柴油发电机排放颗粒物的生成与影响

摘要：柴油发电机有害颗粒物的生成是一个复杂的物理化学步骤，核心源于柴油在气缸内不充分、不均匀的燃烧。这些颗粒物主要由碳、可溶性有机物、硫酸盐和灰分等构成，统称为柴油颗粒物。可通过优化燃烧、强化后清除、规范维保三位一体策略，可有效控制颗粒物，增长发电机组寿命并满足环保要求。

① 燃烧室积碳：颗粒物部分来源于不完全燃烧，其中未燃尽的碳粒会沉积在活塞顶部、气缸盖、喷油器等处，降低热效率，增加油耗。

② 磨耗加剧：硬质碳粒可能随废气循环（如EGR系统）进入汽缸，划伤缸壁和活塞环，导致润滑油污染，缩短发动机寿命。

③ 喷油嘴堵塞：微小颗粒可能堵塞喷油孔，危害燃油雾化效果，进一步恶化燃烧质量。

① DPF堵塞：现代柴油机一般配备颗粒捕集器（DPF），颗粒物过量会加速DPF堵塞，导致排烟背压升高，增加发动机负荷和油耗。频繁再生（高温烧除颗粒）也会缩短DPF寿命。

② SCR系统失效：颗粒物可能覆盖选择性催化还原（SCR）催化剂表面，降低氮氧化物（NOx）转化效率。

（1）空气污染：颗粒物（PM2.5/PM10）是雾霾具体成分之一，影响空气质量，加重区域性污染。

（1）排放超标：非道路柴油机排放标准（如国三/国四）对颗粒物限值严格，超标可能致使罚款或强制停机改造。

  在柴油发电机中，炭烟会增加热损失。此外，颗粒排放污染大气，炭烟和吸附在它上面的多环芳香烃（polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs），是一种致癌（cancer）素，是内燃机排放的重点控制对象，它的损害性超过NOx和气体HC。但有趣的是炭粒在不同燃烧系统和使用不同燃料时生成的机理是十分相似的，燃烧生成的炭粒开始时都近似由8个C原子和1个H原子所构造（按品质分数99％为碳，密度为1.8g/cm3），尺寸大小为20～50nm（纳米），在膨胀冲程中，这些碳粒聚合，在表面上再吸收碳氢化合物等成为微料（PM，parti-cultate matter)。

  点火发动机的颗粒排放有3种，即：铅（操作含铅汽油时）、有机颗粒（包括炭烟）和硫酸盐（sulfates）。显然，硫酸盐的排放与汽油的含硫量有关。使用高级含铅汽油（0.15gPb/L）的颗粒排放为100～150mg/km，其详细成分为铅化合物，铅品质分数占25％～60％，颗粒尺寸分布为80％的直径小于2μm，40％的直径小于0.2μm。在使用无铅汽油时康明斯柴油发电机控制面板，汽油机的颗粒排放降到20mg/km，主要成分是可溶性有机物（soluble organic material）。炭烟排放（黑烟）只在使用很浓的混合气时才遇到，对调节良好的火花点火发动机，颗粒（特别是炭烟）的排放并不是具体问题。

  柴油发电机的总颗粒 TPM（total particulate matter）是由固体碳（solids，SOL）（起始的固体碳球的直径为0.01～1.0μm的SOL），在SOL的外面吸收了一层可用有机溶剂溶去的碳氢化合物称为可溶有机成分（soluable organic fraction，SOF），以及可溶于水的硫酸盐（sulfate，SO4）三部分所结构（图1）。 

  影响HC和炭烟的生成条件可归结为3t，即时间（time），温度（temperature）和湍流（turbulence）。温度越高，停留时间越长，湍流混良好，促使HC和soot的氧化，则总颗粒TPM将降低，但同时NO的生成将增加，这就是直喷柴油中着名的“颗粒-NO2权衡曲线”（particulate-NOxtrade-off curve）。在调试发动机的排放指标时，通常均把一种污染物（例如用高压喷射把TPM指标达到法规要求）利用燃烧改进本身达到要求，然后对另一污染物用其他步骤（例如对NO2用EGR中国发电机组十大厂家、推迟喷油提前角、排烟后解决）来达到法规要点。

  柴油进入汽缸以后似乎全部破裂成C1-或C2-碳氢化合物，然后由这些微小的碳氢化合物的碎片再组合成高分子重碳氢化合物，其中重要的一类是多环芳香烃（PAH，polycyclic aromatichydraocarbons），这类化合物通常是在富燃料（rich fule）区生成的（存在于浓的预混火焰和一般出现在非预混火焰之中），多环芳香烃中的苯并芘（benzpyrene）被认为是致癌物质。目前，一般认为PAH是炭烟（soot）生成的先导物（precursors），而在富燃料状态下大量生成的乙炔C2H2（acetylene），又是PAH生成的较重要的先导物。

（1）PAH的生成是从丙炔C3H4的分解，或者由CH或CH2和乙炔C2H2反应所生成的丙炔基C3H3开始，它生成第一个环（苯C6H6），在成环的步骤中由于C3H3完全氧化流程进行得很慢，因此先组合成无环的C6H6，然后通过共振状态（下面反应式中方括号内所示意的），再重新排列成环形苯。

（2）从芳香烃分子（以AR记之）中脱氢生成芳香烃（苯）基（aromatic radical） AR和H2。

  以上过程不断重复，不断加入C2H2，导致分子成长，致使各种PAH的生成。此外，也可通过碰撞（collide）和黏合（stick）生成二聚物（dimmers）、三聚物（trimers）、四聚物（tet-ramers）等不一样的PAHs。

（1）减小SOF：SOF的来源一是润滑油，其次是燃料康明斯柴油发电机厂家。因此减轻润滑消耗，降低润滑油和燃料形成的SOF以及运用氧化催化器（oxidation calalytic converter）等。

（3）减少SOL：具体依靠合理组织扩散燃烧，如优化汽缸内空气运动、优化燃烧室形状、提高喷油压力、优化喷油提前角和喷油规律等以及运用颗粒捕捉器。

（5）负荷管理：避免长期低负载运行（易导致燃烧不完全），适当提高负载率（建议60%-80%额定负载）。

柴油机颗粒物的生成本质是 “混合”与“时间”的矛盾。颗粒物排放不仅反映柴发机组燃烧效率低下，还会直接危害机组可靠性、增加运维成本，并带来环保合规压力。理解颗粒物的运作原理，有助于从操作（如防止长期低负载运行）、维护（使用合格油品）和技术升级（改善喷油与进气系统）等多方面高效控制其排放。

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