關于船用柴油機尾氣排放污染物降解技術的研究

吳建國，李定華，吳佳琪

舟山嵊泗海光明電器有限公司

關于船用柴油機尾氣排放污染物降解技術的研究

吳建國，李定華，吳佳琪

舟山嵊泗海光明電器有限公司

當今社會,人們把目光投向了海洋,藍色海洋創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益,同時卻也引發(fā)了一系列環(huán)境污染的問題,海洋環(huán)境污染問題越來越受到國家的關注。可喜的是人們的保護環(huán)境意識已越來越強，在自覺遵守國家海洋環(huán)境保護法等法律法規(guī)的同時，努力通過創(chuàng)新，對海洋生產工具進行技術革新，以控制或減少排放性的污染。漁業(yè)是舟山的傳統(tǒng)優(yōu)勢產業(yè)和支柱產業(yè)。目前全市漁業(yè)人口20.6萬人，占總人口的21%。組建各種類型漁業(yè)專業(yè)合作社53家、國內民營漁業(yè)公司11家、遠洋漁業(yè)民營公司20余家。有各類機動漁船9091艘，有遠洋漁船220多艘。柴油機是船只的動力源，使用柴油作為燃料。我們發(fā)現(xiàn)，在燃油存儲過程中會生成膠質和沉渣，會造成油路堵塞，產生機械故障及縮短機器壽命，影響正常的航行作業(yè)效率的提高，嚴重的會發(fā)生安全事故；另外，這種高膠質的柴油油品在燃燒過程中容易產生積碳現(xiàn)象，造成燃燒不充分，隨著船只功率的增大，船只排放的尾氣CH、CO、PM也勢必大量增加，導致海洋環(huán)境的污染。

一、目前世界各國解決油品問題的主要方法

1.是使用化學合成法制備的清凈劑

但是這類產品仍存在以下兩方面的缺陷：

1）容易使沉積在油路系統(tǒng)的積碳大塊脫落，堵塞油濾系統(tǒng)，引發(fā)發(fā)動機熄火或功率不足。

2）由于其化學活性強易于和油品中的其它化學元素發(fā)生化學反應而影響到油品的其它理化性能，當不同廠家生產的合格產品混用時可能發(fā)生混合后油品質量下降的現(xiàn)象，特別是在不同地域加油的海洋運輸船舶上這種現(xiàn)象發(fā)生的更為普遍，限制了企業(yè)選用油品的范圍。

2.降低車船尾氣中CO、CH、NO、PM（顆粒物）四個指標

1）降低CO、CH的方法主要是通過設備改良和煉油企業(yè)提高煉油成本煉制高品質清潔燃料來完成，這些方法的缺點是減排成本大幅增加，社會負擔加重。

2）降低PM（顆粒物）的方法是過濾法，即使用更加細密的過濾材料濾去尾氣顆粒物，其缺點是不僅增加成本而且會導致油耗上升。

3）降低NO的方法目前國內大量使用的的是SNCR脫硝工藝（車載尿素液還原法）用尿素溶液高溫水解放出的NH3將NOX還原成N2，這種方法的缺點是使用不可控，NH3逃逸量大，成本高。

二、新型保能全效燃油增效劑研發(fā)

1.新型燃料增效劑所需的功能設想

針對普通燃油以上問題特點，我們設想有一種材料，它同時具有以下四大功能：

1）能溶于燃油中，在存儲時可抑制油品膠質生成；

2）同燃油一起燃燒時起到催化劑的作用，使燃油充分燃燒，減少CH、CO、PM排放；

3）在尾氣中能抑制三元催化劑表面積焦，提高催化效率，延長三元催化器壽命，若遇車輛使用尿素脫硝技術時可以降低NOX還原成N2的活化能，提高脫硝效率；

4）燃余微量納米顆?？梢詽B透吸附于摩擦表面，起到提高油膜強度，減少摩擦的作用。

2.新型燃料增效劑的材料合成與機理

經(jīng)過多年研發(fā)和試驗這種設想的材料終于被開發(fā)出來，這就是本項目研發(fā)的“一種用于汽車尾氣凈化的新型高效納米稀土催化劑（商品名稱：保能全效燃油增效劑）”它選材于具有活性稀土材料，是一種以稀土元素為主的適用于能源領域的功能材料。利用稀土元素具有的多配位性特點，采用機械化學合成法的核心技術對稀土元素或化合物進行納米或亞微米尺度上的復合、改性和組裝。可以與其它功能元素進行弱鍵復合，這些復合鍵鍵能低，在一定工況條件下會斷裂重新具備活性，起到催化劑的效果，將這些稀土材料經(jīng)過我公司擁有的專利技術“納米微孔型復合材料制備”方法，加工成納米級的微孔復合材料，這些材料能懸浮于燃油中，存儲期間發(fā)揮納米稀土材料抑制膠質的特點達到存儲穩(wěn)定的功能;燃燒時發(fā)揮納米稀土材料二次霧化和催化燃燒的特點，讓油品燃燒更加充分達到節(jié)能效果，直接減少CH、CO、PM排放;在使用尿素脫硝技術時，尾氣中納米稀土材料的催化功能可以降低NOX還原成N2的活化能，提高脫硝效率;燃燒殘余物中的極微量納米級顆粒物，利用稀土材料具有極強滲透力的特點，滲透并吸附在摩擦微裂紋的縫隙中，形成柔性摩擦保護層，絕不會出現(xiàn)應力堆積現(xiàn)象，提高油膜強度，起到保護發(fā)動機的作用。這種稀土納米復合材料可應用于各種燃油的助燃和清凈。

