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      船舶柴油機(jī)尾氣降污處理方法研究

      2015-01-09 06:03:47陳永芳
      中國水運(yùn) 2014年12期
      關(guān)鍵詞:摩爾尾氣氣缸

      陳永芳

      摘 ?要:現(xiàn)階段船舶動力裝置都是采用柴油機(jī)作為主動力, 對環(huán)境造成了巨大的污染。本文提出了減少NOX排放的控制策略,分析尾氣生成機(jī)理,對尾氣降污處理方法進(jìn)行了研究。

      關(guān)鍵詞:柴油機(jī)尾氣 ?降污處理

      隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 交通運(yùn)輸量持續(xù)增加,給海運(yùn)市場帶來極大的發(fā)展機(jī)遇,隨之而來的是船舶的持續(xù)增加?,F(xiàn)階段船舶動力裝置特別是大型的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船都是采用柴油機(jī)作為主動力。它帶給人類便捷和舒適的同時, 也對環(huán)境造成了巨大的污染。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注,降低尾氣有害氣體排放問題便成為各國面臨的熱點問題之一。柴油機(jī)尾氣中含有大量有害氣體,如一氧化碳、二氧化碳、硫化氣體、氮氧化合物及顆粒塵埃等,這些氣化氮毒性較一氧化氮更強(qiáng),二氧化氮與空氣中的水分結(jié)合會形成強(qiáng)酸,當(dāng)人體吸進(jìn)后會對神經(jīng)產(chǎn)生麻痹,對肺部產(chǎn)生刺激,造成身體上的傷害。據(jù)國際海事部門提供的資料顯示,每年世界船舶排放的氮氧化合物的總量達(dá)到600萬噸以上,占世界排放總量的7%。為了減少船舶對自然環(huán)境的危害,國際海事組織制定了越來越為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),所以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)是每一艘船舶所要解決的問題。

      尾氣處理方法

      通過大量的的實驗研究,人們發(fā)現(xiàn)在柴油機(jī)燃燒過程中,影響NOX生成率主要有三個因素:燃燒溫度、燃空當(dāng)量比和已燃混合氣在高溫停留時間。

      因此人們提出了各種減少NOX排放的控制策略,雖然減排的方案層出不窮,但本質(zhì)上都是圍繞在燃燒過程中的溫度和氧的濃度進(jìn)行的。常用的方法包括:①優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作參數(shù);②直接噴水(DWI)和燃油乳化(FWE)技術(shù);③選擇性催化還原技術(shù)(SCR);④廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR);⑤均質(zhì)混合壓縮著火 (HCCI)燃燒模式;⑥進(jìn)氣加濕降低柴油機(jī)NOX排放暨HAM技術(shù)。

      尾氣生成機(jī)理

      柴油機(jī)的燃燒過程非常復(fù)雜,涉及到流動、壓縮、燃燒、傳導(dǎo)等多個過程,整個過程是物理與化學(xué)過程的綜合。在研究過程中,將氣缸視為一個獨立的熱力系統(tǒng),由活塞、缸套、氣缸蓋組成的封閉空間為研究空間。助燃?xì)怏w狀態(tài)一般由壓力P、質(zhì)量M、溫度T等參數(shù)確定,考慮用熱力學(xué)三大定律及各種狀態(tài)、質(zhì)量方程將整個燃燒過程表達(dá)出現(xiàn),確定氣缸內(nèi)的基本的工作參數(shù)。

      1、壓縮階段基本方程和氣缸容積確定

      1.1 基本方程

      能量守恒方程(熱力學(xué)第一定律)可寫成下列通用形式:

      ■ ? ?(1)

      式中 U—系統(tǒng)的內(nèi)能;W—作用在活塞上的機(jī)械功;Qi—通過系統(tǒng)邊界交換的熱量;h—比焓;■—質(zhì)量;■—帶入(或帶出)系統(tǒng)的能量。

      1.2 瞬時容積

      氣缸的瞬時容積為:

      ■ (2)

      式中:Vh:氣缸行程容積;Vc:余隙容積;S:活塞行程;D:氣缸直徑;?孜:壓縮比;?姿S:連桿曲柄比。

      氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為:

      ■ ? ? (3)

      將上述公式進(jìn)行整理,最后得到氣缸表面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率:

      ■ (4)

      1.3 壓縮始點缸內(nèi)氣體成分

      柴油機(jī)在缸內(nèi)過程壓縮始點,缸內(nèi)壓力、溫度為掃氣箱內(nèi)增壓壓力和增壓空氣溫度,并且壓縮始點氣缸內(nèi)的空氣用理想氣體方程■來求解出氣體摩爾數(shù)。

      缸內(nèi)氣體成分及比例的確定:標(biāo)準(zhǔn)干空氣的摩爾質(zhì)量■,其摩爾比例依次為:O2=0.209495;N2=0.780881;CO2=0.0003;Ar=0.009324。

      相對濕度為?準(zhǔn)的空氣各氣體成分的摩爾比例:

      ■ ? (5)

      其中:■, ■, ■, ■, Ar為缸內(nèi)氣體各成分的摩爾比例。

      ■ (6)

