柴油机试车台尾气污染治理的探索
北京市劳动保护科学研究所 暴辰生
一、前言
柴油机排放的废气中包含有气态、液态及固态的污染物。气态污染物中含有CO2、CO、H2、NOX、SO2、HC、氧化物，有机氮化物及含硫混合物等；液态污染物中含有H2SO4、HC、氧化物等；固态污染物有碳、金属、无机氧化物、硫酸盐，以及多环芳烃和醛等碳氢化合物。
上述污染物中，最主要的是CO、HC、NOX、SO2以及固体微粒(pm)。CO是柴油不完全燃烧产生的无色无味气体；HC也是柴油不完全燃烧和气缸壁淬冷的产物；NOX是NO2与NO的总称，它们都是在燃烧时空气过量、温度过高而生成的氮气燃烧产物，NO在空气中即被氧化成NO2，NO2呈红褐色并有强烈气味；pm是所排气体中可见污染物，它是由柴油燃烧中裂解的碳(干烟灰)、未燃碳氢化合物、机油与柴油在燃烧时生成的硫酸盐等组成的微粒，也就是我们常见的由排气管冒出的黑烟。
CO通过呼吸道进入人体后，会同血红蛋白结合，破坏血液中的氧交换机制，使人缺氧而损害中枢神经，引起头痛、呕吐、昏迷和痴呆等后果，严重时会造成CO中毒。
HC中含有许多致癌物质，长期接触会诱发肺癌、胃癌和皮肤癌。 NO2刺激人眼黏膜，引起结膜炎、角膜炎，吸入肺脏还会引起肺炎和肺水肿。 HC和NOX 在阳光强烈时的紫外线照射下，会产生光化学烟雾，使人呼吸困难、植物枯黄落叶、加速橡胶制品与建筑物的老化。
pm被吸入人体后会引起气喘、支气管炎及肺气肿等慢性病；在碳烟微粒上吸附的pah等有机物，更是极有害的致癌物。
为了控制废弃污染，许多国家都制订了相应的环保法规和排放污染物防治的技术，以及控制排放污染物的技术监督标准。欧盟柴油机稳态试验(试验程序ESC时的排放标准如附表所示。
我国已于2000年实施了“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气
污染物限值及测试方法(GB17691-1999)”、“压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆可见污染物及测试方法(GB3847-1999)”等排放标准。这些强制性的国家标准等效采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)有关汽车排放控制的全部技术内容，这意味着我国对新车的排放要求已达到欧洲90年代初期水平，比旧有的国家标准更加严格了。
表1：欧洲重型柴油机欧II、欧III、欧IV、欧V排放标准
排放标准 欧II 欧III 2.1 欧IV 欧V 1.5 1.5 0.66 0.46 0.46 5 3.5 2 0.1/0.13 0.02 0.02 一氧化碳 4 1.5 标准要求 单位：g/(kW.h) 碳氢化合物 1.1 0.25 氮氧化物 7 2 颗粒物 0.15 0.02
表2：排放标准的执行时间
排放标准 欧II 欧III 欧IV 欧V 执行时间 2004年 2008年 2010年 ----- 特殊城市执行时间 2003年 2005年 ---- ----
二、柴油机尾气净化技术
1、柴油机尾气净化技术概况
柴油机尾气净化技术分为机内净化和机外净化两种，常用的机内净化技术措施有：采用可变进气流量装置；优化喷油器设计；采用可变喷油正时系统；采用HEUI、EUI、LDCR等先进的电喷技术；优化燃烧室设计，强化紊流，减小缝隙容积等。这些措施主要的目的是改善混合气质量和燃烧状况。
2、潍柴柴油机试车台尾气净化技术现状
针对柴油机试车台尾气污染治理，因其属于固定污染源，相比车用和船用柴油机，其具有机外净化的场地条件，因此，除了机内净化治理之外，其可以更有效的方法是采用机外净化的措施。所谓机外净化措施，其技术手段是在柴油机的最终排口外加设机外尾气净化装置。从净化机理分析，机外尾气净化装置应根据具体的污染源和污染物种类，采用相对应的净化措施。
潍柴目前在柴油机试车台采用的是简单湿式净化（以水为主，水中未加其它中和物的湿式净化）的方式。从机理上分析，湿式净化可以降低柴油机排放的废气中包NOX、SO2和固体微粒(pm)的污染。其对SO2污染物的处理效率从表面上看是比较高的，但是水（H2O）与SO2发生反应的生成物是亚硫酸和硫酸（低浓度）。特别是其中的亚硫酸，由于化学性质不稳定，亚硫酸溶液（与净化用水在一起形成）非常容易分解，又有可能形成气态SO2逃逸到空气中，进行二次污染，同时亚硫酸溶液和固体微粒(pm)对钢铁材料的复合型腐蚀（化学腐蚀和机械颗粒磨损共同作用）非常厉害，致使钢制净化器壳体在很短的时间就会被腐蚀失效。潍柴目前在用的简单湿式净化器虽然是耐酸不锈钢制成，即使其在处理含硫量比较低的车用柴油机尾气时，但在这种复合型腐蚀的工作条件下，其使用寿命都低于一年。这更不用提及高含硫量尾气的船用柴油机了。
