賈 峰，張 軍，張 翼，馬葉紅，張 偉，張 旭

（1.國(guó)家能源神華寶日希勒能源公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000；2.西安奧奈特固體潤(rùn)滑工程學(xué)研究有限公司，陜西西安 710061；3.無(wú)錫雙翼汽車環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇無(wú)錫 214187；4.山西云科富圖工業(yè)集成技術(shù)研究院有限公司，山西朔州 036032；5.神木相合綠色燃油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有限公司，陜西榆林 719000；6.日照云新技術(shù)研究院有限公司，山東日照 276800）

1 工程防爆柴油機(jī)的現(xiàn)狀

工程防爆柴油機(jī)是一種在地面柴油機(jī)基礎(chǔ)上增加或者改造原機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、從而能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用的柴油機(jī)，具有功率大、安全系數(shù)高、可連續(xù)作業(yè)等特點(diǎn)，但尾氣污染問(wèn)題十分嚴(yán)重。

工程防爆柴油機(jī)雖然解決了輔助運(yùn)輸?shù)姆辣瑒?dòng)力問(wèn)題，但也有許多弊端，柴油機(jī)排放的廢氣中含有大量有害物質(zhì)（如NOX、CO、HC、PM 等）。由于防爆柴油動(dòng)力機(jī)械應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)也越來(lái)越大。受條件約束，作業(yè)面工作空氣中的有害物質(zhì)越來(lái)越多，已由局部性轉(zhuǎn)變成連續(xù)性和累積性，作業(yè)人員成為柴油機(jī)廢氣污染的直接受害者。因此，必須加強(qiáng)和提高保護(hù)井下環(huán)境和人生安全的意識(shí)。同時(shí)，車輛潤(rùn)滑污染與環(huán)境的矛盾日益凸現(xiàn)，政府監(jiān)管壓力大，企業(yè)負(fù)擔(dān)重，綜合治理迫在眉睫。GR 復(fù)合固體潤(rùn)滑潤(rùn)滑工程技術(shù)的創(chuàng)新理念是：少用就是節(jié)能環(huán)保。其21 年的研究成果，應(yīng)用在井工礦的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝備的復(fù)合固體潤(rùn)滑工程技術(shù)，使原來(lái)的300 h 潤(rùn)滑周期延長(zhǎng)到了1000 h，底盤專用復(fù)合固體潤(rùn)滑工程技術(shù)，使相關(guān)潤(rùn)滑部件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效潤(rùn)滑或免維護(hù)運(yùn)行，潤(rùn)滑油使用量減少了70%，潤(rùn)滑油的環(huán)保貢獻(xiàn)值大于80%。

國(guó)家安全標(biāo)志中心提出：自2018 年12 月28 日起，所有煤礦設(shè)備上使用的防爆柴油機(jī)必須采用排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)Ⅲ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的防爆柴油機(jī)。

2 工程柴油機(jī)減排技術(shù)路線

工程柴油機(jī)減排技術(shù)分為前處理和后處理兩大板塊。前處理為油路綠色優(yōu)化裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)專用復(fù)合固體潤(rùn)滑劑和柴油復(fù)合清凈劑；后處理由廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）、柴油機(jī)尾氣催化技術(shù)（DOC）和柴油機(jī)顆粒捕集器技術(shù)（DPF）組成。

國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠應(yīng)對(duì)新的排放法規(guī)主要有電噴柴油機(jī)技術(shù)和加裝尾氣處理技術(shù)，技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

3 GR 工程內(nèi)燃機(jī)減排集成技術(shù)

前處理的油路綠色優(yōu)化裝置能有效改善因內(nèi)燃機(jī)不充分燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳,碳?xì)浠衔锖偷趸衔铩２捎脙?nèi)燃機(jī)油路綠色優(yōu)化技術(shù)裝置，將燃油霧化前的大分子球團(tuán)擊碎為帶同種電荷的小分子球團(tuán)，使燃油基團(tuán)直徑變小、比表面積增大，提高燃油的霧化混合物的爆燃效果，從而提高燃油的燃燒效率、減少尾氣排放、提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，CO 排放減少50%～90%。該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施簡(jiǎn)單、不涉及電源、加熱、酸堿及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)控制，安全可靠。不改變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)、針對(duì)運(yùn)行中的發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)施在線升級(jí)，也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛出廠前實(shí)施升級(jí)。

