柴油機尾氣排放氮氧化物還原恒溫控制原理和方法

【專家解說】：柴油是在533K～625K的溫度范圍內(nèi)從石油中提煉出來的碳氫化合物。其中各成分質(zhì)量分數(shù)分別是碳87%,氫12.6%,氧0.4%。碳氫化合物燃料完全燃燒時,將只產(chǎn)生CO2和H2O,沒有其它成分。和汽油機相比,柴油機的CO和HC排放均比較小,這是因為柴油機總體來說在稀混合氣下運轉(zhuǎn),平均過量空氣系數(shù)一般在1.5～3之間,CO生成后可以得到進一步的氧化;作為汽油機HC排放的主要來源——狹縫效應(yīng)在柴油機中大為弱化,原因是柴油機中進入狹縫的是空氣而不是可燃混合氣,因此HC排放得到大幅度降低。NOx的排放與汽油機在同一個數(shù)量級,微粒排放則要大幾十倍甚至更多,所以NOx和微粒是柴油機最主要的排放物。近年來隨著科技水平的發(fā)展和對柴油機研究的深入,通過機內(nèi)機外凈化措施已經(jīng)大大改善了柴油機的排放水平。為防止高壓噴射帶來的氮氧化物排放增加,必須延遲噴油,這樣又導(dǎo)致熱效率下降。要想從根本上解決排放問題,需要對NOx和微粒這兩種主要排放物的生成機理有深刻的認識。一、 NOx的生成機理氮氧化物包括NO、NO2、N2O3、N2O、N2O5、N2O4、NO3等,在化石燃料的燃燒過程中生成的氮氧化物主要是NO和N2O,其中以NO為主。以煤的燃燒為例,NO占90%以上,N2O占5～10%。燃燒過程中NOx來源于燃料中的氮化合物和空氣中的氮氣的氧化過程,過去已經(jīng)有大量的研究人員從事NOx的生成機理方面的研究。按其生成的基礎(chǔ)理論,NOx可分為熱力型NOx和燃料型NOx兩大類,其中熱力型NOx又分為捷里德維奇(Zeldovich)NOx和快速型NOx。燃料中含氮量的不同以及氮元素在燃料中的存在形態(tài)的不同和燃燒方式的不同,使這兩種氮氧化物的比例有很大區(qū)別。1.熱力型NOx。熱力型NOx源于燃燒過程中空氣中的氮氣被氧化成NO,它主要產(chǎn)生于溫度高于1800 K的高溫區(qū),其反應(yīng)機理可以捷里德維奇(Zeldovich)模型描述,而且從擴大的模型的常用反應(yīng)常數(shù)看,生成速度比較緩慢:N2 02 →NO NN 02 →NO 0N 0H →N0 H熱力型NOx的主要影響因素是溫度和氧濃度。隨溫度和氧濃度的增加,熱力型NOx的濃度增加。因此,降低熱力型NOx的基本原理就是降低氧的濃度、降低火焰溫度以及縮短高溫區(qū)的停留時間等。在工程實踐中,采用煙氣再循環(huán)、濃淡燃燒、水蒸氣噴射以及新發(fā)展起來的高溫空氣燃燒技術(shù)等都是利用上述原理來控制熱力型NOx的生成措施。2.快速型NOx。快速型NOx是碳氫類燃料在過量空氣系數(shù)<1的富燃料條件下,在火焰面內(nèi)快速生成的NOx,它不同于空氣中的N2按Zeldovich模型生成的熱力型NOx,其生成過程經(jīng)過了空氣中的N2和碳氫類燃料分解的HCN、NH、N等中間產(chǎn)物等的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)?？焖傩蚇Ox的生成機理十分復(fù)雜,中間反應(yīng)過程存在時間十分短暫。Hayhurst等把快速型NOx的反應(yīng)過程簡化為 :CH N2 →HCN N CH2 N2 →HCN NH3.燃料型NOx。燃料型NOx指燃料中的氮在燃燒過程中經(jīng)過一系列的氧化——還原反應(yīng)而生成的NOx,它是煤燃燒過程NOx的生成的主要來源。燃料型NOx的生成經(jīng)歷多個復(fù)雜過程,有關(guān)研究使用過的反應(yīng)動力學(xué)模型中所包含的反應(yīng)過程超過200多個。燃料型NOx既受燃燒溫度、過量空氣系數(shù)、燃料性質(zhì)等影響,同時也受燃燒過程中燃料空氣混和條件的影響,它們影響到燃燒室局部的自由基濃度分布,從而影響了NOx的生成與還原。二、微粒的生成機理微粒是指空氣中分散的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì),其粒度為分子級,即直徑在0.0002～500μm,包括氣溶膠、煙、塵、霧和碳煙?？杀硎緸镻M(particulate matter)或PT(particulate),柴油機微粒的直徑大約在0.01～10μm 范圍內(nèi),其中對人體和環(huán)境危害最大的直徑在2.5μm以下的微粒,記作PM2.5,它懸浮在空中1～2m高的空間,容易被人體吸入,對人體危害最大,也是造成能見度差的原因,近年來隨著油氣混合過程的改善和高壓噴油技術(shù)的采用,微粒的排放量有明顯的下降,但PM2.5以下的微粒所占的比重有所增加。柴油機微粒是由三部分組成,即干碳煙(DS),可溶性有機物(SOF)和硫酸鹽。其中,SOF又可根據(jù)來源不同分為未燃燃料和未燃潤滑油,兩者所占的比重因具體所用的柴油機的不同而有差異,一般可認為大致相等。按微粒化學(xué)成分分類,把SOF可分為堿類,酸類、烷烴類、芳香烴類、不穩(wěn)定類和其它不溶類。近年來,由于采用了許多有效的措施,使柴油機的碳煙排放有了很大的降低,即DS的排放量有了明顯的降低,另外,采用了低硫柴油,硫酸鹽的排放量也降低,盡管SOF的排放量基本未變,但它的比例卻增加了。微粒中成分并不是一層不變的,它會隨著發(fā)動機的型號、運行工況、技術(shù)水平、以及油品特性等因素的不同而變化。三、其它廢氣成分的生成機理1.硫氧化物(SOx)的生成機理。SOx生成是由于燃油中所含硫分燃燒后的產(chǎn)物,當缸壁溫度低于水蒸汽露點則燃燒中生成的汽態(tài)水液化并與SOx形成亞硫酸和硫酸,對金屬造成腐蝕。