此外，其是对NOX污染物的处理效率是比较低的，因水在一般情况下（无催化剂作用）对NOX的反应速度是很低的；因原理所限，所有湿式净化装置其是对固体微粒(pm)的污染物的处理效率也是比较低的，一般不会高于80%。。综上所述，湿式净化无法达到上述各级标准的要求。
3、我所和我公司试验中的气态污染控制技术和装置简介
我所多年来一直研究探索复合型气态污染控制技术和装置，其同时具有吸附、催化和过滤的功能，使单一设备就能处理含有多种污染物的气体。这样就能实现治理成本的下降、并达到系统长期连续稳定运行性提高的目的。
而柴油机试车台尾气污染实际上也是一种复合型气态污染，与我们长期研究的内容比较合拍。若能将这种复合型气态污染控制技术和装置移植到柴油机试车台尾气机外净化装置中，将是一种比较理想的探索思路。若移植成功，将对固定式柴油机尾气污染的治理寻找出一种新型的技术。
复合型气态污染控制技术和装置是基于我所开展的治理有机物质组成的有机颗粒物（POM）的控制技术和装置。其同时具有吸附、催化和过滤的功能，其几何、机械性能等物理形态与现行的过滤式、颗粒床式除尘净化装置相当或一致，其研究内容是：将催化材料和吸附材料复合到颗粒载体表面或纤维过滤材料载体的纤维内部或纤维间的方法和技术。将催化剂材料和吸附材料复合后，形成颗粒载体和纤维载体的过滤式、颗粒床式气体净化装置。
4、复合型气态污染控制技术和装置移植到柴油机试车台尾气机外净化装置的探索
针对柴油机尾气污染情况，上述复合型气态污染控制技术和装置可采用相应的治理手段，这些治理手段主要体现在采用复合了催化剂的颗粒载体形成具有吸附和催化双重功能的颗粒床式净化装置和复合了催化剂的纤维过滤材料内部或纤维间的纤维载体形成的过滤式气体净化装置。其中对于NOX和SO2污染物主要是采用分子筛吸附的颗粒床原理来实现。同时对于NOX同时采用与汽车尾气治理的SCR技术相当的稀土型催化剂对其进行催化。对于尾气中固体微粒(pm)，采用复合了催化剂的纤维过滤材料内部或纤维间的纤维载体形成的过滤式气体净化装置进行治理。
其工艺路线可能采取两种：
其一描述如下：柴油机尾气进入净化装置后，首先通过复合了催化剂的颗粒载体的颗粒床式净化装置，这些颗粒床是由大量分子筛颗粒（颗粒平均粒径为3-6mm，厚度大约80-100mm）组成，在尾气通过颗粒层时，分子筛颗粒对尾气中的NOX和SO2污染物进行强力吸附，大部分NOX和SO2进入分子筛内部的孔穴之中，形成对NOX和SO2污染物的去除。由于分子筛独特的性能，它的吸附效率远远由于传统的活性炭吸附剂，其原因在于：分子筛不仅吸附的色散力比活性炭高，而且其还具有其它吸附材料不具备的静电力，因此，其在色散力和静电力的共同作用下，其吸附力特别强大，形成高吸附能力。此外，分子筛故名为分子筛是因为其具有选择性吸附的特性，比如我们采用5nm的分子筛，其只能吸附分子平均直径小于5nm的分子，这样，对于分子直径大于5nm的其它物质不做吸附，而对于对于分子直径小于5nm的NOX和SO2污染物可进行充分吸附，这样可延长了饱和周期，提高了使用寿命。柴油机尾气通过颗粒床式净化装置后，再行通过复合了催化剂的纤维载体形成的过滤式气体净化装置，其主要是滤除尾气中固体微粒
(pm)兼有SCR技术对NOX进行催化的功能。
其二描述如下：柴油机尾气进入净化装置后，首先通过复合了催化剂的纤维载体形成的过滤式气体净化装置，它的主要功能是滤除尾气中固体微粒(pm)兼有SCR技术对NOX进行催化的功能。柴油机尾气通过纤维载体形成的过滤式气体净化装置后，再行通过复合了催化剂的颗粒载体的颗粒床式净化装置，实现上述吸附、催化功能。
5、固态废弃物的处理
本题目所述固态废弃物的处理主要是指颗粒床式净化装置中颗粒载体吸附饱和后的处理，其处理手段是对其进行无害化处理，其基本情况为：将吸附饱和后的颗粒载体处于氨水中，吸附在颗粒内部的NOX和SO2污染物与氨反应后可形成固态铵或硫酸铵颗粒存于分子筛中，将含有固态铵或硫酸铵颗粒的分子筛颗粒置放在土壤中形成具有缓释功能的复合氮肥，这与目前采用的沸石分子筛缓释复合氮肥的机理完全相同，这样可实现资源循环利用，变废为宝。
6、可能存在的问题
本题目所述复合型气态污染控制技术和装置目前在餐饮和其它一些场合下使用，取得了高效去除有害气体和气味的成果，在柴油机尾气污染治理方面尚未开展，近期我们用一台简单的试验装置在一台22kw的柴油机上仅仅做了一个小时的小试，从小试结果看来，其对NOX和SO2污染物有比较好的效果，对固体微粒(pm)可降低2-3个林格曼。但这仅仅是一个小时试验的结果，其能否长期使用，仍需实践检验。
