黃宇

摘 要：隨著國(guó)際組織對(duì)柴油機(jī)廢氣排放要求不斷提高，目前船用柴油機(jī)的廢氣處理技術(shù)研究成為全球熱點(diǎn)。特別是在氮氧化物排放方面尤為突出，也成為船用柴油機(jī)的技術(shù)突破難點(diǎn)。目前，減少內(nèi)燃機(jī)氮氧化物排放的研究主要有機(jī)前、機(jī)內(nèi)和機(jī)后優(yōu)化等。當(dāng)前的SCR和EGR技術(shù)等，由于技術(shù)的局限性難以在船上得以推廣?；诓裼蜋C(jī)缸套內(nèi)的燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，探討從源頭（反應(yīng)物濃度），以低氮/無(wú)氮燃燒技術(shù)控制氮氧化物生成的可行性。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；柴油機(jī)；減排；低氮；無(wú)氮

中圖分類(lèi)號(hào)：U262.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）23-0050-02

引言

隨著全球化進(jìn)程的日益加快，航運(yùn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。環(huán)境的日益惡化，引起了人們對(duì)排放的日益關(guān)注。國(guó)際海事組織加強(qiáng)對(duì)船舶柴油機(jī)排放控制，尤其是氮氧化物的排放成為關(guān)注焦點(diǎn)。2016以后的NOx排放控制區(qū)域與2020以后全球范圍，船舶氮氧化物的排放需達(dá)到TIER Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，即14.4g/kWh（轉(zhuǎn)速小于130r/min低速柴油機(jī)）。船舶氮氧化物排放優(yōu)化技術(shù)的研究，成為全球熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)船用柴油機(jī)燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究，了解影響燃燒室內(nèi)氮氧化物生成主要有三方面因素，本文從化學(xué)反應(yīng)物濃度角度，提出探討在低氮?dú)?無(wú)氮?dú)膺M(jìn)氣條件下，從理論上探究其優(yōu)化柴油機(jī)燃燒和排放的可行性；并制定試驗(yàn)研究方案。

1 燃燒室氮氧化物的生成

燃料燃燒引起的對(duì)大氣環(huán)境的污染，其中危害最大且又最難處理的是NOx。燃料燃燒產(chǎn)生的氮氧化物主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一是燃燒時(shí)空氣中帶進(jìn)來(lái)的氮，在高溫下與氧反應(yīng)所生成的NO；二是來(lái)自燃料中的氮經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)所生成的氧化物。

燃燒過(guò)程中生成的NOX主要是指NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5……等氮氧化物的總稱(chēng)。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣中，NO占絕大部分（約占90%），而其它的含量較少（約占1%），因而下面介紹NOX的生成機(jī)理時(shí)主要是指NO。在燃燒的過(guò)程中，根據(jù)燃料和燃燒條件不同，生成的NO有兩類(lèi)：溫度型（熱NO和快速型NO）和燃料型[1]。

（1）溫度型NO：由于氮原子與氧原子反應(yīng)的活化能相對(duì)較大，燃料分子燃燒反應(yīng)優(yōu)先于NOX的生成反應(yīng)。即燃料燃燒后放出大量熱量，溫度上升后反應(yīng)生成NO，尤其在火焰中部會(huì)產(chǎn)生大量溫度型NO。當(dāng)火焰溫度低于1500℃時(shí)，溫度型NO生成量極少，相反其N(xiāo)O生成速度明顯增加，并符合阿羅尼烏斯定律。溫度高低對(duì)溫度型NO的生成起決定性作用，一般溫度越高，NO的生成越多。

（2）燃料型NO：原油中有機(jī)化合物中含有0.1%～0.3%的氮，其氮原子與各種碳?xì)浠衔锝Y(jié)合，鍵能約為（2.52～6.3）×107J/mol，遠(yuǎn)低于空氣中的氮分子結(jié)合鍵能。因而在燃燒過(guò)程中有機(jī)化合物的氮原子容易分解出來(lái)，使氮原子濃度有較大的增加，從而成生成大量的NO，即為燃料型NO。

2 NOX生成速率

高溫燃燒過(guò)程中NOX的生成機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，目前“捷爾杜維奇”（Zeldovich Mechanism）理論被廣泛接受。根據(jù)該化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理得到的生成NOX的化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)溫度型NO生成濃度。高溫環(huán)境下，氧原子先與空氣中的氮?dú)獍l(fā)生續(xù)鏈反應(yīng)，生成NO和氮原子，接著氮原子與氧氣續(xù)鏈反應(yīng)，生成NO和氧原子[2]。

在化學(xué)反應(yīng)中，由于動(dòng)力學(xué)存在很多不確定性，需通過(guò)簡(jiǎn)單模型來(lái)估算反應(yīng)結(jié)果。化學(xué)家提出了兩種近似處理方法來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)合反應(yīng)系統(tǒng)：平衡態(tài)近似法和假穩(wěn)態(tài)近似法[3]。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的串聯(lián)反應(yīng)或平行反應(yīng)過(guò)程中，將復(fù)雜過(guò)程簡(jiǎn)單假設(shè)成單一反應(yīng)，從而找出復(fù)合反應(yīng)系統(tǒng)的近似簡(jiǎn)單處理方法，以便對(duì)生成物和反應(yīng)物求出簡(jiǎn)單可用的解析解。

由于柴油機(jī)燃燒過(guò)程短暫，難以達(dá)到所有氧氮反應(yīng)式的平衡。通過(guò)氧氮化學(xué)反應(yīng)的串聯(lián)反應(yīng)和平行反應(yīng)近似得到單一不可逆反應(yīng)（1）式來(lái)討論其解。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，單位體積中反應(yīng)物與生成物數(shù)量不斷地發(fā)生變化，其化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得越快，則在單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中的反應(yīng)物消耗的越多，也就有更多生成物生成。因此反應(yīng)物和生成物的濃度隨時(shí)間的變化率來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)速率。

