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概述柴油發(fā)電機的前處理技術(shù)的研究

發(fā)布時間:2024-10-19 點擊:112
概述柴油發(fā)電機的前處理技術(shù)的研究
隨著發(fā)電機組排放法規(guī)的日益嚴格,柴油機廢氣排放控制問題也越來越得到社會各界的廣泛關(guān)注,本文主要介紹了柴油機在廢氣排放前后運用的國際主流處理技術(shù),并結(jié)合國內(nèi)外的技術(shù)路線,選擇性地研究柴油機排放控制的問題,對比這些技術(shù)的優(yōu)缺點進行比對,以此來分析柴油機排放控制技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢。
一、概述
在傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的技術(shù)相對完善的今天,人們發(fā)現(xiàn)與汽油機相比,柴油機有著更好的動力性和燃油經(jīng)濟性的特點,但柴油機的工作特性也決定其自身的缺點,其中微粒pm的排放尤為突出。燃燒時爆發(fā)壓力高,是柴油機動力性好原因,但也同時導(dǎo)致了柴油機噪聲較大,工作粗暴。hc、co和co2的排放濃度與汽油機相比是較低的,這是柴油完全燃燒后帶來的優(yōu)勢;燃燒后nox的排放,柴油機與汽油機污染物比例基本相當。在排放控制中,汽油機一般處于理論空燃比周圍且排氣溫度高,可以采用三元催化實現(xiàn)尾氣控制,但并不適用柴油機。因此柴油機的排放問題中的關(guān)鍵就是如何降低nox和pm,但柴油機的nox和pm排放是一種矛盾的關(guān)系,此消彼長,排放控制工作的重點是進行nox與pm的折中??刂瓢l(fā)電機組排放污染的途徑一共有三種,分別是前處理凈化,機內(nèi)凈化和后處理凈化。其中,后處理凈化技術(shù)就是使燃燒室排出的廢氣在排氣系統(tǒng)中進行凈化處理。
二、柴油機排放前處理技術(shù)
1、柴油機氧化催化劑技術(shù)
該裝置主要與其他后處理裝置配合使用,它可以將no轉(zhuǎn)化為no2,可置于dpf之前用于dpf被動連續(xù)再生;置于scr之前用于調(diào)整no和no2比例(no=no2時,scr反應(yīng)較快);置于scr之后防止氨氣泄漏;其氧化hc、co的作用可以對之后scr,lnt進行溫度管理。雖然doc可以將hc、co氧化成co2和h2o,但卻不能氧化pm中的干碳煙(soot)。因此,僅僅采用doc不能滿足pm的排放法規(guī),必須采用dpf。
2、柴油燃料的處理技術(shù)
預(yù)處理燃料,一般要先改善燃油的品質(zhì),具體可以從以下幾點技術(shù)入手:提高燃料十六烷值;降低硫含量;降低柴油密度;減少燃油中的芳香烴成分;乳化燃料;摻燒消煙添加劑,上述原理基本都是以降低燃料中最有害的化學(xué)元素成分的排放為主。此外,還應(yīng)該考慮使用清潔燃料代替,如乙醇、天然氣、石油氣等等。
3、機內(nèi)處理技術(shù)
機內(nèi)處理技術(shù)主要是針對經(jīng)過預(yù)處理的燃料在燃燒過程中的優(yōu)化問題,首先應(yīng)保證燃料能夠充分均勻混合,降低燃料不完全燃燒的比例,其次,還要使發(fā)動機在整個燃燒過程中,工作柔和,做到迅速啟動或停止燃燒反應(yīng)。從減少廢氣排放的角度來說,機內(nèi)處理技術(shù)的本質(zhì)要求就是優(yōu)化燃燒過程。隨著我國自主研究水平的提高,某些技術(shù)已達國際前列水平,例如多氣門技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)、egr技術(shù)、高壓共軌技術(shù)等等。
