李紅利，何國華，高春雷

(1．中國神華軌道機械化維護(hù)分公司，天津300457;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

大型養(yǎng)路機械柴油機尾氣凈化裝置的研制

李紅利1，何國華2，高春雷2

(1．中國神華軌道機械化維護(hù)分公司，天津300457;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路隧道內(nèi)有砟道床在進(jìn)行大型養(yǎng)路機械施工作業(yè)時，施工空間小，發(fā)動機廢氣濃度高，嚴(yán)重危害施工人員的健康及安全。為此研制了適用于大型養(yǎng)路機械的柴油機尾氣凈化裝置。本文介紹了尾氣凈化裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計，試驗驗證了其使用效果，給出了裝置使用維護(hù)方法。

大型養(yǎng)路機械 柴油機 氧化型催化器 隧道施工

1 概述

現(xiàn)有大型養(yǎng)路機械均采用柴油機作為主要動力，功率大，尾氣和噪聲也比較嚴(yán)重。大型養(yǎng)路機械作業(yè)時采用多種車型混合編組的方式，在局部區(qū)域同時開展作業(yè)，易導(dǎo)致施工環(huán)境發(fā)動機廢氣濃度高，危害施工人員的健康。在鐵路隧道尤其是長大隧道內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時，發(fā)動機排放的廢氣無法及時擴散，對施工人員的危害尤其嚴(yán)重［1］。因此，有必要開發(fā)一種適用于大型養(yǎng)路機械大功率柴油機的尾氣凈化裝置。

柴油車尾氣排放主要成分為N2，水蒸氣，O2，CO2，CO，HC，SOx，NOx和PM(微粒)等污染物。

CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物。柴油機排氣中未燃燒的HC是由原始燃油分子或被分解的燃油分子再化合的中間產(chǎn)物組成，其中一部分來自潤滑油，另一部分主要是由于混合氣的不均勻(局部過濃或過稀)和壁面的冷激效應(yīng)使缸內(nèi)的燃料不能燃燒或只能部分燃燒而引起的。SOx是燃料中的S在燃燒后形成的。SOx被排出機外后，易形成酸霧，污染環(huán)境。NOx是N2在高溫下燃燒的產(chǎn)物，在內(nèi)燃機中主要是NO，其次是NO2。NOx可以與某些烴類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是形成酸雨和光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)。HC和NOx在陽光強烈的紫外線照射下，可發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步形成臭氧，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，使人呼吸困難甚至死亡，并使植物枯黃葉落，使橡膠制品和建筑物迅速老化。PM是除去未化合的水以外所有固態(tài)的碳基顆粒物、液態(tài)的燃油與潤滑油以及無機物(附聚在碳基顆粒物表面上的SO2，NO2，H2SO3，Pb)的總稱，是由于柴油機燃燒時燃料與空氣混合不均勻造成局部過濃，在高溫缺氧情況下產(chǎn)生的［2］。

2 尾氣凈化方式選擇

目前國內(nèi)工程機械及其施工領(lǐng)域提出了使用高品質(zhì)柴油、對柴油適當(dāng)摻水和加裝尾氣凈化裝置三種控制柴油機尾氣污染物的技術(shù)措施［3］。在這三種方式中以加裝尾氣凈化裝置效果最好。

目前國際上柴油發(fā)動機的尾氣凈化設(shè)備主要有三種類型:水濾式凈化裝置、柴油顆粒捕集器和氧化型催化器［4］。

水濾式凈化裝置對硫化物的凈化有一定效果，但是水濾式凈化裝置親水性差，僅能凈化較小顆粒，且在發(fā)動機運行時廢氣溫度較高，水濾箱中的水會蒸發(fā)一部分，需要定時補充水，增加了工作量，還存在漏水隱患。如加水過多，對發(fā)動機也有影響。水濾箱體積較大，對安裝空間及設(shè)備搬運都有較高的要求。發(fā)動機尾氣消煙都是采用水噴淋循環(huán)噴淋工藝，該工藝雖然對發(fā)動機尾氣治理有一定效果，但僅吸收部分二氧化硫和小部分碳煙，對發(fā)動機尾氣的煙色及其刺激性氣味改善不明顯。經(jīng)過這種工藝處理的發(fā)動機尾氣必須用煙管引到高處排放，而且在發(fā)動機運行的時候，采用水噴淋治理工藝會消耗大量的自來水。目前，國內(nèi)用于鐵礦、銅礦等井下裝載機都采用水洗過濾型尾氣凈化裝置。由于井下作業(yè)的條件限制，使用水過濾尾氣凈化裝置的產(chǎn)品需要大量水資源，且經(jīng)過過濾的水需要定期更換，經(jīng)過凈化裝置處理的水還含有硝酸等酸性物質(zhì)，若排入地下，會造成二次污染［5］。發(fā)達(dá)國家很早以前已經(jīng)不再采用水箱處理尾氣，國內(nèi)井下設(shè)備也在逐步淘汰這種方案。

