碳平衡法计算柴油机的NOX质量流量

碳平衡法估算TBD234V12柴油机

的NOX排放水平

朱志萍

人类赖以生存的环境正随着工业的发展遭受着日益严重的破坏，人类对环境的保护意识也在提高。对制造业和车辆的废气排放规定早已在很多国家实施，随着对地区环境问题的日益关心，现在对船舶的废气排放也进行了严格的限制。

船用柴油机在空气污染方面最主要的排放物是：氮氧化物（NOX）、颗粒（烟灰）、氧化硫（SOX）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（CxHy）等。

氧化硫（SOX）的产生，主要是因为燃油中含硫成份，在燃烧过程中与氧发生反应，产生SO、SO2，可通过控制燃油中的硫含量减少氧化硫的排放量；

一氧化碳（CO）、碳氢化合物（CxHy）的产生，主要是燃油燃烧不充分，可通过进气增压技术减少CO、CXHX排放量；

氮氧化物（NOX）的产生，主要是因为在高温燃烧过程中，空气中的氮与氧发生反应，产生NO、NO2。氮氧化物（NOX）被认为是酸雨和烟雾形成的主要原因，此外NOX还会增加当地臭氧的浓度，对植物生长造成有害的影响。

国际海事组织（IMO）1997年缔约国大会决议，为限制和控制船舶向大气排放有害物质，国际海事组织通过了修订《73/78防污染公约》的1997年议定书。该议定书新增了《73/78防污染公约》附则 VI“防止船舶造成空气污染规则”，为限制和控制船上柴油机排放的氮氧化物对环境的酸化、臭氧的形成，营养富集带来的不利影响，规定了对功率大于130Kw的柴油机的排放最高限制标准，中国船级社对2003年1月1日以后制造的船用柴油机，按附则 VI规定进行检验发证。

随着我国加入世贸组织，我国的各行各业也将日益地溶入世界的各项活动中。形势的需要，市场的需要，我厂通过近一年的咨询、调研，于2002年10月31日与中国船级社认可的检测机构——武汉理工大学签定了试验合同，于2002年12月20~25日请中国船级社武汉分设、武汉理工大学来工厂进行了234、604和620三个系列柴油机NOX排放的现场试验。

根据《73/78防污染公约》附则 VI“防止船舶造成空气污染规则”的规定，我厂1500r/min的柴油机，NOX排放的最高限制标准是：10.423g/Kw.h。现以TBD234V12（333KW/1500r/min）柴油机为例，

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用碳平衡法估算柴油机的NOX排放水平。

由于排气中NOX质量流量不能直接测量，只能通过测量NOX的体积浓度和确定排气的质量流量，才能推导NOX的质量流量；排气的质量流量一般通过测量耗油率、排气中各组分的浓度，经过推算法获得。

TBD234V12（333kW1500r/min）柴油机一般用于船用电站，根据《NOX技术规则》要求，按D2型试验模式进行试验。

D2型 试验模式 转速 功率 加权系数 100% 100% 0.05 100% 75% 0.25 100% 50% 0. 3 100% 25% 0.3 100% 10% 0.1 一. 测量数据：

1.燃油成分分析：

碳BET：85.3%mass；氢ALF：13.6%mass；硫GAM：0.1%mass。 2.排放试验表： 试验模式 功率% 转速% 柴油机数据 转速r/min 功率kW 燃油耗g/kW.h 测量废气数据 NOXD干浓度ppm COD 干浓度ppm CO2D干浓度%V/V HC湿浓度ppm NOX湿度修正系数 干/湿浓度转换系数 1172.42 233.03 9.27 153.82 1.0163 0.9027 986.95 139.45 8.09 175.78 1.0493 0.9096 836.41 110.55 6.53 215.12 0.9790 0.9289 526.16 208.04 4.37 300.89 0.9483 0.9499 313.86 283.42 2.66 301.78 0.9276 0.9666 1500 373 212.15 1500 280 214.64 1500 186 227.24 1500 93 271.69 1500 37 429.73 1 100 100 2 75 100 3 50 100 4 25 100 5 10 100 二. 排气（NOX）质量流量计算： 100%工况：

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1. 计算单位质量燃料完全燃烧所需理论空气质量：STOLAR

BETALFGAM31.9988STOIAR?(??)?12.0114?1.0079432.06023.15

?14.5166

2. 在燃料完全燃烧情况下，利用CO2排气浓度计算过量空气系数

EAFCDO：

BET?10?22.2623STOIAR?0.2315BET?10?22.262EAFCDO?(12.011?10??CO2D1.4289512.011?103100GAM?10?21.8911 ?)?0.76850.231532.060?103STOIAR?(?)1.25051.4295 ?1.5812ALF?12.011BET?1.00794

?1.89993. 计算碳—氢摩尔比：HTCRAT

HTCRAT?

