礦用防爆柴油機(jī)氧化催化器的開發(fā)與試驗

李陽陽

(山西西山中煤機(jī)械制造有限公司，山西 太原 030053)

·試驗研究·

礦用防爆柴油機(jī)氧化催化器的開發(fā)與試驗

李陽陽

(山西西山中煤機(jī)械制造有限公司，山西 太原 030053)

對柴油機(jī)氧化催化器進(jìn)行了設(shè)計開發(fā)及試驗，結(jié)果證明，該催化器可以在排氣溫度較低(150 ℃～160 ℃)的工況下，高效地去除尾氣中的CO成分，可以將其應(yīng)用在礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車上，改善膠輪車尾氣的排放。

礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車；氧化催化器；低溫；一氧化碳(CO)

隨著環(huán)境形勢的日益惡劣，國家對環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高，尤其是對空氣污染占20%以上的機(jī)動車排氣污染，目前國家已出臺相應(yīng)的法律法規(guī)來控制、減少機(jī)動車的尾氣污染。在煤礦生產(chǎn)中，礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車雖然發(fā)揮了重要的作用，但是尾氣的排放對礦井環(huán)境及工人的健康造成了影響，成為各膠輪車制造企業(yè)難以攻破的課題?？梢?，改善井下防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的尾氣排放已迫在眉睫。

1 防爆DOC催化器的設(shè)計

柴油機(jī)氧化催化器(DOC)主要用于降低柴油機(jī)CO、HC的排放，同時氧化催化器可以結(jié)合機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)(EGR、增壓中冷等)滿足輕型柴油機(jī)國IV排放標(biāo)準(zhǔn)要求，也可以通過結(jié)合其它尾氣后處理技術(shù)(SCR、DPF等)共同使用，以滿足重型柴油車未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。該氧化催化器不需要再生，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，目前已成為尾氣后處理產(chǎn)品中應(yīng)用最多的一個。

柴油機(jī)氧化催化器主要由殼體、減震層、載體及催化劑4部分組成。

1) 氧化催化器的殼體由不銹鋼制成，以防止因氧化皮脫落而造成催化器的堵塞。同時考慮到礦用防爆柴油機(jī)要求DOC催化器表面溫度不超過150 ℃，因此需要對DOC進(jìn)行隔熱處理，使催化器的表面溫度不超過法規(guī)要求。

催化轉(zhuǎn)化器殼體應(yīng)滿足以下條件：a) 殼體的熱膨脹系數(shù)要盡可能小。b) 殼體材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。c) 殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡可能考慮其強(qiáng)度和剛度要求。

2) 氧化催化器的減震層有金屬網(wǎng)和陶瓷密封墊兩種，而陶瓷密封墊在隔熱性、抗沖擊性、密封性和高低溫下對載體的固定力都比金屬網(wǎng)優(yōu)越，是常用的墊層。它主要起到的作用是：a) 固定載體并保證其安全使用。b) 在氧化催化器及內(nèi)部構(gòu)件受到?jīng)_擊時起到緩沖作用。c) 防止廢氣從載體與殼體之間的間隙逸出。d) 防止氧化催化器內(nèi)部過熱的溫度傳遞給氧化催化器殼體。e) 起到一定的隔聲、吸聲的作用。

3) 氧化催化器的載體主要分為3種：顆粒狀載體、蜂窩陶瓷載體和金屬載體。其性能的好壞，對催化劑的活性和壽命影響極大。而理想的載體應(yīng)具有以下特性：a) 足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以適應(yīng)汽車的震動。b) 足夠的耐熱性。c) 合適的孔隙結(jié)構(gòu)或開孔率。d) 不含有使催化劑中毒的物質(zhì)。e) 不與催化劑發(fā)生相互作用。

本次設(shè)計開發(fā)的氧化催化器選用金屬載體，由特殊的金屬薄片卷成，形狀類似蜂窩體。 實踐表明，與金屬載體相比，目前通用的蜂窩陶瓷載體存在著元件壁較厚、排氣阻力較大等缺點。因此，各國都在進(jìn)行金屬載體的開發(fā)。金屬載體壁厚僅為陶瓷載體的1/4，因而可降低排氣阻力，另外還有溫度適應(yīng)性好等優(yōu)點。

4) 氧化催化器中的關(guān)鍵組分是催化劑活性組分。常用的活性組分是鉑、銠和鈀等貴金屬催化劑以及鈰、鑭、鐠等稀土元素和銅、鐵、錳、鈷等賤金屬。貴金屬催化劑雖然具有活性高、凈化效果好、壽命長等優(yōu)點，但是造價較高而且蘊(yùn)藏量低。

本次的催化劑組分主要是貴金屬鉑，鉑在催化劑中的作用主要是使一氧化碳和碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成二氧化碳和水。

開發(fā)的防爆金屬DOC是在排氣溫度較低的條件下對礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車尾氣中的CO、HC和顆粒物中的可溶性有機(jī)物進(jìn)行凈化的裝置。該裝置采用具有抗震性好、流動阻力低、體積小等優(yōu)點的金屬載體擔(dān)載貴金屬催化劑，起燃溫度在150 ℃～160 ℃，能在排氣溫度較低的條件下使得排氣中的CO與貴金屬催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而去除CO含量。氧化催化器的反應(yīng)機(jī)理見圖1.