柴油顆粒捕集器主要用于碳煙顆粒的捕捉。其采用可通氣的多孔材料，過濾式的陶瓷載體由許多細(xì)小的平行孔道組成。這些平行孔道之間由通氣性的孔壁分隔，一端開放，一端堵塞，過濾器孔壁中的微孔可以讓柴油的廢氣分子通過，黑煙顆粒由于粒徑較大無法通過微孔，被過濾在陶瓷孔壁表面，進(jìn)而達(dá)到消除黑煙的效果，但無法滿足廢氣凈化要求［6］。

氧化型催化器是一種綜合性的尾氣凈化裝置，能夠同時降低發(fā)動機內(nèi)排放出來的顆粒物及有害氣體，可以在發(fā)動機排氣口加裝該裝置。三效催化劑閉環(huán)控制系統(tǒng)是最常用的排氣凈化系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機排出的三種主要污染物CO，HC，NOx能同時被高效率地凈化。煙塵凈化器主要由載體、涂層、活性物、襯墊和殼體等組成。柴油經(jīng)過燃燒后排出的廢氣中含有大量的CO、碳?xì)浠衔锖偷趸?。這些物質(zhì)的存在會使我們看到發(fā)電機尾氣的煙色和嗅到發(fā)電機尾氣刺激性的氣味。這些物質(zhì)在凈化裝置的作用下以及在220℃以上高溫與煙氣中的氧繼續(xù)反應(yīng)，生成CO2和H2O排入大氣中。同時NOx也生成了H2和H2O排入大氣中。CO和HC轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到95%以上，NOx的轉(zhuǎn)化率在40%以上，可解決柴油機尾氣排放造成的污染問題。國內(nèi)有關(guān)柴油車尾氣凈化的研究起步較晚，但發(fā)展較快，如清華大學(xué)、昆明貴研催化劑有限公司、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心等單位在氧化物和貴金屬催化劑的制備、評價上開展了大量工作［7］。

綜合大型養(yǎng)路機械的結(jié)構(gòu)特點和使用要求，選用DOC貴金屬氧化型催化器來全面凈化尾氣。同時，為適應(yīng)大型養(yǎng)路機械結(jié)構(gòu)緊湊、安裝空間較小的特點，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)形式，將尾氣凈化裝置和發(fā)動機消音器制作在一起，直接安裝在發(fā)動機排氣管出口。

3 尾氣凈化裝置的研制

3.1 工作原理

DOC貴金屬氧化型催化器工作原理如圖1所示。其氧化原理與汽油機三元催化器氧化CO和HC的原理基本一樣，主要目的是降低CO，HC及其他廢氣的排放。它可以非常有效地去除尾氣中的CO和HC，并能氧化掉PM中的可溶性有機物(SOF)，還可以凈化多環(huán)芳香烴和乙醛等有害成分。貴金屬催化劑選用成熟的以鉑金為主的氧化型催化劑，鉑金抗SO2性能及自我恢復(fù)功能好［8］。

3.2 凈化流程

尾氣凈化裝置安裝在柴油機排氣管后方，有害氣體經(jīng)過排氣管道進(jìn)入凈化器，通過凈化器對有害物質(zhì)進(jìn)行處理，最后經(jīng)過處理后的尾氣可直接排出到大氣中，如圖2所示。

圖1 DOC貴金屬氧化型催化器工作原理

圖2 凈化流程

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

尾氣凈化裝置采用薄壁金屬結(jié)構(gòu)的鐵鉻鋁合金制金屬載體，如圖3所示。將尾氣凈化裝置和消音器制作在一起以減小安裝空間。產(chǎn)品直接安裝在排氣歧管出口的波紋管后，排氣管接口尺寸可根據(jù)不同的發(fā)動機定制。

