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廢氣

1、柴油機有害排放物控制方法研究第一章緒論1.1引言柴油機以其動力大、熱效率高、燃油經(jīng)濟性好、適應(yīng)性強和功率范圍廣等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于交通運輸、工程及農(nóng)林機械等領(lǐng)域。在運輸業(yè)，除占據(jù)全部大噸位機動車市場外，一些國家(如德國、日本)的中噸位車己全部柴油機化，輕型載貨車則大部分柴油機化，小型客車也呈現(xiàn)出柴油機化趨勢。目前我國柴油車保有量達650萬輛(不包括2000多萬輛農(nóng)用柴油車輛)，并且增長趨勢強勁，預(yù)計2010年可達1200萬輛。然而，隨之而來的大量柴油機有害排放物質(zhì)，對大氣環(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，同時也制約著柴油機的進一步發(fā)展與應(yīng)用。因此，對柴油機廢氣排放控

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

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

4、白煙、低負荷工況下的藍煙及柴油機正常運轉(zhuǎn)情況下的黑煙。煙色不同，生成機理也不一樣。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。藍煙則是在燃燒室溫度較低的情況下所產(chǎn)生。此時，在燃燒室壁面上燃油蒸發(fā)和燃燒進行比較遲緩，部分混合氣的燃燒還會由于低溫而中止;同時低負荷下燃料噴射量小，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，形成藍煙。白煙和藍煙一般在柴油機暖機后會自動消失。柴油機排放顆粒物的產(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。柴油機的燃料噴射是在燃燒開始前瞬間進行的，屬于擴散混合過程。由于混合時間極短，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，并進一步脫氫形成原子級的碳粒子，如圖1.1所示。碳粒子生成后，在高溫下還可進一步與空氣作用實現(xiàn)完全燃燒。但是，如果氣缸內(nèi)空氣不足，混合過程進行緩慢，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，具有很強的吸附能力，能夠

6、吸附來自燃油和機油中的未燃碳氫物質(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)果表明柴油機排放顆粒物通常呈鏈狀或絮狀結(jié)構(gòu)。該微粒的球形度在0.6一0.9之間，其中尤其以0.6一0.7之間的微粒居多。微粒比表面積大約為50m2/g一70m2/g.綜上所述，柴油機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、機油及其中間產(chǎn)物或懸浮微粒(

7、氣溶膠)組成的可溶性顆粒，它們在一度下能夠揮發(fā)，絕大部分可以溶于某些有機溶劑(如二氯甲烷和苯等)，故通常為可溶性有機成分(SOF，soluble Organic Fraetion)。柴油機顆粒物的組成見表1.1柴油機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粒子和納米級粒子。排放后它們能在大氣中人們呼吸高度范圍內(nèi)長時間懸浮，極易經(jīng)呼吸道進入人體肺部，呼吸道及肺部沉積起來引起呼吸道疾病5一，6。柴油機顆粒物中的SOF組成非常復(fù)雜，包含有機化合物多達一百余種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)證實具有致癌和促癌

8、120硯2J。1989年國際癌癥研究機構(gòu)aARC)將柴油機顆粒物列為人類可能的致癌物美國的一項研究表明硫酸鹽和空氣微粒污染最嚴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)準的城市中，的危險也比最清潔的城市要高2-0/08%24。此外，柴油機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，柴油機排放顆粒物對人體和大氣環(huán)境有著不容低估的危害。1.2.2NOxNxo為一氧化氮伽O)和二氧化氮困02)的總稱。柴油機燃燒過程主要生成的NO，約占NOx總量的90%。燃燒過程NO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

9、稱高溫NO)、燃料F(uelN)O以及快P(romP)tNozl2s6。熱力NO主要是由于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主要是燃料中碳氫化合物在燃燒過程中解生成的CH、C等原子或原子團與空氣中的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，即在碳氫化合物較多，氧濃度相對較低時。而在柴油機燃燒過程中基本可以不考慮燃料NO和快速NO。因此，柴油機廢氣的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.