船舶柴油机尾气降污处理方法研究

    陈永芳

    

    

    

    摘 ?要：现阶段船舶动力装置都是采用柴油机作为主动力， 对环境造成了巨大的污染。本文提出了减少NOX排放的控制策略，分析尾气生成机理，对尾气降污处理方法进行了研究。

    关键词：柴油机尾气 ?降污处理

    随着经济的快速发展， 交通运输量持续增加，给海运市场带来极大的发展机遇，随之而来的是船舶的持续增加。现阶段船舶动力装置特别是大型的远洋运输船都是采用柴油机作为主动力。它带给人类便捷和舒适的同时， 也对环境造成了巨大的污染。随着人们对环境保护的日益关注，降低尾气有害气体排放问题便成为各国面临的热点问题之一。柴油机尾气中含有大量有害气体，如一氧化碳、二氧化碳、硫化气体、氮氧化合物及颗粒尘埃等，这些气化氮毒性较一氧化氮更强，二氧化氮与空气中的水分结合会形成强酸，当人体吸进后会对神经产生麻痹，对肺部产生刺激，造成身体上的伤害。据国际海事部门提供的资料显示，每年世界船舶排放的氮氧化合物的总量达到600万吨以上，占世界排放总量的7%。为了减少船舶对自然环境的危害，国际海事组织制定了越来越为严格的排放标准，所以适应新标准是每一艘船舶所要解决的问题。

    尾气处理方法

    通过大量的的实验研究，人们发现在柴油机燃烧过程中，影响NOX生成率主要有三个因素：燃烧温度、燃空当量比和已燃混合气在高温停留时间。

    因此人们提出了各种减少NOX排放的控制策略，虽然减排的方案层出不穷，但本质上都是围绕在燃烧过程中的温度和氧的浓度进行的。常用的方法包括：①优化结构设计和工作参数;②直接喷水（DWI）和燃油乳化（FWE）技术;③选择性催化还原技术（SCR）;④废气再循环技术（EGR）;⑤均质混合压缩着火 （HCCI）燃烧模式;⑥进气加湿降低柴油机NOX排放暨HAM技术。

    尾气生成机理

    柴油机的燃烧过程非常复杂，涉及到流动、压缩、燃烧、传导等多个过程，整个过程是物理与化学过程的综合。在研究过程中，将气缸视为一个独立的热力系统，由活塞、缸套、气缸盖组成的封闭空间为研究空间。助燃气体状态一般由压力P、质量M、温度T等参数确定，考虑用热力学三大定律及各种状态、质量方程将整个燃烧过程表达出现，确定气缸内的基本的工作参数。

    1、压缩阶段基本方程和气缸容积确定

    1.1 基本方程

    能量守恒方程（热力学第一定律）可写成下列通用形式：

    ■ ? ?（1）

    式中 U—系统的内能;W—作用在活塞上的机械功;Qi—通过系统边界交换的热量;h—比焓;■—质量;■—带入（或带出）系统的能量。

    1.2 瞬时容积

    气缸的瞬时容积为：

    ■ （2）

    式中：Vh：气缸行程容积;Vc：余隙容积;S：活塞行程;D：气缸直径;？孜：压缩比;？姿S：连杆曲柄比。

    气缸容积随曲轴转角的变化率为：

    ■ ? ? （3）

    将上述公式进行整理，最后得到气缸表面积随曲轴转角的变化率：

    ■ （4）

    1.3 压缩始点缸内气体成分

    柴油机在缸内过程压缩始点，缸内压力、温度为扫气箱内增压压力和增压空气温度，并且压缩始点气缸内的空气用理想气体方程■来求解出气体摩尔数。

    缸内气体成分及比例的确定：标准干空气的摩尔质量■，其摩尔比例依次为：O2=0.209495;N2=0.780881;CO2=0.0003;Ar=0.009324。

    相对湿度为？准的空气各气体成分的摩尔比例：

    ■ ? （5）

    其中：■， ■， ■， ■， Ar为缸内气体各成分的摩尔比例。

    ■ （6）

    式中：d：空气中含湿量g/kg;P：空气压力0.1MPa;■：水蒸气饱和压力0.1MPa;■：空气湿度。

    湿空气的摩尔质量：

    ■ ? （7）

    湿空气的气体常数R湿=8315/M湿

    2、燃烧阶段热力学

    根据燃烧理论的基本假设，气缸内的各种化学反应都可认为是瞬时达到化学平衡，气缸内燃烧产物的参数（燃烧产物平均相对分子质量M、摩尔分数xi、内能u气体常数R、焓h、）与基本参数（缸内压力P、温度T、当量空气比F）具有一定的函数关系。根据气缸内燃烧后的基本参数即可求得燃烧产物的参数。

    燃料的分子式一般表示为CkHmOlNk（其中k、l通常为0），根据化学反应平衡原理，若燃料完全所需的氧气的理论量为■。在燃烧化学反应过程中，一般的燃烧产物包括12种：H、O、 N、OH、NO、H2、N2、 O2、CO、CO2、H2O， Ar，依次用x1-x12表示其摩尔分数。可知，产生1摩尔燃烧产物的燃料为x13摩尔。燃料和空气的化学反应式为：

    ■ ? （8）

    ■ ?（9）

    ■ ?（10）

    3、膨胀阶段基本方程确定

    气缸内的膨胀阶段与压缩过程相近，但是在物质上增加了一次喷油量，根据能量守恒将该过程简化为：

    ■ ? ?（11）

    4、柴油机NOX生成量计算

    柴油机排放产物中的有害气体很多，包括硫氧化合物、碳氧化合物及氮氧化合物，在这些化合物中，因燃料及助燃介质的化学构成决定硫氧化合物、碳氧化合物含量较小，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，所以在计算燃烧产物中以NO为计算主体。

    4.1 NO生成速率计算

    在NO生成速率的计算方面，认为其生成过程遵从扩大的Zeldovich机理，反应的控制方程为：

    ■

    规定用K1，K2，K3…分别表示各反应控制方程的正反应速度常数;K-1，K-2，K-3…分别为各反应控制方程的逆反应速度常数。而在实际计算中通常只考虑前面三个主要反应，即式（12）、（13）、（14）。其中反应速度常数可由公式得知：

    ■

    式中气体常数R=1.986cal/（mol k）。

    一氧化氮NO生成速率表达式为：

    ■ ?（25）

    式子中[O]、[N]、[OH]、[N2]、[O2]、[NO]、[H]—分别表示相应的分子、原子的浓度，它们的单位是mol/cm3。将上式中（19）—（24）参数代入（25）计算NO的生成率。

    结论

    采用龙哥库塔法对不同湿度的助燃空气对燃烧产物的影响进行计算，得出燃烧产物（主要是NO）生成量的影响。

    1、计算框图

    图1 计算框图

    2、计算结果

    图2 各湿度下的NO生成量

    （从上往下湿度分别为0%、30%、50%、90%、100%）

    3、计算结果分析

    表1 柴油机满负荷时各湿度条件下NO的生成量

    从计算结果分析：柴油机在满负荷工作时，进气湿度增大，NO排放量减少;进气湿度与NO排放曲线近似一直线关系;进气由湿度为0%增加到100%，柴油机NO排放减少约17.7%。

    

    参考文献：

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    项目来源：浙江省科学技术厅2012年生态省建设目标责任制考核重大科技项目

    （作者单位：浙江国际海运职业技术学院）