柴油机低碳化排放的可行性

摘 要 柴油机的排气系大都位于机体外且造型简陋，无法对所排放废气中的污染物进行处理，只起着将一道道的废气集中、降噪、对外释放的作用。功率越大的柴油机释放污染物也就越多，而这些污染物对于地球大气质量具有污染性；尤其是当它的侵染浓度达到一定的程度时，往往就会危及生态环境质量，严重性时甚至会致死人命。因此，本文举措了柴油机排放时的废气余热，用物理学的汽化潜热常识、秉承运作了化学法与机械化除尘技术，在排放系统原有工作性能的基础上，添加布局一些对释气含领污染物执着净化的功能，以促进柴油机燃料工作时排放更具低碳性。

关键词 柴油的废气 NOx等污染物 低碳化排放（化学法、机械化） 可行性

1 废气（污染物）

柴油本身是石油提炼后的一种油质产物（又称油渣），主要成份的分子式：C14H30～C25H52，含有14～25个的碳原子，是一种碳氢化合物的混合物。由于柴油机将柴油喷入气缸与空气混合燃烧，将蕴藏在柴油中的化学能转化为机械能，必然会同时排出残余的废气。而在排放的一道道废气量成分中，除主要有75.7%的N2、10%的CO2、6%的O2、8%的水蒸气，共计为99.7%，对动植物的生态环境无害外，余下的0.3%成分主要有0.2%的NO、0.01%的NO2、0.03%的HC、0.01%的SO2、0.05%的CO、小于0.01%的PM（颗粒物）等都是污染性的有害物质。

NOx的生成与柴油的本质无关，它是由于柴油机工作时的进气行程，需要将空气（含约78%的 N2和约21%的O2）吸入。N2和O2在燃烧室受到压缩（高温与高压）作用，发生了化学反应生成的，同时还生成了少量的NO2。在排放系内是NOx与HC的混合物，排放后在阳光照射下会发生光化学反应，生成光化学烟雾（光化学氧化剂）后毒性更强。当排放的NO进入大气后，在O3等强氧化剂作用下，氧化速度加快形成了NO2，毒性约为NO的5倍。

PM为一种固体和流体的复杂聚合体，最初是由柴油机气缸内的燃烧生成的碳微粒，再进一步组成大量烧结物，一般由碳微粒、吸附性的凝结粒HC化合物、SO4水合物等组合，俗成的黑烟就是柴油的废气主要组合体。

柴油机工作时排放污染物的体积（以1台6135G型为例）：额定转速1500 r/min时，排放废气量为37.5道/s，则1 h排放污染物的体积为：单个气缸内的活塞工作容积×37.5道/s×3600 s×0.3%（占废气量系数）。

在这些污染物中，属NOx和PM的危害性最大，其他的污染物SOx、CO、HC也具有一定的危害性；尤其它们是与NOx、PM混合在一起置外排放的，其毒性就更不能忽视了。它们与石棉、砷和芥子气是同属一个级别的潜在致命性物质，是可以导致人类罹患癌症。

2 低碳化排放（化学法、机械化）

通常柴油机的排放系统构造十分简单，只起到集约、降噪和外释废气的作用，根本不能适应大气质量的环保要求。对它分阶段的利用余热生产水蒸气，通过化学反应，并安装机械式的清除污尘设施，配套除NOx光线幅射器等，将有助于废气低碳化的排放。

2.1 排放工程的前部布局（剂液汽化器与化学物质反应堆）

柴油机大多数与发电机配套使用，其电源通过适配器可为低碳化排放提供作用。柴油机在燃料工作时，气缸中燃放出大量的热能（缸内的燃烧温度通常是300～400 ℃，瞬间可高达1000～2000 ℃），除35%的热能被转换成为有效的机械能外，为保证不致因高温热涨力度，破坏自身零件的强度、硬度及弹性，破坏各个运动机件相互间的正常配合间隙，降低机油的润滑性能等。以冷却消耗掉一部分的热能外，需要排放的废气为它带走25%～30%的热能。这一道道的废气热能，足以使包裹排放管的外水套或穿行它之中的金属管道内流行的水液汽化潜热生成水蒸汽。如果水中含有一定浓度的化学物质元素，则产生出的不单纯是水蒸气，必然会是化学药物性的水液蒸汽。

汽化潜热器与化学物质反应堆，分别设定在排放系统端口延后和中部往前的位置，由传热系数高的金属管材制作而成。其组合件有蓄水（化学物质元素反应剂）液箱、小型电动式高压水泵、输液管道、喷嘴等主要的零部件。

