王昉

[摘 要]随着我国经济不断发展，人们生活水平的提高，工作环境也得到了人们的广泛关注，特别是煤矿企业，工作环境的安全决定着所有工作人员及整个煤矿的安装问题，其中气体中的瓦斯与一氧化碳优为重要。，《煤矿安全规程》明确规定了矿井内一氧化碳的含量。本文章主要分析防爆车辆尾气净化装置在矿井防爆车上的研究与应用。

[关键词]一氧化碳 防爆柴油机 净化效率

中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0090-02

0 引言

柴油车尾气危害巨大，国内柴油机车辆尾气净化技术较在地面车辆应用较广泛，但受防爆性能及车辆整体尺寸限制，在煤矿井下使用成熟产品尚且较少。

1 系统目标及功能

1.1 系统研究背景

神华神东煤炭集团有限责任公司（以下简称神东公司）煤矿井下在用柴油车辆约2000多台，分布在内蒙古、陕西和山西境内的13个矿井，主要负责人员材料、混凝土运送及矿碴排放等工作任务。车辆使用数量多，频率高。由于所有车辆全部为柴油车辆，受矿井通风量及车辆排量及使用数量影响，特别是神东公司现使用的车辆普遍年限较长，柴油机效率下限，尾气中一氧化碳排放量上升，易出现部分区域一氧化碳超标现象，对区域作业人员造成威胁。

1.2 系统研究目标

根据煤矿安全规程要求，矿井使用柴油机车尾气排放中一氧化碳要求不高于1000ppm，各表面温度不超过150度。神东公司柴油机车尾气中的一氧化碳排放指标按此要求严格执行。所研发的矿井柴油车尾气净化装置能将车辆尾气排放中的一氧化碳降低80%以上，表面温度不超过150度。

1.3 系统方案

1）方案确定

世界上很多国家现都针对柴油机尾气排放研究出很多种解决方案，其中应用最为广泛的有四种：SCR、DPF、DOC和FTF方案。

SCR系统是一种车用催化尿素喷淋的尾气后处理技术，该方案技术要求最高，系统复杂，对柴油车尾气中的NOx等剧毒气体有相当好的净化效率。SCR系统售价昂贵，而且需要及时补充车用尿素，油耗与尿素的比例约在100：2，需要足够的安装空间。DPF方案是采用陶瓷载体壁流式强制催化转化PM微粒和有毒气体，该方案短期效果明显，但壁流式设计增大了柴油机排气背压，同时也会有部分未转化的颗粒物沉积，并迅速堵塞通道致排气不畅，必须经常拆卸下来加以维护，此外DPF相对昂贵。（DOC和FTF）直通式过滤器是由金属制催化剂载体元件和高厚度不锈钢壳体组成，能有效的去除柴油尾气微粒及与常规的壁流式过滤器相比能提供更低的背压.DOC、和FTF方案都是直流式催化氧化原理，柴油机排气只强制通过过滤器，而开放式的蜂巢载体设计不会产生过大背压（1KPa左右），合金催化剂高密度牢固粘附在镀膜处理的载体表面，催化氧化CO、HC效率较高，同时促进可燃微粒的二次燃烧从而提升净化效果。

综合上述四类无轨柴油车尾气净化装置技术特点及不足，结合矿井使用的特殊要求，研制出适合在煤矿井下使用的无轨柴油车排放一氧化碳净化装置。

2）具体方案介绍

① 工作原理

防爆车辆尾气净化装置安装在辅助运输车辆的排气系统中，采用直通式过滤方式设计，两端分别与排气波纹管及废气处理系统相连接，防爆车辆尾气净化装置利用柴油机排出的高温气体与喷涂在装置蜂窝状表面的铂 （Pt）、钯（Pd）等贵金属作为催化剂发生氧化还原反应，生成二氧化碳、水等物质，从而降低防爆车辆尾气排放中的CO和HC含量，同时也可以减少可挥发有机物（SOF）的含量以降低PM的排放。整套装置使用寿命约为3年，运行时间不低于1000小时，免清洗设计。能够对尾气中的一氧化碳降低80%以上。本文重点介绍防爆车辆尾气净化装置对一氧化碳的净化效果。在整个氧化还原过程中，一氧化碳启始反应温度是150度，只有当排气系统的温度达到150度以上时才能开始反应。温度越高，对尾气净化效果越好。但考虑到该装置涉及到矿井防爆设备防爆性能要求，防爆车辆尾气净化装置采用水套封装方式。将柴油机的冷却循环液引入装置封装水套内，利用柴油机冷却水降低装置温度，能有效控制其表面温度，使其温度不超过煤安定温度要求值。（见图1）