      式中:d:空氣中含濕量g/kg;P:空氣壓力0.1MPa;■:水蒸氣飽和壓力0.1MPa;■:空氣濕度。

      濕空氣的摩爾質(zhì)量:

      ■ ? (7)

      濕空氣的氣體常數(shù)R濕=8315/M濕

      2、燃燒階段熱力學(xué)

      根據(jù)燃燒理論的基本假設(shè),氣缸內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)都可認(rèn)為是瞬時達(dá)到化學(xué)平衡,氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物的參數(shù)(燃燒產(chǎn)物平均相對分子質(zhì)量M、摩爾分?jǐn)?shù)xi、內(nèi)能u氣體常數(shù)R、焓h、)與基本參數(shù)(缸內(nèi)壓力P、溫度T、當(dāng)量空氣比F)具有一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)氣缸內(nèi)燃燒后的基本參數(shù)即可求得燃燒產(chǎn)物的參數(shù)。

      燃料的分子式一般表示為CkHmOlNk(其中k、l通常為0),根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理,若燃料完全所需的氧氣的理論量為■。在燃燒化學(xué)反應(yīng)過程中,一般的燃燒產(chǎn)物包括12種:H、O、 N、OH、NO、H2、N2、 O2、CO、CO2、H2O, Ar,依次用x1-x12表示其摩爾分?jǐn)?shù)??芍?,產(chǎn)生1摩爾燃燒產(chǎn)物的燃料為x13摩爾。燃料和空氣的化學(xué)反應(yīng)式為:

      ■ ? (8)

      ■ ?(9)

      ■ ?(10)

      3、膨脹階段基本方程確定

      氣缸內(nèi)的膨脹階段與壓縮過程相近,但是在物質(zhì)上增加了一次噴油量,根據(jù)能量守恒將該過程簡化為:

      ■ ? ?(11)

      4、柴油機(jī)NOX生成量計算

      柴油機(jī)排放產(chǎn)物中的有害氣體很多,包括硫氧化合物、碳氧化合物及氮氧化合物,在這些化合物中,因燃料及助燃介質(zhì)的化學(xué)構(gòu)成決定硫氧化合物、碳氧化合物含量較小,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,所以在計算燃燒產(chǎn)物中以NO為計算主體。

      4.1 NO生成速率計算

      在NO生成速率的計算方面,認(rèn)為其生成過程遵從擴(kuò)大的Zeldovich機(jī)理,反應(yīng)的控制方程為:

      規(guī)定用K1,K2,K3…分別表示各反應(yīng)控制方程的正反應(yīng)速度常數(shù);K-1,K-2,K-3…分別為各反應(yīng)控制方程的逆反應(yīng)速度常數(shù)。而在實際計算中通常只考慮前面三個主要反應(yīng),即式(12)、(13)、(14)。其中反應(yīng)速度常數(shù)可由公式得知:

      式中氣體常數(shù)R=1.986cal/(mol k)。

      一氧化氮NO生成速率表達(dá)式為:

      ■ ?(25)

      式子中[O]、[N]、[OH]、[N2]、[O2]、[NO]、[H]—分別表示相應(yīng)的分子、原子的濃度,它們的單位是mol/cm3。將上式中(19)—(24)參數(shù)代入(25)計算NO的生成率。

      結(jié)論

      采用龍哥庫塔法對不同濕度的助燃空氣對燃燒產(chǎn)物的影響進(jìn)行計算,得出燃燒產(chǎn)物(主要是NO)生成量的影響。

      1、計算框圖

      圖1 計算框圖

      2、計算結(jié)果

      圖2 各濕度下的NO生成量

      (從上往下濕度分別為0%、30%、50%、90%、100%)

      3、計算結(jié)果分析

      表1 柴油機(jī)滿負(fù)荷時各濕度條件下NO的生成量

      從計算結(jié)果分析:柴油機(jī)在滿負(fù)荷工作時,進(jìn)氣濕度增大,NO排放量減少;進(jìn)氣濕度與NO排放曲線近似一直線關(guān)系;進(jìn)氣由濕度為0%增加到100%,柴油機(jī)NO排放減少約17.7%。

      參考文獻(xiàn):

      [1] ?朱訪君, 吳堅. 內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值計算及其優(yōu)化[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1997:62-69.

      [2] ?高孝洪. 內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值計算[M]. 北京:國防工業(yè)出版社. 1986: 72-78.

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      [4] ?黃萬能. 船用柴油機(jī)減少NOX排放措施的方法[J]. 中國修船. 2007, 20(3), 17-19.

      [5] ?李農(nóng). 減少船用柴油機(jī)NOX排放的技術(shù)措施[J]. 世界海運(yùn). 2000, (3), 49-51.

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      [8] 魏安, 韓雪峰, 呂待辰, 徐曼平. 遠(yuǎn)洋船舶NOX排放量的測量[J], 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).

      項目來源:浙江省科學(xué)技術(shù)廳2012年生態(tài)省建設(shè)目標(biāo)責(zé)任制考核重大科技項目

      (作者單位:浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

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