王連柱

(山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著煤礦開采效率越來越高，深度逐漸加深，輔助運輸距離也逐漸加長，以柴油機為動力的輔助運輸?shù)能囕v逐年增加，尾氣污染越來越嚴重，已經(jīng)影響到了井下工人的工作環(huán)境。本著以人為本的生產(chǎn)理念，國家煤礦安全監(jiān)察局于2018年12月28日下發(fā)文要求，排氣標準在國二及以下的防爆柴油機，自發(fā)布之日起禁止新選用、采購，在用設(shè)備自發(fā)布之日起2年后禁止使用，要求使用排放標準達到國三及以上的柴油機[1]。2019年3月27日，國家安標中心發(fā)布《執(zhí)行煤礦防爆柴油機排放新要求的安全標志管理方案》，明確指出防爆柴油機的排放性能必須符合GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》中規(guī)定的國三及以上排放限值的要求[2]。

而目前，國內(nèi)大部分煤礦在用以柴油機為動力的設(shè)備均無法達到國三排放要求。2年內(nèi)完全淘汰，必將導致極大的浪費，而車輛動力系統(tǒng)的改造升級就成了一項快速有效的解決方式。

1 新規(guī)之前的防爆柴油機排放現(xiàn)狀

依據(jù)新規(guī)之前的行業(yè)標準，新裝配的礦用柴油機，在正常運行條件下，在標定輸出功率的范圍內(nèi)，吸入空氣成分中CH4含量為零時，未經(jīng)稀釋的排氣中CO、NOx的排放濃度不得超過下列允許限值,即CO為1 000 ppm，NOx為800 ppm[3]。該標準僅對CO和NOx的體積濃度要求作出了限制，并且要求較低，未考慮到碳煙排放對環(huán)境造成的影響，對發(fā)動機的功率段以及檢測工況也未作出要求。總體來說,排放要求較低，監(jiān)控的排放數(shù)據(jù)不夠全面，檢測方法相對單一，已經(jīng)不能滿足井下的環(huán)保要求。

目前，國內(nèi)在用的無軌膠輪車均滿足上述標準，以前使用的礦井較少，數(shù)量也不多，排放物能夠快速地稀釋，對井下空氣的污染相對較小。但隨著車輛使用數(shù)量越來越多，甚至某些礦井在用車輛已經(jīng)超過100臺，原有的風量已經(jīng)不能快速稀釋如此多的排放物，經(jīng)常導致CO濃度超標報警，同時也極大地影響了井下工人的身心健康。

2 防爆柴油機排放降低的技術(shù)方案

無軌膠輪車的防爆發(fā)動機多采用的機械式噴油泵來控制噴油,其特點是機體大，排放差，無法根據(jù)車輛實時運行的參數(shù)，精確控制噴油量和噴油壓力，導致柴油在氣缸內(nèi)燃燒不充分，進而使排放污染物增多[4-5]。

為提高防爆柴油機的排放性能，渦輪增壓技術(shù)、進氣中冷技術(shù)、電控噴油技術(shù)等相繼應(yīng)用。尤其是防爆電噴柴油機的研發(fā)成功，使得排放污染物大幅降低，達到了國三排放標準的要求。電噴技術(shù)是集機、電、磁、液于一體的高新技術(shù)，將電子與通信技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的柴油機上，提高燃油噴射壓力，精確控制噴油，霧化效果更加均勻，從而實現(xiàn)對噴油定時和噴油量的實時控制，對柴油機的噴油系統(tǒng)及燃燒組織進行了優(yōu)化，進而在很大程度上改善了防爆柴油機燃油消耗大、尾氣排放嚴重等問題[6-7]。

3 WC55Y型支架車的改造方案

中煤華晉王家?guī)X礦在用2臺車號分別為JZ207和JZ209的WC55Y型支架搬運車，如圖1所示。安裝著型號為TDE6V132QLQFB防爆機械泵柴油機，排放污染較為嚴重。為了降低污染，現(xiàn)對JZ209動力系統(tǒng)及相關(guān)附件進行電噴化改造，見表1，選用了TDE6V132DLQFB防爆電噴柴油機，在發(fā)動機升級的同時，還相應(yīng)地對車輛保護系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及前后機架等結(jié)構(gòu)件部分進行了升級改造，從而達到有效控制尾氣排放污染物的目的。

