防爆柴油機使用SCR系統(tǒng)的可行性分析

范江鵬

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)

0 引言

目前以防爆柴油機為核心動力的防爆無軌膠輪車在煤礦井下得到了廣泛的認可，但防爆柴油機作為其核心部件，其尾氣污染物中的NOx嚴重制約著防爆無軌膠輪運輸車的發(fā)展。由于井下有限的行車空間和通風資源[1]，尤其當多輛無軌運輸車輛在同一區(qū)域同時運行時，極易造成煤礦井下空氣的氧氣含量降低，使其防爆柴油機進氣量不足；進而使得防爆柴油機燃燒不完全，尾氣中污染物的含量急劇上漲，使得空氣中的氧含量持續(xù)下降，進一步加劇了防爆柴油機的尾氣污染物,這大量的尾氣污染物對井下煤礦工人的身體健康造成了嚴重的威脅。為解決此問題，通過對現(xiàn)有的柴油機凈化技術對比分析，提出一種適合煤礦使用的尾氣后處理技術。

1 凈化技術在防爆柴油機的應用分析

20世紀90年代末，中國煤炭科工集團太原研究院自主研發(fā)第一臺采用自然吸氣式柴油機作為動力源的防爆無軌膠輪車。由于煤礦特殊的使用環(huán)境，膠輪車的進、排氣系統(tǒng)中增加了隔爆柵欄，以滿足防爆要求；排氣系統(tǒng)中增加了水冷式排氣歧管，由于采用不銹鋼焊接工藝，流道在流線性方面作了妥協(xié)。但上述各項安全強制措施使得防爆柴油機進氣阻力和排氣背壓增加，導致自然吸氣式的防爆柴油機的排放性能較差。

為了降低防爆柴油機尾氣污染物的排放并提高其動力性能，曾開發(fā)一種氣渦輪增壓式防爆柴油機。該增壓器主要是增大進氣壓力，并提高燃燒室內燃燒溫度。相比于自然吸氣式柴油機，增壓機使得CO和碳煙顆粒的排放降低，卻使NOx的排放增加。為降低NOx，配置空-空中冷器或水-空中冷器，通過降低增壓后空氣的溫度以達到降低排放的效果，同時加裝中冷器后防爆柴油機的動力性和燃油經(jīng)濟性都得到了提升[2]。

為進一步增加進氣量和降低排氣背壓，四氣門技術、帶水套的鑄件排氣歧管先后應用到防爆柴油機中，但這些技術只是緩解了井下環(huán)境,為此將目光集中到柴油機尾氣后的處理技術，文獻[3]研究表明：通過加裝催化器對CO的凈化率達50%；對NOx的凈化率為15%；可見此類型催化器對CO轉化效率高，而對NOx的轉化效果一般。2013年，太原研究院與江西直方合作開發(fā)了防爆電控柴油機，在開發(fā)試驗中得出結論[4]：尾氣污染物排放中CO和NOx的排放值均優(yōu)于現(xiàn)用的機械式燃油系統(tǒng)的柴油機，尤其是CO的排放指標，然而NOx依舊是尾氣凈化的重要任務。

2 選擇性催化還原技術

2.1 工作原理

2003年，以尿素為還原劑的選擇性催化還原技術(簡稱SCR)成功的應用到配備柴油機的商用車上，大幅度優(yōu)化了NOx排放指標，且符合歐Ⅳ及歐Ⅴ標準[5]。SCR系統(tǒng)的工作原理是通過對尾氣分析取樣，結合尾氣溫度，排氣傳感器采集的數(shù)據(jù)將尿素溶液按照指令定量噴入排氣管中，最終進入反應區(qū)將NOx轉化為N2和H2O。

尾氣和尿素溶液進入催化層后，以尿素為還原劑的SCR反應方程式如下：

SCR系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2.2 催化劑的選擇

催化劑對于SCR系統(tǒng)是非常重要的元素,不同的催化劑配比使得SCR系統(tǒng)有不同的處理效果。不同催化劑的特點如表1所示，不同催化劑活性窗口溫度如圖2所示。

表1 不同催化劑的優(yōu)缺點

圖1 SCR系統(tǒng)工作原理

圖2 不同催化劑的活性窗口溫度

3 防爆柴油機應用SCR系統(tǒng)的可行性分析

SCR系統(tǒng)工作是以電子控制器為基礎，按照其設定的脈譜圖工作，輔助以NOx傳感器的實時監(jiān)測為修正依據(jù)，保證柴油機尾氣中的NOx以較高的轉化率還原為N2。因此，SCR系統(tǒng)在防爆柴油機中應用，需對該系統(tǒng)在的電子器件進行防爆處理，對可能產(chǎn)生火花的接合面進行隔爆處理，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