圖1 氧化催化器的反應(yīng)機(jī)理圖

防爆DOC催化器需要根據(jù)實車安裝空間尺寸進(jìn)行合理設(shè)計與開發(fā)，同時考慮到礦用防爆柴油機(jī)要求DOC催化器表面溫度不超過150 ℃，因此需要對DOC進(jìn)行隔熱處理，使催化器的表面溫度不超過法規(guī)要求。從本次試驗結(jié)果來看，實驗過程中催化器表面溫度始終維持在55 ℃～70 ℃，遠(yuǎn)低于法規(guī)要求的150 ℃。前期的設(shè)計見圖2，溫度場模擬見圖3.

圖2 DOC的設(shè)計圖

圖3 防爆DOC催化器的3D模型和溫度場分布圖

2 防爆DOC催化器的測試

本次試驗通過兩組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，一組未安裝DOC催化器，一組安裝DOC催化器。試驗使用水力測功機(jī)、便攜式尾氣排放分析儀等儀器設(shè)備。

3 試驗結(jié)果及分析

試驗分別選取1 000 r/min、 600 r/min、2 000 r/min等轉(zhuǎn)速，負(fù)荷率為50%、75%、100%. 具體試驗數(shù)據(jù)見表1.

表1 具體試驗數(shù)據(jù)表

試驗用礦用柴油發(fā)動機(jī)外特性最大扭矩282 N·m，對應(yīng)轉(zhuǎn)速2 200 r/min. 圖4,5分別選取了轉(zhuǎn)速在1 600 r/min，2 200 r/min，對應(yīng)負(fù)荷率0%、50%、75%、100%下的DOC催化器前后CO排放量及相應(yīng)工況下的轉(zhuǎn)化效率。其中，在2 200 r/min、100%負(fù)荷率下排氣最高溫度為290 ℃，1 600 r/min、100%負(fù)荷率下最高溫度為215 ℃，試驗最低溫度42 ℃(轉(zhuǎn)速=710 r/min，負(fù)荷率0%).

從圖4,5可以看出，在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下由于排氣溫度較低，尚未達(dá)到催化劑的最低起燃溫度，故DOC催化器對CO的轉(zhuǎn)化效率較低；隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度不斷上升，當(dāng)排氣溫度大于150 ℃時(轉(zhuǎn)速=1 600 r/min，負(fù)荷率75%，溫度160 ℃)，催化器轉(zhuǎn)化效率不斷上升，最大轉(zhuǎn)化效率接近100%.

圖4 轉(zhuǎn)速為2 200 r/min下不同負(fù)荷CO排放及轉(zhuǎn)化效率情況圖

圖5 轉(zhuǎn)速為1 600 r/min下不同負(fù)荷CO排放及轉(zhuǎn)化效率情況圖

4 結(jié) 論

該款催化器體現(xiàn)了良好的CO轉(zhuǎn)化性能，在轉(zhuǎn)速1 600～2 200 r/min，負(fù)荷率75%～100%的工況下(即礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車常用工況)，CO轉(zhuǎn)化效率接近100%，可以高效地去除尾氣中CO的含量，具有較大的實用價值。

[1] 趙 航，王務(wù)林.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010：12-13.

Development and Test of Oxidation Catalytic Converter for Explosion-Proof Diesel Engine

LI Yangyang

The oxidation catalytic converter is designed and developed for diesel engine. The test results show that the catalytic converter can effectively remove the CO components from the exhaust under the condition of low temperature (150 ℃～160 ℃). The achievement could be introduced to explosion-proof diesel engine of trackless rubber tyred vehicles which are mostly used underground for short distance transportation, so to improve the underground air quality.

Mine explosion-proof diesel engine trackless rubber tyred vehicle; Oxidation catalytic converter; Low temperature; Carbon monoxide (CO)

2016-11-25

李陽陽(1986—)，男，山西太原人，2009年畢業(yè)于太原科技大學(xué)，助理工程師，主要從事礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的設(shè)計開發(fā)工作

(E-mail)yang4131610@163.com

TD525

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1672-0652(2017)01-0050-04