由于废气中污染物的成分、特性、形成过程都与化学关系十分密切，所以混合物中当然存在着与它们之间的化学物质反应剂。这里例举的化学物质反应剂有：（1）CO（NH2）2水溶液；（2）NaCl水溶液；（3）MgO （OH）2（俗名：消蛇纹石灰水）和CaO（OH）2（俗名；消石灰水）及≥0.02% Cl水溶液。它们各自与污染物NOx、PM、CO、SO2的化学反应情况大致如下。

2.1.1 含CO（NH2）2（尿素）的水液溶剂与NOx化学反应情况

利用浓度为32.5%的CO（NH2）2与H2O溶解反应，生成了NH2（氨根）。NH2作为还原剂能有效的对废气中的NOx进行氧化与还原反应（NH2只选择与NOx进行反应、而不会对Ox发生反应），将NOx催化性的还原为NH3解释出。化合反应式为：

CO（NH2）2+H2O→CO2+ NH3↑

2.1.2 含NaCl的水液溶剂与NO2的化学反应情况

污染物中的NO2溶于NaCl水溶液的H2O蒸气，在高热温下会生成HNO3和NO。化学反应式：

3NO2+H2O=2HNO3+NO↑

HNO3与NaCl水溶液蒸汽中的NaOH会发生中和反应，生成NaNO3和H2O。化学反应式：

HNO2+NaOH=NaNO3+H2O

合并二式得出总的反应式：

3NO2+2NaOH=2NaNO3+NO↑+H2O

NaNO3中的NaNO2转化成的N2不会引起污染。

2.1.3 MgO（OH）2和CaO（OH）2溶液与CO、SO2的化学反应情况

CO与H2O蒸气会发生化合反生成为CO2，SO2溶于H2O会生成为SO-24并释放出H2。通常状况下的MgO（OH）2和CaO（OH）2是一个混合物质体系，含有≥0.02%的Cl。CO2或者是SO2都会与MgO （OH）2或者是CaO（OH）2发生化学反应；前者生成了MgCO3或者是CaOCO3，后者生成了MgSO4或者是CaSO4。前者的学反应式：

CO2↑+CaO（OH）2→CaCO3↓+ H2O

后者的学反应式：

SO2↑+MgO （OH）2→MgSO4↓+H2O

2.1.4 PM溶于水反应情况

PM溶于水，更易受水蒸气潮湿、发生颗粒之间的互联混凝、变大结构、形成了坠性的化合物质。

2.1.5 其他的物质化学反应

①烧红的细材薄板Cu 料与SOx的热化学反应，会生成CuSOx化合物；

②紫光幅射线能有效的消除NOx强的强度使之趋向弱势；

③HC和CO都可以与O2进行化学反应生成无害物质，或回收至柴油机的进气行程再燃利用。

疏理上述污染物在化学法中的反应情况，它们被生成了NH3、NaNO3、MgSO4、CaCO3和CuSOx等多种类渍性的化合物，而且化学反应堆需要分类分层依样性筑成。因此在排放系统前部大致应当设置2～3个，具有一定的容积量的化学反应堆器皿室，并赋予化学法来演变它们成为各种不致于对大气质量危害的东西。当这一户污染物在于排放系统内窑变生成沉淀物质（含H2O）时，利用它与气体之间的比重的差距，举措机械式除污物质设施专术辑。

2.2 排放工程的中部布局（机械化除污器）

作为生产工具柴油机本身就是动力源，洽好可利用来驱动机械式除污物器工作，它不仅仅是电力和燃料释气时的热能可以利用，而且连它的活塞在气缸内运行、偏心飞轮的旋转等配套的零部件的运动，以及释放废气引发排放系整件出现轻微的抖动等，都能在清除污物工程中起到一定的作用。

除尘器在环保工业化进程中早就得到了普及，有离心式、袋式及静电式等型式的器械。将它布局在柴油机排放系统内的中部位置，对于上述被化学法按律执处成为坠落性的东西，仿效离心式除尘器给除去较为合适。

2.2.1 离心式除污物器的构成

由以下零部件组成：①圆柱形的滤芯体部件是以金属材料为转轴和支架，以金属线网为外圈套和上下圆表面板，内体除留有≥4条从下向上，波浪形状（或S形）的通气管道外，余积中装满着透气性的金属丝绸的组合械器；②波浪形状的通气管道壁由金属线网圈成；③含器壳在内的蓄积污物斗；④壳外的小型电动机和电工材料或壳内有利用排放冲力，促使滤芯体部件旋转的驱动叶轮；⑤壳内有轴承等零部件巢居穴处、气体流通室或有紫光线幅射室等。