4、稀燃nox捕集技術(shù)
稀燃nox捕集技術(shù)(lnt)是一種基于發(fā)動機周期性稀燃和富燃工作的nox凈化技術(shù),其關(guān)鍵部件是貴金屬pt、rh催化劑和具有吸附nox能力的堿金屬或堿土金屬化合物構(gòu)成的吸附劑。以baco3吸附劑的lnt為例,其原理是在稀燃(即正常運轉(zhuǎn))時,排氣中的no通過催化劑被氧化成no2,而后通過吸附劑以硝酸鋇的形式存儲起來,當調(diào)整發(fā)動機工況達到富燃條件時,硝酸鋇分解并釋放出nox,nox通過催化劑被尾氣中的hc,co等還原成n2。lnt的工作效率可高達90%以上,不需要額外的還原劑及存儲裝置。但由于lnt系統(tǒng)的吸附能力較低,限制了其在重型柴油機上的應(yīng)用,對于小排量的輕型車及柴油轎車有較大的應(yīng)用前景。利用廢氣較大的熱容量來降低最高燃燒溫度,并降低氧氣濃度,從而達到降低no排放目的。
5、nox和pm的綜合控制技術(shù)
柴油機后處理技術(shù)須同時降低nox和pm的排放,方法是將機內(nèi)凈化與后處理技術(shù)結(jié)合,如在機內(nèi)控制pm排放而機外采用scr技術(shù)以降低nox排放或在機內(nèi)控制nox而機外采用dpf技術(shù)降低pm排放。johnsonmatthey公司的rscrt技術(shù)就是連續(xù)再生式dpf(即crt技術(shù))與scr的組合。而豐田公司的dpnr系統(tǒng)是將lnt與dpf捕集再生的凈化原理集成起來近些年,低溫等離子催化輔助技術(shù)作為一個新的領(lǐng)域備受關(guān)注。等離子體是指通過放電、加熱、輻射等方法使氣體電離而形成的包含電子、離子、原子、分子及自由基等粒子的導(dǎo)電性流體。此項技術(shù)主要是促進活性物種的生成、使得催化劑具有更高的活性和選擇性,能夠同時凈化nox和pm。這一技術(shù)主要是在機內(nèi)控制 nox 數(shù)值,然后在機外利用顆粒捕集器捕捉 pm,這種技術(shù)路線同樣也是采取分步處理的方式以達到降低 nox 和 pm 值的目的。
6、廢氣再循環(huán)(egr)
廢氣再循環(huán)是將少量排氣引入進氣管,使之與進氣混合,并根據(jù)發(fā)動機的不同工況,對再循環(huán)的廢氣量進行最佳的控制與調(diào)節(jié)。它能有效地降低柴油機nox的生成量。
在發(fā)動機燃燒后的廢氣中,水蒸氣約占14%,co2約占11%,還有大量的n2。水蒸氣和c02為三原子分子,它們都有較高的熱容量。當這些不活潑的氣體被吸入燃燒室后,燃燒狀況就會發(fā)生改變。大量的n2和co2起到了稀釋汽缸內(nèi)反應(yīng)氣體的作用,從而減慢了燃燒反應(yīng)速度,降低了最高燃燒溫度。高熱容量的水蒸氣和co2氣體溫度上升需要吸收較多的熱量,這就更為有效地降低汽缸內(nèi)的燃燒溫度,使nox的生成量減少。
廢氣再循環(huán)系統(tǒng)就是在進、排氣管壁之間安裝孔徑大小經(jīng)過計算和實驗的噴嘴,將一定量的廢氣由排氣管引入進氣管,然后根據(jù)發(fā)動機工況及工作條件的變化自動調(diào)整參與再循環(huán)的廢氣量(egr率)。通常電磁閥受ecu控制,ecu根據(jù)轉(zhuǎn)速、進氣壓力(或流量)和水溫等信號,通過控制egr電磁閥的開度來改變參與再循環(huán)的廢氣量。
在增壓柴油機中,再循環(huán)廢氣一般流到增壓器后的進氣管中,以免玷污增壓器葉輪。這時,為防止增壓壓力大于排氣壓力時再循環(huán)廢氣的倒流,要在egr閥前加一個單向閥,以便利用排氣脈沖進行egr。
試驗證明,把再循環(huán)的廢氣加以冷卻,采用所謂冷egr,可以提高降低nox排放的效果。另外,為防止柴油機采用egr后磨損加劇,應(yīng)選用高質(zhì)量潤滑油和低硫柴油。