表1 電噴技術(shù)和減排技術(shù)對(duì)比

通過(guò)導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)專用復(fù)合固體潤(rùn)滑劑，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦件可靠、長(zhǎng)效的復(fù)合固體潤(rùn)滑潤(rùn)滑膜，減少運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力，使內(nèi)燃機(jī)爆燃瞬間獲得較好的氣密狀態(tài)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲和磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑有效期從300 h 左右延長(zhǎng)至1000 h，機(jī)油濾芯使用量減少60%，CO 排放降低10%～15%，潤(rùn)滑油污染貢獻(xiàn)值達(dá)到80%。

根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)已有幾家單位研發(fā)了防爆柴油機(jī)用尾氣凈化產(chǎn)品，對(duì)國(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)排放的柴油機(jī)尾氣進(jìn)行后處理。防爆柴油機(jī)用尾氣凈化產(chǎn)品可針對(duì)國(guó)家約定的尾氣污染物進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)處理，通過(guò)尾氣后處理形式使其排放最終達(dá)到國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，局部污染物指標(biāo)甚至達(dá)到國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)由油路綠色優(yōu)化裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)專用復(fù)合固體潤(rùn)滑劑、柴油復(fù)合清凈劑、廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）、柴油機(jī)尾氣催化技術(shù)（DOC）和柴油機(jī)顆粒捕集器技術(shù)（DPF）組成，降低NOX、CO、HC、PM，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損，六者各司其職、配合作業(yè)，效果理想。

3.1 內(nèi)燃機(jī)油路綠色優(yōu)化裝置

（1）技術(shù)參數(shù)。接油口尺寸：內(nèi)徑10 mm，外徑12 mm；內(nèi)徑8 mm，外徑10 mm。外形尺寸：50 mm×50 mm×120 mm；50 mm×50 mm×100 mm。

（2）裝置搭載。煤礦燃油動(dòng)力設(shè)備CO 治理技術(shù)裝置搭載方式見(jiàn)圖1。

圖1 油路綠色優(yōu)化裝置搭載方式

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)專用復(fù)合固體潤(rùn)滑劑

（1）顏色及外觀：黑色液體。

（2）使用方法及注意事項(xiàng)：①發(fā)動(dòng)機(jī)專用復(fù)合固體潤(rùn)滑劑的加注與原發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑劑方法相同；②加注時(shí)先攪拌均勻，保證腔內(nèi)干凈無(wú)雜物；③從發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑專用加注口加注；④使用量與原發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑劑用量相同；⑤換油周期1000 h。

3.3 柴油復(fù)合清凈劑

使用方法及注意事項(xiàng)：柴油復(fù)合清凈劑的加注比例為燃油體積的1‰～2‰，在油路綠色優(yōu)化裝置加載30 天后，每次加油前按此比例加入油箱即可。

3.4 廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）

廢氣中NOX產(chǎn)生的條件有2 個(gè)：一是高溫，二是多氧。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電磁閥開(kāi)啟，使少量廢氣進(jìn)入進(jìn)氣總管，與新鮮空氣一起進(jìn)入燃燒室。怠速時(shí)電磁閥關(guān)閉，幾乎沒(méi)有廢氣循環(huán)至發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車廢氣是一種不可燃?xì)怏w（不含燃料和氧化劑），在燃燒室內(nèi)不參與燃燒。廢氣在進(jìn)氣總管中與新鮮空氣混合，降低了混合氣體中氧氣的濃度，同時(shí)它通過(guò)吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來(lái)降低燃燒溫度和壓力，雙管齊下從而降低NOX的生成量。進(jìn)入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加。從本質(zhì)上說(shuō)，EGR 技術(shù)是靠約束燃燒條件減少NOX的排放量。EGR 技術(shù)對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放效果明顯，且EGR 技術(shù)的應(yīng)用容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較少、技術(shù)成熟。

EGR 技術(shù)產(chǎn)品主要由礦用澆封型溫度傳感器、澆封型轉(zhuǎn)速傳感器、隔爆型柴油機(jī)保護(hù)裝置主機(jī)、隔爆型柴油機(jī)油門位置傳感器、隔爆型壓差傳感器、隔爆型電磁閥組成。見(jiàn)圖2。

圖2 EGR 技術(shù)礦用成套裝置

3.5 柴油機(jī)尾氣催化技術(shù)（DOC）

柴油機(jī)尾氣催化器（DOC）以鉑（Pt）、鈀（Pd）等貴金屬作為催化劑，廢氣通過(guò)DOC 時(shí)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，其氧化反應(yīng)原理與汽油機(jī)三元催化器原理基本相同。發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫廢氣通過(guò)排氣岐管合流后立即通過(guò)尾氣催化器，廢氣通過(guò)催化器時(shí)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C）轉(zhuǎn)化成無(wú)害的水（H2O）和二氧化碳（CO2）。同時(shí)催化器還可以催化尾氣中可溶有機(jī)化合物（SOF），降低尾氣中的PM。DOC 技術(shù)產(chǎn)品如圖3 所示。