圖1 WC55Y型框架式支架搬運車

表1 WC55Y型電噴化改造升級配件明細

4 排放檢測試驗

為了便于對改造前后的車輛排放數(shù)據(jù)進行對比，分別對未進行改造的JZ207和改造完成的JZ209兩臺車的排放進行了檢測。

對于在非恒定轉(zhuǎn)速下工作的防爆柴油機，尾氣要按照不同轉(zhuǎn)速和負荷下的8種工況，對CO、HC+NOx、PM循環(huán)進行試驗檢測，綜合進行評定。[8]上述的檢測試驗，必須在發(fā)動機測功機上才能實現(xiàn)。限于現(xiàn)場條件，這里僅對怠速和最高轉(zhuǎn)速下，CO、NOx、PM的排放進行檢測。

4.1 檢測前的準備

為了進行檢測，這里選擇了尾氣分析儀、不透光度計、硅整流快速充電機等檢測和供電設(shè)備，型號和圖片見表2和圖2，尾氣分析儀用于檢測CO、NOx的體積濃度，不透光度計用于檢測PM的排放值，硅整流快速充電機用于為尾氣分析儀、不透光度計提供12 V的供電電壓。

啟動車輛，待發(fā)動機水溫達到90℃，然后啟動尾氣分析儀、不透光度計，部分打開排氣柵欄，將檢測儀器的傳感器頭沿柵欄縫隙插入廢氣處理箱。

4.2 檢測方法和檢測數(shù)據(jù)

在怠速工況下，轉(zhuǎn)速為820 r/min，待尾氣分析儀、不透光度計的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后，每隔1 min記錄一組數(shù)據(jù)，一共記錄3組。在最高轉(zhuǎn)速(油門到底)工況下，轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，待尾氣分析儀、不透光度計的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后，每隔1 min記錄一組數(shù)據(jù)，一共記錄3組。具體檢測現(xiàn)場見圖3，檢測數(shù)據(jù)見表3～表6。

表2 試驗儀器設(shè)備列表

1-尾氣分析儀;2-硅整流快速充電動機;3-燃油消耗測試儀;4-不透光度計;5-不透光度計2。

圖3 WC55Y型現(xiàn)場檢測

表3 JZ209怠速工況下的排放檢測數(shù)據(jù) ppm

表4 JZ209最高轉(zhuǎn)速工況下的排放檢測數(shù)據(jù) ppm

表5 JZ207怠速工況下的排放檢測數(shù)據(jù) ppm

表6 JZ207最高轉(zhuǎn)速工況下的排放檢測數(shù)據(jù) ppm

表7 JZ209與JZ207怠速工況排放降低對照表

表8 JZ209與JZ207最高轉(zhuǎn)速工況排放降低對照表

WC55Y型電噴化升級改造后，發(fā)動機在怠速工況下，CO排放降低了65 ppm，降幅21.3%；NOx排放降低68 ppm，降幅30.2%；煙度降幅66.7%。發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速工況下CO排放降低了234 ppm，降幅33.6%；NOx排放降低177 ppm，降幅68.3%；煙度降幅55.7%，見表7～表8。

2019年底電噴化改造后的WC55Y型在王家?guī)X礦和韓咀礦全程參與了12309、32104兩個綜采工作面的安裝和一個綜采工作面32111的回撤工作，單趟往返運輸10 km，順利完成了300余架支架的搬運任務(wù)。經(jīng)現(xiàn)場人員反饋，發(fā)動機的尾氣排放較之前有所緩解，尤其是車輛駕駛員的感覺最為直觀，當駕駛電噴化改造和未改造的車輛時，嗆人的體感明顯不同。

限于現(xiàn)場的條件，不能按照GB 20891—2014的要求對車輛的排放進行檢測。但經(jīng)國家拖拉機質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，TDE6V132DLQFB防爆電噴柴油機CO、HC+NOx、PM的排放量分別為1.88 g/(kWh)、3.87 g/(kWh)、0.196 g/(kWh)，達到了國三排放標準的要求。

5 結(jié)論

通過電噴化改造及其后期的應(yīng)用和檢測試驗,得出如下結(jié)論：

1)采用電噴柴油機的JZ209相較于采用機械泵柴油機的JZ207，CO、NOx和煙度排放均大幅降低，在最高轉(zhuǎn)速下的降幅明顯大于在怠速工況下的降幅，最高轉(zhuǎn)速下的NOx和煙度的降幅均超過了50%，CO的降幅也超過了1/3。

2)尾氣排放的絕對數(shù)量隨著轉(zhuǎn)速的提升逐漸增加，而排放的降幅也是隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，車輛大部分是在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，因此在實際運行中，尾氣排放的降幅更大。

3)此次WC55Y型電噴柴油機升級改造的成功也必將產(chǎn)生良好的社會效益，為市場上現(xiàn)存約1萬多臺滿足國二排放標準的車輛起到積極的示范性作用，為下一步大批量的以發(fā)動機為動力的井下設(shè)備升級提供了一種更為經(jīng)濟和快捷的方式。