② 一氧化碳转换效率测试

（见图2）

将防爆车辆尾气净化装置安装在试验台模拟综合工况下一氧化碳转换效率，分别从不同转速工况下对其工作效率进行测试，记录每个工况下测试数据。通过数据分析得出如下结论：柴油机在1000r/min以下时，由于转速较底，在短时间内无法达到一氧化碳发生还原反应的温度条件，尾气排放中一氧化碳值没有减少。随着柴油机转速升高，在排气温度作用下，装置内部温度升高，一氧化碳开始参与反应，车辆尾气中排放的一氧化碳含量值在下降，当柴油机转速在2300r/min以上时一氧化碳排放含量值在稳定状态。

通过上述分析，当柴油机负荷低于25%时，一氧化碳排放量受转速影响较大，转速越高，一氧化碳排放量越少。当柴油机转速升高至2300r/min时达到稳定状态。

③ 试验中排气背压影响

（见图3）

在试验台上测试其背压值，并记录1000—2300r/min区间内柴油机排气背压值及净化装置背压值，从左侧图可以看出来，柴油机排气背压受负荷值影响较小，随着柴油机转速升高，系统排气背压增大，当转速达到2300r/min时背压值达到最大，其值为12kPa。净化装置在不同的负荷下表现出来的波动比较大，但各负荷下波形基本一致。

从右面曲线图可以看出，当柴油机转速在1100r/min时，净化装置产生的背压值最小为1kPa左右，随着柴油机转速增大，其排气背压值增大。当柴油机转速在1800r/min时，各负荷情况下的排气背压值达到最大值，其中100%负荷时排气背压最高，达到4.2kPa，而25%负荷时排气背压最低为2.2kPa。当柴油机转速上升达到2100—2200r/min之间时，柴油机排气背压值在各个负荷情况下减小，在3.5kPa--1.62kPa左右，随着柴油机转速继续上升，排气背压再次增大。

综合分析得出，柴油机转速在2200r/min左右时背压值达到最佳，为3.5kPa以内。对柴油机排气系统不会产生明显影响。

④ 矿井使用跟踪

（见表1）

为了验证爆车辆尾气净化装置在矿井环境下使用净化效率及可靠性，公司在防爆车上安装10套尾气净化装置，每套装置首先原柴油机转速在1000r/min和2300r/min时的一氧化碳排放值，将测试值记录下来。然后测试安装尾气净化装置后柴油机在1000r/min和2300r/min时一氧化碳排放值，将测试值记录下来。截止2016年7月，共使用2年半时间，每台尾气净化装置分别测试3次，取其3次的平均值作为计算依据。

从该表可以看出，防爆车柴油机转速在1000r/min工况时，未安装尾气净化装防爆车尾气中一氧化碳平均值为468ppm。安装后尾气中一氧化碳排放量平均值达到502.9ppm，较未安装时提高了34.9ppm，降低率为-10%。经分析，主要原因是因尾气净化装置反应温度要求在150度以上，柴油机转速在1000r/min左右时，车辆处于怠速状态，无法达到净化装置反应所需的温度，另，该装置使用水套封装，对反应有一定的影响。当防爆车柴油机转速在2300r/min工况时，未安装爆车辆尾气净化装置的防爆车尾气中一氧化碳平均值为559ppm。安装后尾气中一氧化碳排放量平均值达到64.93ppm，较未安装时降低了490.07ppm，降低率为89%。

安装爆车辆尾气净化装置后的防爆车排气流畅，没有造成柴油机排气不畅或表面温度超标准现象。通过两年半时间的井工环境使用，出现过连接波纹管漏水现象，但尾气净化装置净化效果通过不同阶段的测试数据可以看出来，其净化效率较稳定。

综合上述情况分析得出，安装尾气净化装置后，柴油机转速在1000r/min或以下时，车辆处于怠速状态，对尾气中一氧化碳没有净化作用。当柴油机转速达到2300r/min时，排气系统中温度升高，尾气净化装置反应充分，工作正常，尾气中一氧化碳排放减少89%，与实验测试值基本一致。

结束语：综上所述，矿井环境防爆车辆尾气排放随着车辆使用年限的增加而增加，采用爆车辆尾气净化装置可以有效控制其一氧化碳排放量，减少对环境造成的影响。

参考文献：

[1]《煤矿安装操作规程》

[2] MT 990-2006 矿用防爆柴油机通用技术条件

[3] MTT 989-2006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件

[4]GB/T 29914-2013柴油车排气净化氧化催化剂