南京理工大學(xué)博士學(xué)位論文凹凸棒石粘土吸收劑濕法凈化柴油機(jī)廢氣

1、柴油機(jī)有害排放物控制方法研究第一章緒論1.1引言柴油機(jī)以其動(dòng)力大、熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、適應(yīng)性強(qiáng)和功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程及農(nóng)林機(jī)械等領(lǐng)域。在運(yùn)輸業(yè)，除占據(jù)全部大噸位機(jī)動(dòng)車市場(chǎng)外，一些國家(如德國、日本)的中噸位車己全部柴油機(jī)化，輕型載貨車則大部分柴油機(jī)化，小型客車也呈現(xiàn)出柴油機(jī)化趨勢(shì)。目前我國柴油車保有量達(dá)650萬輛(不包括2000多萬輛農(nóng)用柴油車輛)，并且增長趨勢(shì)強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)2010年可達(dá)1200萬輛。然而，隨之而來的大量柴油機(jī)有害排放物質(zhì)，對(duì)大氣環(huán)境、人類健康以及自然界的生態(tài)平衡等均帶來了不可忽視的影響，同時(shí)也制約著柴油機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。因此，對(duì)柴油機(jī)廢氣排放控

2、制近年來一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一，也是環(huán)境工程學(xué)和內(nèi)燃機(jī)學(xué)中非常具有挑戰(zhàn)性的課題。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油機(jī)廢氣排放控制進(jìn)行了大量的研究探索工作，研究重點(diǎn)分為機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化兩個(gè)方面。在機(jī)內(nèi)凈化方面，許多工程技術(shù)人員圍繞著柴油機(jī)自身改造和燃料改進(jìn)等方面的研究取得了很多可喜的成就，但從世界各先進(jìn)國家三十多年的探索和研究結(jié)果來看，僅靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很難滿足越來越嚴(yán)格的柴油機(jī)排放法規(guī)的要求。因此，柴油機(jī)廢氣的機(jī)外凈化技術(shù)則成為解決這一難題的必然選擇。本章首先介紹柴油機(jī)排放污染物的產(chǎn)生及危害。然后介紹柴油機(jī)排放相關(guān)法規(guī)與現(xiàn)狀。第三部分是柴油機(jī)廢氣凈化技術(shù)的研究進(jìn)展。由于廢氣中的微顆粒物P(M，Par

3、ticlaetMatter)和氮氧化物(NOx)為柴油機(jī)排放的主要污染物，所以將是本章介紹的重點(diǎn)。第四部分則是本課題的研究背景及主要內(nèi)容。1.2柴油機(jī)廢氣中有害物質(zhì)的產(chǎn)生及危害柴油機(jī)廢氣中有害成份主要有:一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、二氧化硫(SO2)、NOx和PM等。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)廢氣中HC和CO含量較低，通常僅為汽油機(jī)的幾十分之一。NOx排放量與汽油機(jī)大致處于同一數(shù)量級(jí)。但PM排放水平遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，約為汽油機(jī)的30一80倍。此外，由于柴油的含硫量高于汽油，所以柴油機(jī)廢氣中SO2含量也較高。第一章緒論博士論文L.21顆粒物柴油機(jī)廢氣排放主要可分為三種情況，即冷啟動(dòng)和怠速工況下的

4、白煙、低負(fù)荷工況下的藍(lán)煙及柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的黑煙。煙色不同，生成機(jī)理也不一樣。白煙是由于氣缸內(nèi)溫度較低，著火不好或產(chǎn)生失火現(xiàn)象，燃料和潤滑油燃燒不完全而以液態(tài)顆粒排出(粒徑通常在1腳以上)所形成。藍(lán)煙則是在燃燒室溫度較低的情況下所產(chǎn)生。此時(shí)，在燃燒室壁面上燃油蒸發(fā)和燃燒進(jìn)行比較遲緩，部分混合氣的燃燒還會(huì)由于低溫而中止;同時(shí)低負(fù)荷下燃料噴射量小，燃料噴霧易產(chǎn)生局部過度分散，燃燒速率下降，從而使得燃料及潤滑油呈未燃液態(tài)和燃燒中間產(chǎn)物狀態(tài)以微小顆粒形式排出，形成藍(lán)煙。白煙和藍(lán)煙一般在柴油機(jī)暖機(jī)后會(huì)自動(dòng)消失。柴油機(jī)排放顆粒物的產(chǎn)生主要來自于黑煙。顆粒物產(chǎn)生的主要原因是由于燃料混合不均勻，部分燃料燃