采用廢氣再循環(huán)系統(tǒng)雖能有效地降低柴油機nox的排放,但全負荷用egr會使發(fā)動機最大功率下降;中等負荷用較大的egr率會使燃油消耗率增加,hc排放上升;小負荷特別是怠速用egr會導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。因此,應(yīng)用egr控制nox排放技術(shù)的關(guān)鍵是控制egr率,使之在不同工況下,得到各種性能的最佳折中,實現(xiàn)nox的控制目標。目前廣泛采用電控系統(tǒng)控制egr閥,得到了比較滿意的效果。
由于柴油機的排氣中氧含量較高,所以柴油機允許并需要較大的egr率來降低nox的排放。直噴式柴油機的egr率可以超過40%,間噴式可達到25%。為了防止產(chǎn)生較多的微粒,一般在中、低負荷使用較大的egr率,在全負荷時不用,以保證性能。當轉(zhuǎn)速提高時也降低egr率,以保證較多的新鮮空氣充量。最佳egr脈譜用試驗標定法制取。
三、柴油機排放處理技術(shù)方法研究
1、nox催化轉(zhuǎn)化器
nox催化轉(zhuǎn)化技術(shù)主要分為催化熱分解和選擇性催化還原兩種,前者主要是利用一些特殊物質(zhì)構(gòu)成的催化劑降低分解反映的活化能,并將nox轉(zhuǎn)化為氮氣,整個反應(yīng)過程實現(xiàn)了安全高效無毒;選擇性催化還原反應(yīng)則是在排放的廢氣中噴入飽和的hc和nox,最終生成氮氣、二氧化碳和水等無毒物質(zhì)。應(yīng)用微粒捕集器柴油機微粒捕集器(dieselparticulatefilter,dpf)是針對柴油機微粒pm的一種高效后處理技術(shù)。pm經(jīng)過裝置后進行過濾,然后定時對過濾器內(nèi)收集到的pm進行清除,實現(xiàn)dpf的連續(xù)使用,我們稱之為再生。再生通常采用pm燃燒的方式來實現(xiàn)。pm是柴油燃燒之后的產(chǎn)物,所以只要提供足夠的溫度,pm是可以繼續(xù)燃燒,最后變化為co2和h2o的。pm的起燃溫度一般情況下,需在550℃以上,650℃以下,這就高于了正常排氣溫度。因此,使pm能夠燃燒,被動再生和主動再生兩種方法就研發(fā)出現(xiàn)。被動再生是通過加入催化劑,降低其反應(yīng)活化能;主動再生是采用加熱技術(shù)提高柴油機排氣溫度或過濾體的溫度。微粒捕集器的捕集原理:過濾技術(shù)和非過濾技術(shù),粒間的碰撞、攔截、擴散或重力沉降等原理吸附在捕集器單元中,這就是過濾技術(shù)。類似于靜電除塵,將尾氣中的顆粒在高壓電暈放電場中荷電的等離子技術(shù),這就是微粒捕集器原理。
2、加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器
為了有效凈化廢氣中的可燃性氣體以及sof,通常會在柴油機中加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器,這種催化器能夠有效地減少hc、co以及pm等特殊物質(zhì)含量,其中對hc的凈化效果尤為顯著,廢氣中的異味明顯減少。然而,氧化催化器在使用過程中也存在著一些問題,對于含硫的物質(zhì),例如二氧化硫,會將其氧化成三氧化硫,進一步霧化反應(yīng)或生成固態(tài)硫酸鹽顆粒,某種程度上,又增加了pm。因此,這種技術(shù)一般適用于柴油機的廢氣排放處理,因為柴油燃料的含硫量較低。氧化型催化轉(zhuǎn)化器在處理廢氣的過程中,對于外部環(huán)境要求較為嚴苛,需綜合控制好各方面因素,才能達到最佳的凈化處理效果。

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