為：

■ ?（25）

式子中[O]、[N]、[OH]、[N2]、[O2]、[NO]、[H]—分別表示相應(yīng)的分子、原子的濃度，它們的單位是mol/cm3。將上式中（19）—（24）參數(shù)代入（25）計算NO的生成率。

結(jié)論

采用龍哥庫塔法對不同濕度的助燃空氣對燃燒產(chǎn)物的影響進行計算，得出燃燒產(chǎn)物（主要是NO）生成量的影響。

1、計算框圖

圖1 計算框圖

2、計算結(jié)果

圖2 各濕度下的NO生成量

（從上往下濕度分別為0%、30%、50%、90%、100%）

3、計算結(jié)果分析

表1 柴油機滿負荷時各濕度條件下NO的生成量

從計算結(jié)果分析：柴油機在滿負荷工作時，進氣濕度增大，NO排放量減少;進氣濕度與NO排放曲線近似一直線關(guān)系;進氣由濕度為0%增加到100%，柴油機NO排放減少約17.7%。

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項目來源：浙江省科學(xué)技術(shù)廳2012年生態(tài)省建設(shè)目標責任制考核重大科技項目

（作者單位：浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院）