4. 计算燃料特性系数：FFH

FFH?(0.111127?ALF)/[0.773329?(0.0555583?ALF? 0.000109?BET?0.000157?GAM)/(EAFCDO?STOIAR)?1.8755

5. 计算排气中HC的干浓度：HCD

HCD? HCW?EAFCDO?STOIAREAFCDO?STOIAR?FFH

?167.5061

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6. 计算排气中含碳气体组分的体积与排气体积的摩尔比：EXHCPN

EXHCPN?CO2DCODHCD??610010106

?0.0931017. 计算过量空气系数：EAFEXH

EAFEXH?[1CODHCD?6?6EXHCPN10?2?EXHCPN10?EXHCPN0.75HTCRAT]3.51?3.5?CODHCD106?EXHCPN106?EXHCPN?HTCRATHCD?(1?6)?410?EXHCPN/[4.77?(1??1.5935HTCRAT)]4

8. 计算湿排气质量流量：GEXHW

GFUEL?1.02?212.15?373?1000 ?80.714589

GEXHW?GFUEL?(1?EAFEXH?STOIAR) ?1947.7919. 计算NOX排放的质量流量：QNOX

QNOX?U?CONC?GEXHW ?3324.818

10. 计算单位功率的NOX排放的质量流量：qNOx

qNOX?QNOX?8.91372 373

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其它工况计算结果见下表。 试验模式 功率% 转速% 1 100 100 14.5166 1.5812 1.8999 1.8755 167.506 0.09310 1.5934 1947.79 3324.82 8.9137 2 75 100 14.5166 1.8019 1.8999 1.8847 189.429 0.08122 1.8165 1677.85 2508.28 8.95814 3 50 100 14.5166 2.2160 1.8999 1.8973 228.603 0.06563 2.2319 1439.94 1738.17 9.3450 4 25 100 14.5166 3.2776 1.8999 1.9154 313.511 0.04422 3.2795 1252.74 942.280 10.1320 5 10 100 14.5166 6.3408 1.8999 1.9302 309.485 0.02719 5.2906 1261.79 563.518 15.2301 STOLAR kg/kg EAFCDO kg/kg HTCRAT mol/mol FFH HCD ppm EXHCPN V/V EAFEXH kg/kg GEXHW kg/h QNOX g/h qNox g/kWh

三.加权计算NOX的数值：

8.9137×0.05+8.9514×0.25+9.3450×0.3+10.1320×0.3

+15.2301×0.1=10.04

说明：用碳平衡法计算的结果比用碳氧平衡法的计算结果（9.73）稍高，原因是用碳平衡法仅适用于不含氧、氮成分的燃油。.

四.降低柴油机NOX排放水平的改进方向：

QNOX?U?CONC?GFUEL?(1?EAFEXH?STOIAR)

从上式中不难看出，QNOX与CONC、GFUEL、EAFEXH有关，如果使燃油燃烧控制在稀薄状态下，就能够有效地降低NOX的排放水平。

目前在柴油机上采用高压共轨技术，是提高柴油机功率、降低排放是主流技术手段，通过采集柴油机转速、扭矩、空气流量等数据，经过计算机处理，输出控制信号，控制喷油定时、喷油量及气门开启角度，使柴油机工作处于最佳状态从而达到提高功率、降低排放的目的。

汽油机采用电喷技术目前已经比较成熟，柴油机采用电喷技术国内处于起步阶段，需投入高额开发资金，燃油注水燃烧及废气再循环技术比较成熟。

废气再循环ERG：部分废气引入进气管进行再循环，增加作功气体的热容量，降低吸入空气量，可以有效抑制NOX的生成，同时降

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低柴油机的功率；

注水燃烧：燃油中添加一些水分，喷入汽缸中，依靠水的潜热和增大工作气体的热容量降低燃烧温度，有效地抑制NOX的生成，对柴油机的防腐提出了严峻地考验。

提高燃油的喷射压力，使雾化良好，通过控制进入油雾内的空气量，改善燃油和空气的混合状况促进燃油的后期燃烧，抑制煤烟的产生，也可以达到降低排放的目的。

此外通过降低进气温度、减小喷油提前角可以有效降低排放。 降低柴油机的进气温度，可以降低燃烧温度，抑制NOX的生成，因吸入气缸内的空气密度提高，不仅能改善燃烧状况而且能减少膨胀行程中的热损失，提高行程效率，降低燃油消耗率；

减小喷油提前角，可以减少预混燃烧期燃油的燃烧量，降低火焰温度，因而能有效减少NOX，但是在燃烧形程中降低最高温度也会导致燃油消耗率增加。试验表明，适当减小喷油提前角可降低10%~30%的NOx排放，但会导致烟度增加，燃油消耗率增大。

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