5、燒不完全，在高溫缺氧條件下氧化、裂解而形成。柴油機(jī)的燃料噴射是在燃燒開始前瞬間進(jìn)行的，屬于擴(kuò)散混合過程。由于混合時(shí)間極短，造成混合氣濃度分布極不均勻，部分燃油分子在高溫缺氧條件下發(fā)生氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，并進(jìn)一步脫氫形成原子級(jí)的碳粒子，如圖1.1所示。碳粒子生成后，在高溫下還可進(jìn)一步與空氣作用實(shí)現(xiàn)完全燃燒。但是，如果氣缸內(nèi)空氣不足，混合過程進(jìn)行緩慢，那么，由于膨脹行程開始而使溫度下降，或者是碳粒子碰到冷的氣缸壁而溫度降低，使其燃燒過程中止。碳粒子則逐漸聚合變大，形成直徑2nm左右的碳煙核心(碳核):碳核再相互碰撞而凝聚，形成基本碳煙粒子。該粒子表面積非常大，具有很強(qiáng)的吸附能力，能夠

6、吸附來自燃油和機(jī)油中的未燃碳?xì)湮镔|(zhì)以及燃油中的硫被氧化生成的各種硫化物等形成顆粒物排放(見圖1.2)。電鏡分析結(jié)果表明柴油機(jī)排放顆粒物通常呈鏈狀或絮狀結(jié)構(gòu)。該微粒的球形度50m2/g一70m2/g.綜上所述，柴油機(jī)顆粒物的形成條件為:(1)混合氣濃度分布極不均勻，局部缺氧;(2)燃燒的高溫;(3)燃燒中氣體接觸到低溫燃燒室壁而被急冷。柴油機(jī)顆粒物的組成包含兩大部分，其一主要是由碳顆粒物(干碳煙DS，DrySoot)、硫酸鹽和灰顆粒組成的不溶性顆粒;另一組分則主要是來源于未完全燃燒的燃油、機(jī)油及其中間產(chǎn)物或懸浮微粒(氣溶膠)組成的可溶性顆粒，它們?cè)谝欢认履軌驌]發(fā)，絕大部分可以溶于某些有機(jī)溶劑(如

7、二氯甲烷和苯等)，故通常為可溶性有機(jī)成分(SOF，soluble Organic Fraetion)。柴油機(jī)顆粒物的組成見表1.1柴油機(jī)顆粒物已成為城市空氣的主要污染源之一，并且其粒子直徑極小，90%以上的微粒小于lum，幾乎均屬于亞微米級(jí)粒子和納米級(jí)粒子。排放后它們能在大氣中人們呼吸高度范圍內(nèi)長時(shí)間懸浮，極易經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體肺部，呼吸道及肺部沉積起來引起呼吸道疾病5一，6。柴油機(jī)顆粒物中的SOF組成非常復(fù)雜，包含有機(jī)化合物多達(dá)一百余種7一，9尤其是其中的苯并()a花等多環(huán)芳香性化合物(FAH)經(jīng)證實(shí)具有致癌和促癌120硯2J。1989年國際癌癥研究機(jī)構(gòu)aARC)將柴油機(jī)顆粒物列為人類可能的致

8、癌物美國的一項(xiàng)研究表明硫酸鹽和空氣微粒污染最嚴(yán)重城市與最輕微污染城市之死亡率差異約為巧%17%，即使在符合目前美聯(lián)邦空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)的城市中，的危險(xiǎn)也比最清潔的城市要高2-0/08%24。此外，柴油機(jī)顆粒物在大氣中受陽光和其它物質(zhì)作用還可產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，成二次污染。因此，柴油機(jī)排放顆粒物對(duì)人體和大氣環(huán)境有著不容低估的危害。NOxNxo為一氧化氮伽O)和二氧化氮困02)的總稱。柴油機(jī)燃燒過程主要生成的NO，約占NOx總量的90%。燃燒過程N(yùn)O的生成途徑主要有三種，根據(jù)其產(chǎn)生理的不同可分為熱力T(hal)NO(也稱高溫NO)、燃料F(uelN)O以及快P(romP)tNozl2s6。熱力NO主要是由于

9、空氣中的從在火焰溫度下被氧化而成;料NO是含氮燃料的燃燒產(chǎn)物;快速NO主要是燃料中碳?xì)浠衔镌谌紵^程中解生成的CH、C等原子或原子團(tuán)與空氣中的NZ發(fā)生反應(yīng)生成氮化物，這些氮化與火焰中大量的O、OH等進(jìn)一步反應(yīng)而生成。但一般車用柴油的含氮率較低;速NO多發(fā)生在比較富燃的情況下，即在碳?xì)浠衔镙^多，氧濃度相對(duì)較低時(shí)。而在柴油機(jī)燃燒過程中基本可以不考慮燃料NO和快速NO。因此，柴油機(jī)廢氣的Nxo主要是空氣中的NZ和02在燃燒室高溫條件下的燃燒產(chǎn)物，即熱力NO。熱力NO的生成過程目前為大家普遍接受的為擴(kuò)展的捷氏(捷爾杜維奇)反應(yīng)理(ExtendedZeldovihcReaction)25:02二=亡20O+NZ二二二士NON+02二二二亡NON+OH二=二=七NO十N+O+H(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)