3 研究模型的建立

根據(jù)燃油燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可知，船用柴油機(jī)NO生成主要受環(huán)境溫度、環(huán)境中氧氮濃度、及高溫環(huán)境停留時(shí)間長(zhǎng)短影響。當(dāng)前可通過(guò)燃油噴射系統(tǒng)（燃油加水乳化、添加劑添加，燃油噴射時(shí)刻、噴射壓力、噴射次數(shù)等噴油規(guī)律）優(yōu)化，氣閥定時(shí)優(yōu)化，進(jìn)氣噴水加濕，煙氣回收增加進(jìn)氣中惰性氣體成分，柴油機(jī)缸內(nèi)直接噴水等措施，改變缸內(nèi)燃料燃燒過(guò)程以影響放熱規(guī)律，從而控制缸內(nèi)最高溫度以減少NOX排放，但此類(lèi)方法均需以犧牲柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)。此外，還可通過(guò)煙氣催化還原（SCR）、煙氣捕集技術(shù)（LNT）、碳素纖維加載低電壓技術(shù)等后處理技術(shù)，能有效減少NOX排放。但其在船舶上的應(yīng)用安裝和管理技術(shù)問(wèn)題難以解決，未能得到推廣應(yīng)用。本文確定實(shí)驗(yàn)方案，以一定濃度的氧氣和二氧化碳取代進(jìn)氣中的氮?dú)猓芯坎裼蜋C(jī)在不同比例混合氣中燃燒和排放。

（1）理論研究

柴油機(jī)燃燒化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，為研究方便，通常選取燃燒基元為研究對(duì)象，以基元內(nèi)部燃燒現(xiàn)象表征燃燒室燃燒情況。柴油機(jī)缸內(nèi)基元所含氣體成分有：O2，N2，其它氣體分子（燃燒產(chǎn)物）。假設(shè)基元內(nèi)O2和N2所占?xì)怏w比例為A，且其中O2所占比為B，則為N2所占比為A-B。由式（1）得，基元內(nèi)氮氧化物凈生成速率r為：

（2）

對(duì)于關(guān)于B的一元二次方程[4]，k不變的前提下，NO凈生成速率r與燃燒環(huán)境中濃度比B/A直接相關(guān)，B/A越接近1/2其生成速率越大。B/A=0或B/A=1時(shí)，即全部是氧氣或全部是氮?dú)?，無(wú)NO生成。

（2）實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)柴油機(jī)低氮或無(wú)氮燃燒和排放性能的研究，首先研究不同組分的混合氣體對(duì)柴油燃燒性能的影響。當(dāng)前，定容燃燒彈廣泛成為模擬研究柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)附近噴霧和燃燒性能研究的工具[5]。通過(guò)在彈體內(nèi)充入所需（低氮/無(wú)氮）的混合氣，將混合氣溫度加熱至所需溫度，再進(jìn)行噴油燃燒實(shí)驗(yàn)，以高速相機(jī)或激光引導(dǎo)等投過(guò)玻璃窗口拍攝火焰燃燒過(guò)程，為低氮/無(wú)氮燃燒性能（火焰結(jié)構(gòu)、火焰形貌、溫度場(chǎng)分布等）的分析提供有效的依據(jù)。

由于燃燒彈內(nèi)氣體成分有限，單次燃燒實(shí)驗(yàn)生成的NOX難以通過(guò)普通的煙氣分析技術(shù)所得。因此，需通過(guò)柴油機(jī)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)其在低氮/無(wú)氮燃燒工況的排氣成分進(jìn)行分析監(jiān)控，以滿足日益嚴(yán)格的排放要求。定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行е笇?dǎo)柴油機(jī)低氮/無(wú)氮燃燒實(shí)驗(yàn)，而柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)其燃燒和排放性能的研究將更為深入全面。

通過(guò)氣體混合器將空氣、氧氣、二氧化碳等按不同比例進(jìn)行混合，然后供給柴油機(jī)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需采集柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力，供燃燒過(guò)程熱分析用，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)柴油機(jī)缸套內(nèi)的燃燒工況；監(jiān)測(cè)柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的油耗，通過(guò)計(jì)算單位功率的油耗以評(píng)價(jià)柴油機(jī)低氮/無(wú)氮燃燒經(jīng)濟(jì)性，從側(cè)面反映其燃燒性能；并采用煙氣分析儀分析排放煙氣的成分，衡量其排放是否符合要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)柴油機(jī)燃燒化學(xué)反應(yīng)理論研究，分析缸套內(nèi)NOX的生成機(jī)理，得知影響氮氧化物生成的因素有：最高燃燒溫度，高溫區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)短，氮?dú)夂脱鯕獾臐舛鹊?。通過(guò)降低燃燒環(huán)境中氮?dú)獾臐舛龋刂频趸锏膬羯伤俾?。從理論角度通過(guò)低氮/無(wú)氮燃燒技術(shù)來(lái)控制氮氧化物的生成是可行的，并進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)方案的可行性。通過(guò)低氮/無(wú)氮燃燒技術(shù)，減少柴油機(jī)NOX的排放是可行的。在保證柴油機(jī)正常工作的前提下，優(yōu)化缸套內(nèi)燃燒和控制NOX排放，尋找最佳的混合氣配合工況成為技術(shù)突破難點(diǎn)，也是后期研究的重點(diǎn)。

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