納米稀土材料是通過降低燃燒反應活化能和提高燃油二次霧化霧化效果，兩個方面來提高燃燒效率的，燃燒效率接近100%，可有效降低油耗達1.5-1.9%。

燃油燃燒時，首先要將燃油由液態(tài)汽化成氣態(tài)，然后與空氣中的氧氣混合，形成可燃混合氣，進行燃燒，燃油由液態(tài)汽化成汽態(tài)的常規(guī)過程我們稱其為一次霧化過程，通常燃油設備在設計時，設計師會精心考慮這一問題，通過各種手段，如噴嘴設計、回流加熱設計等，使第一次霧化過程進行得充分，只有燃油霧化達到規(guī)定的顆粒度標準，才能使燃油燃燒得完全充分?？陀^地講，如果燃油霧化充分，即使加入任何添加劑都不會產生節(jié)油效果，因為燃油已經(jīng)充分燃燒了。

然而，任何燃油設備都不可能永遠是嶄新的，經(jīng)過一段時間使用以后，燃油系統(tǒng)中的部件會積碳，尤其是噴嘴、節(jié)氣門等處，使其燃油一次霧化效果無法滿足最初設計時的標準，燃油就會產生燃燒不完全的現(xiàn)象，油耗就會明顯上升，排放變差。

圖一二次霧化過程

圖二燃油互溶效果

長期使用保能全效燃油增效劑，一方面可以通過保能全效燃油增效劑中稀土納米復合材料對噴嘴、氣門等部件進行清潔處理，使其保持良好工作狀態(tài)；另一方面，納米稀土復合材料因子能夠在燃油燃燒的瞬間形成二次霧化作用，具體機理是這樣的：納米稀土復合材料因子在燃燒瞬間形成高溫熾熱點，在高速運動中沖擊一次霧化超過標準的大顆粒冷油滴，產生微爆作用，生成粒度更細小的燃油顆粒，形成二次霧化作用，最終使超過霧化標準的大顆粒油滴二次霧化成符合設計標準的油滴，使燃油霧化更充分。（如圖一所示）

3.新型燃料添加劑功效測試

在燃油中微量添加“燃油增效劑”，設備在運作過程中廢氣排放減少10～30%，顆粒物排放（PM）減少30～60%以上。產品臺架檢測報告結果：負荷特性平均節(jié)油率1.5%；推進特性平均節(jié)油率1.6%。

本項目經(jīng)過大量的對比試驗優(yōu)化出配方，實現(xiàn)了以下4方面性能。

1）防止油品老化。利用專利中的納米稀土材料因子的配位活性，有效抑制燃油中不飽和烴的聚合。

2）保護發(fā)動機的效果。利用專利中納米稀土材料微粒具有極強的滲透性，可滲透吸附在摩擦微裂紋表面。

3）提高脫硝效率。利用專利中納米稀土材料在汽車尾氣尿素溶液脫硝過程中的催化性能。

4）充分燃燒，有效降低CO,CH,PM排放。納米稀土材料與配方中的清凈劑、分散劑共同發(fā)揮作用，溫和去除發(fā)動機積碳，保持供油系統(tǒng)清潔順暢。

4.新型燃料添加劑的應用

本產品可廣泛應用于重油、渣油、柴油、汽油等多種燃料。適量添加該產品可有效解決工礦和交通運輸企業(yè)使用重油、渣油、柴油、汽油等多種燃料所帶來的設備維護及環(huán)保問題，特別是尾氣排放問題更是當前政府急于解決的大問題。是一種高科技節(jié)能增效產品。

三、新型保能全效燃油增效劑的發(fā)展前景

1.新型添加劑的配制方法申請了國家發(fā)明專利，“一種燃油添加劑”申請了專利。（發(fā)明公布號：CN105885971A）

2.將納米稀土無機材料溶入傳統(tǒng)燃油中，可同時解決燃油質量、減少排放、保養(yǎng)發(fā)動機三方面問題，是國內、國際上的首次。

經(jīng)過了努力，本公司擁有了“納米微孔型復合材料制備”的專利技術。目前該技術非常成熟，而且通過該技術可以加工出納米稀土微孔型復合材料，這種材料能夠長期懸浮于燃油中，外觀上達到和燃油互溶的效果，目前產品已經(jīng)批量使用。（如圖二所示）

3.良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保數(shù)據(jù)

以年耗燃油量1萬噸的企業(yè)，節(jié)油率（臺架試驗2%）為例：按2000：1比例添加燃油增效劑，若節(jié)油率2%，則可節(jié)約重油200噸（10000×2%）；保守估計每噸燃油售價4500元，每噸燃油增效劑售價8.5萬元，產生經(jīng)濟效益90萬元（200噸×4500元∕噸）；投入成本：（10000噸÷2000）×8.5萬元∕噸=42.5萬元；毛收益：90－42.5=47.5萬元。

可見僅節(jié)油一項就可帶來47.5萬余元的經(jīng)濟效益，若再加上保養(yǎng)設備，降低污染物排放等間接功效，效益更加明顯。