1) 從圖1可以看出，SCR系統(tǒng)要采集進SCR溫度、排氣溫度和催化層壓差信號，決定尿素噴射劑量的計量泵(其關鍵元件為電磁閥)，均需要進行防爆處理，可以常用的膠封型處理方式，既簡單易行，又可靠性高。

2) 由于溫度傳感器、壓差信號傳感器，噴槍等的安裝位置位于排氣管路上，須按照MT 990—2006要求，采用螺紋結構，其螺紋旋合長度應不小于12.5 mm的要求進行隔爆處理。

3) SCR系統(tǒng)中的微處理單元，采用車載24 V電壓，又與溫度傳感器、NOx傳感器等連接，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，需采用隔爆兼本質安全型的處理方式，微處理單元與各傳感器之間用光電信號連接，形成本質安全型電路；分析儀與隔離板整體封閉于隔爆箱中形成隔爆結構。

4) 對于SCR催化劑載體，其合理的使用溫度范圍在300～450 ℃之間。根據(jù)試驗的經(jīng)驗來看，防爆柴油機從廢氣渦輪增壓器排出的尾氣溫度在350℃～450℃之間；在低速大負荷工況，NOx排放嚴重工況，防爆柴油機廢氣溫度也在400℃左右。根據(jù)表1和圖2數(shù)值，V2O5/TiO2型催化劑符合使用要求，可有效與防爆柴油機匹配。

5) 為滿足煤礦使用要求，載體表面溫度應不超過150℃，故需在其外層加裝冷卻水套，利用防爆柴油機冷卻系統(tǒng)進行冷卻。另一方面，為保證催化效率，尾氣溫度下降不宜過快，載體需采用保溫性能良好的陶瓷材料，而且排氣管內層需設置隔熱保溫材料。

6) 根據(jù)SCR運行原理，尿素溶液在工作時會轉化為氨氣。尿素溶液不易發(fā)生爆炸，氨氣也是一種不可燃物質，但其在空氣中的濃度達到16%～25%時，遇火星或明火會發(fā)生爆炸。另外，氨氣具有刺激性氣味，可導致支氣管痙攣、急性肺水腫，甚至會構成失明和窒息死亡。使用氨氣作為還原劑，不可避免地會在尾氣中排出氨氣，故需要在SCR系統(tǒng)尾部配置一個氧化裝置，用于去除尾氣中沒有發(fā)生反應的氨氣。除此這外，在井下使用SCR系統(tǒng)時，必須配備SCR監(jiān)控系統(tǒng)。利用防爆柴油機電控系統(tǒng)對SCR系統(tǒng)監(jiān)控，只要尾氣中氨氣排放超標，應強制切斷SCR系統(tǒng)電源，保證煤礦安全生產(chǎn)。

7) 尿素水溶液冰點在-11℃，在寒冷的冬天使用時不可避免會結冰,而且在工作時需揮發(fā)成氨氣才能很好地與氮氧化物發(fā)生反應,故要借助防爆柴油機的冷卻循環(huán)水對尿素溶液加熱，由防爆柴油機電控系統(tǒng)控制，當水溫達到70℃以上，才會允許冷卻水加熱尿素罐，進而允許凈化系統(tǒng)工作。

8) SCR系統(tǒng)經(jīng)濟性。對于柴油機，燃油經(jīng)濟性和NOx存在著此消彼長的關系；CO和NOx之間也存在著此消彼長的關系。若單純降低CO，而不顧及NOx的排放量，則柴油機的燃油經(jīng)濟率也會下降。故采用機內凈化技術降低CO排放量，而后采用SCR技術處理NOx，在不考慮SCR系統(tǒng)尿素溶液的消耗量的情況下，可提高柴油機的燃油經(jīng)濟性。根據(jù)車用SCR系統(tǒng)的使用情況來看，尿素水溶液消耗量為燃油消耗量的5%，以汽車的常用車速來計算，將尿素水溶液的消耗量折算為燃油消耗量，其燃油消耗仍然可以改善4%[6]。因此，配備SCR系統(tǒng)不會增加用戶的使用成本。

4 結論

通過對SCR系統(tǒng)的工作原理、結構特點以及經(jīng)濟性進行分析，結合煤礦使用特點，對于日趨嚴格的排放標準來講，發(fā)展適用于煤礦的SCR系統(tǒng)非常適時,而且該系統(tǒng)也不增加用戶的使用成本，經(jīng)濟性良好。但SCR系統(tǒng)中催化劑及其載體是整個系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),其催化劑對燃料中的硫元素非常敏感，必須使用滿足國家標準的柴油，如若使用不當，柴油中的硫元素可與微量元素形成硫酸鹽，會導致整個載體堵塞，造成不可逆的損壞，另一方面，防爆柴油機的尾氣系統(tǒng)若含有濕式廢氣處理箱，使得排氣系統(tǒng)尾部水蒸氣含量較高，如果系統(tǒng)布置不當,也會造成催化劑因水蒸氣中毒而破裂。