圖3 DOC 技術(shù)產(chǎn)品

3.6 柴油機(jī)顆粒捕集器技術(shù)（DPF）

DPF 安裝在柴油機(jī)排氣通道上，廢氣通過(guò)時(shí)，通過(guò)自身特殊的物理結(jié)構(gòu)對(duì)廢氣顆粒物進(jìn)行吸附過(guò)濾。DPF 的主要制造材料是陶瓷，具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、過(guò)濾質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗熱沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。高溫廢氣通過(guò)DOC 后再進(jìn)入DPF，顆粒物會(huì)吸附在DPF 上，隨著溫度的不斷升高，顆粒物的吸附率也越來(lái)越高。

DPF 需要定期再生，針對(duì)煤礦井下特殊環(huán)境，DPF 采用快連式結(jié)構(gòu)，采用主動(dòng)電加熱再生方式，再生周期80 h（連續(xù)滿功率），再生時(shí)間1 h。DPF 技術(shù)產(chǎn)品如圖4 所示。

4 新型柴油機(jī)集成式尾氣處理技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）對(duì)原機(jī)改動(dòng)少，極大降低柴油機(jī)NOX、CO 和顆粒物的排放。

圖4 DPF 技術(shù)產(chǎn)品

（2）提高燃油霧化混合物的爆燃效果，提高燃油的燃燒效率；減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力，使爆燃瞬間獲得較好的氣密狀態(tài)，節(jié)省燃油，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑有效期從300 h 延長(zhǎng)至1000 h。

（4）防爆柵欄或阻火器免維護(hù)，使用本系統(tǒng)后，防爆柵欄或阻火器幾乎不會(huì)產(chǎn)生積碳。

（5）系統(tǒng)采用全程電控式，無(wú)需人工介入，而且可配備聲光或語(yǔ)音報(bào)警裝置。

（6）與原機(jī)防爆系統(tǒng)串聯(lián)，不改變?cè)瓩C(jī)的防爆結(jié)構(gòu)，即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障也不會(huì)影響原機(jī)的正常使用。

（7）安裝方便，更換或改造原進(jìn)排氣波紋管后即可安裝。

（8）使用壽命長(zhǎng)，核心原件性能穩(wěn)定。系統(tǒng)壽命5 年，載體壽命1 年，載體價(jià)格低廉，更換方便。

（9）兼容性強(qiáng)，適用于多種功率、多種排放的柴油機(jī)。

5 總結(jié)

內(nèi)燃機(jī)排放與潤(rùn)滑油污染治理專項(xiàng)復(fù)合固體潤(rùn)滑工程技術(shù)在露天礦的應(yīng)用具有可行性，也符合當(dāng)前的基本國(guó)情，符合國(guó)家環(huán)保政策導(dǎo)向。

目前，國(guó)家安全標(biāo)志中心只采用一種技術(shù)路線，即只允許原機(jī)型采用國(guó)Ⅲ及以上的柴油機(jī)，現(xiàn)役的大量未到設(shè)計(jì)淘汰年限的柴油機(jī)動(dòng)力設(shè)備，按其規(guī)定必須強(qiáng)制報(bào)廢或返廠更換柴油機(jī)，這將極大增加使用單位的資金成本，也造成很大的浪費(fèi)，并且將在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)致新生產(chǎn)的國(guó)Ⅲ電噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)能不足、價(jià)格虛高等問(wèn)題，增加煤礦企業(yè)采購(gòu)成本。因此，應(yīng)采取環(huán)保、減排雙管齊下的措施同步進(jìn)行，即新造車型采用高成本的國(guó)Ⅲ及以上的原機(jī)，老舊車型采用成熟的民用減排技術(shù)防爆化產(chǎn)品進(jìn)行尾氣處理，兩種技術(shù)路線相輔相成，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、并行發(fā)展。重要的是，由于礦用燃油動(dòng)力裝備電噴化后，發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放已經(jīng)達(dá)到一個(gè)物理極限，未來(lái)防爆柴油機(jī)尾氣排放升級(jí)國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ甚至國(guó)Ⅵ都必須依托于內(nèi)燃機(jī)燃燒排放的集成處理技術(shù)，現(xiàn)在允許電噴柴油機(jī)與排放處理技術(shù)共同發(fā)展，有利于確保未來(lái)礦用防爆柴油機(jī)排放的迅速升級(jí)。