圖3 尾氣凈化裝置外觀

采用先進(jìn)的催化劑(圖4)，保證尾氣凈化器能在最低的排氣溫度中正常工作。將貴金屬催化劑布置成蜂窩狀，既可以增加氧化反應(yīng)面積，充分氧化有害氣體，又可以阻擋較大顆粒物直接排放到大氣中。催化劑配方耐久性高，既有超長使用壽命，又可保持最高轉(zhuǎn)化效率。合金金屬制載體在超過1 100℃以上的高溫下仍能保持高耐久性，同時能防止發(fā)動機震動及高溫引起的熱膨脹帶來的崩塌故障［9］。標(biāo)準(zhǔn)件安裝簡單，安裝要求的空間小，使用維護(hù)方便。

圖4 貴金屬催化劑

3.4 試驗驗證

將研制出的柴油機尾氣凈化裝置放置在試驗臺上進(jìn)行試驗，如圖5所示。采用煙氣分析儀測量尾氣凈化前后的成分，比較各項成分的變化情況。經(jīng)過試驗分析，通過尾氣凈化裝置的凈化，尾氣中有害成分大大減少，其中CO減少99%，HC減少91.2%，NOx減少15.4%，PM減少21%。尾氣凈化裝置安裝前后尾氣中CO含量變化曲線如圖6所示。隨著尾氣溫度的升高，DOC的凈化率逐步升高，220℃以上時對CO可達(dá)到80%以上的凈化率，溫度達(dá)到260℃以上時可達(dá)99%的凈化率。

圖5 尾氣凈化裝置測試

圖6 尾氣凈化前后CO含量變化曲線

3.5 使用維護(hù)

目前由于催化再生技術(shù)中使用的催化劑受柴油品質(zhì)、溫度、尾氣中雜質(zhì)等因素的限制，經(jīng)常出現(xiàn)催化劑“中毒”等情況，無法正常發(fā)揮作用［10］。由于常用的催化劑及過濾材料較為昂貴，更換性差，因此目前大多數(shù)顆粒捕集器采用固定不可拆卸式，限制了顆粒捕集器的普及和柴油機的發(fā)展。為了解決這一問題，本文采用可拆卸式結(jié)構(gòu)。由于溫度對凈化器的工作影響很大，溫度越高，其工作效果越好，因此凈化器的安裝位置要求盡量靠近柴油機。為了防止粉塵進(jìn)入柴油機氣缸，凈化器應(yīng)該水平安裝。另外，為了保證進(jìn)入煙塵凈化器的氣體溫度，途中盡量減少熱量損失，在柴油機凈化器之間的排管要求包保溫材料。由于國產(chǎn)柴油含硫量較大，如果采用稀土或賤金屬作為催化劑，運行了一段時間后，CO和HC的轉(zhuǎn)化效果會降低，原因是硫會吸附在催化劑表面，阻擋了催化劑的工作。而采用貴金屬作催化劑后，中毒現(xiàn)象變得很微弱，貴金屬具有良好的抗“中毒”的特性。另外，凈化器運行了一段時間后，會有柴油機的黑碳粒積聚，嚴(yán)重時會增加柴油機的背壓。

DOC系列柴油機氧化型催化凈化器工作500 h左右后壓力接近柴油機最高限制值時，應(yīng)在停機冷卻后拆下側(cè)蓋板，松開載體壓緊螺絲(或卡箍)，取出內(nèi)部DOC凈化芯，用高壓空氣反吹出凈化芯內(nèi)積存的炭渣。清除凈化芯內(nèi)部殘余炭渣可保證排氣通暢。若發(fā)動機長期低負(fù)荷工作，排氣溫度低，凈化芯可能產(chǎn)生積炭，應(yīng)縮短維護(hù)時間，要注意背壓，及時清理。

4 結(jié)語

針對大型養(yǎng)路機械大功率柴油發(fā)動機研制出的尾氣凈化裝置，能夠有效去除尾氣中的有害成分，滿足大型養(yǎng)路機械的作業(yè)要求，降低養(yǎng)護(hù)作業(yè)時對施工人員的危害，凈化施工環(huán)境，減少空氣污染，消除作業(yè)安全隱患，具有較大的實用價值，可以推廣應(yīng)用。

［1］王雷．鐵路隧道作業(yè)急性職業(yè)性危害因素調(diào)查［J］．中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2014(8):590-592．

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［4］楊冬霞，曹秋娥，趙云昆，等．柴油車尾氣凈化催化技術(shù)進(jìn)展［J］．工業(yè)催化，2005，13(3):32-33．

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.6

B

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．36

1003-1995(2015)04-0141-03

2014-10-10;

2015-02-10

李紅利(1972—)，男，山西聞喜人，工程師。