2.2.2 离心式除污物器的工作过程

除尘器通常有捕集、清物、卸物三个工作过程，离心式除污物器也一样；废气携带污物，从下向上的进入波浪形状（或S形）通气管道内，这时滤芯体部件容积内的金属丝绸间的间隙内充满着废气；当整个滤清体在电动机驱动下高速旋转时，金属丝绸捕集到的比气体稍重的污物也随着作圆周运动，被旋转形成的离心力抛至甚至碰撞器壳内壁；由于污物自身的坠下性，上述言及的引发整个排放系部件出现轻微的震动，其实也对它发生作用力下，污物频频抖动同时顺着器壁表面坠落进入蓄积斗内。考虑到一道道废气的排放速度快，在流量过程分离污物的艰巨性，为了最大化的低碳排放，大致需要在这段排放系统中部布置2～3台的离心式除污物器，或后置1台静电式的除尘器。

2.2.3 静电除污物器的工作过程

静电除尘是气体除尘方法的一种。若在布局2～3台除污物器中，后置1台为所谓的静电式的利用柴油机自身的电力，使排放工程的中后部位置拥有强电场，所经过的废气分子就会被电解为正离子和电子；当电子奔向正极过程中遇到污物（尘粒），便会使它带上负电吸附到正极而被捕集和卸到蓄积斗内。因此用所谓的静电式除污物器给断后，对于躲躲闪闪己逃脱过离心式阵营的残余污物，这一阵子可以说是在劫无余之了。

2.3 排放工程的下部布局（紫外线幅射区、电子火花区）

利用柴油机的发电机和蓄电池的电力，通过高压电生成器等电工材料生成下列效果：①使安装的紫光灯生辉在系统内直接幅射废气中NOx的残余；②使安装的多个电子式火花塞、在尾口处点燃废气中的HC和CO的残余；③设置将7%～10%废气回输给柴油机进气行程实现再燃，也能够淡薄柴油机进气行程中的含Nx与Ox量；从而减轻NOx在排放中的含量。

这里值得注意的问题：①废气热能在排放系统内也表现出烘干的作用，因此喷射到排放系统内的溶液量必须合理；②安期清理污物斗，注意对污物的处置，防止发生二次性的污染；③防止因整个排放系统抖动系统的零部件脱落，尤其应该防止或因点燃HC而引起的火灾。

3 低碳化排放的可行性

（1）柴油机的排放系统在构造上通常都置于机体外，客观上只要保持它原有的工作性能，易按主观需求在构造

上作出改进型的设计和铸造。升级版的排放系统应当是组合式的，它不但容易接受定期保养、维修和更换零部件，更易定期对除污物器卸下的东西进行妥善处理，以防范发生对大气质量生态环境的二次性污染。

（2）柴油与汽油本身都是石油提炼后的一种油质产物（又称油渣），但柴油本身不含金属物质元素而汽油中却含蓄着，因此柴油机尾气不同于汽油机，含蓄着尤其是稀有金属元素的放射性东西，对大气环境质量的污染性问题比较容易处理。

（3）柴油机燃料工作时，燃料在气缸中燃烧放出大量的热能，气缸内燃烧温度通常在300～400 ℃，瞬间可高达1000～2000 ℃，除35%的热能被转换成为有效的机械能外，为保证不致因高温热涨破坏自身和机油等的功能正常发挥，需要排气带走约25%～30%的热能。而这一废热洽好能通过汽化潜热获取所需的水蒸气（或汽）；为上述高温热条件下的化学反应堆的筑起，提供了必将消耗热能量的保障。

（4）汽化潜热仍是物理学中的概念。它不仅在这里得到了运用，在这部杂志2015年2期刊例《回收船用柴油机废热能 促进废气低碳排放》一文，也是运用这一物理学概念基于船舶蓄积着压舱之水，造就出‘回收船用柴油机废热能’的理论性成果；一旦秉赋其上述所示的化学法内容，则促进废气低碳排放的可行性将更具于完善。

（5）学用物理化学常识，将悬浮在尾气中的NOx、SOx、CO、PM演化成为坠落性物质，秉承环保工业化中的除尘器捕集、清物、卸物工作原理，促使柴油机燃料工作时在对外排放前夕，最大化的先对废气进行化污去渍，从而达到低碳化的排放标准是完全可行性的。

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