1、柴油机排放的环境保护 赖可坚 邹颂宇 田少民 工程机械对环境的影响主要有三：一是柴油机的废气排放物对大气的污染；二是噪声对人居环境的污染；三是废油、废水对土壤或地表水的污染。其中，尤以废气排放对人类健康的危害最大。1、废气中的污染物及其危害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、H 2、NOx、SO 2、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(PAH)和醛等碳氢化合物。上述污染物中，最主要的是 CO、HC、NOx 以及固体微粒(PM)。CO 是柴油不完
2、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。相对汽油机而言，柴油机的 CO 和 HC 排放量较少，主要排放的污染物是 NOx 和 PM。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
3、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。NO 2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。2、柴油机的排放标准为了控制废弃污染，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政策，以及控制排放污染物限制的技术监督标准。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
4、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限制及测试方法(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。 g/(kwh)污染物排放标准标准开始实施年份 CO HC NOx PM欧欧欧欧19921998200020054.54.02.11.51.101.100.660.468.07.05.03.50.36
5、0.150.100.02在执行新标准中，主要问题是可见污染物排放的测试根据GB3897-1999 要求采用取样式不透光度仪，测定连续通过气样管的一部分排气的不透光度，测量单位为 m-1(光吸收系数)。这种全负荷烟度排放值的测量仪器，是一种部分流不透光的烟度计(如 AVL415型、AVL438 型及 AVL439 型)，目前还是依赖于进口；因此，国内仍在沿用旧标准“汽车油机全负荷烟度(GB14761.1993)”、“汽车柴油机全负荷烟度测量法(HB3847-1993)”、“柴油车自如加速排放标准(GB14761.6-1993)”及“柴油车自如加速烟度的测量滤纸烟度法(GB/T3846-1993)
6、”，利用滤纸测定烟度 Rb，单位为 FSN(滤纸烟度指数)。3、机内净化技术车用柴油及改善混合气质量和燃烧状况的措施有：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。康明斯公司在 ISR、ISC、ISM 系列发动机中，采用垂直中央喷射和更高的喷射压力，使排放污染物减少了 1/5。 盖瑞特公司在涡轮增压器上采用液压变喷嘴涡轮技术，使发动机在怠速至全速的工作范围内都降低了 NOx 的排放。废气再循环技术可有效地控制 NOx 的排放；但是，要想不增加HC 的排放，还得采用电控废气再循环技术，利用
7、调整装置来优化不同负荷时的废气再循环。在工程机械柴油机上采用电子喷射系统是重大的技术进步。新三菱卡特彼勒公司的 HEUI 共轨液压式喷油系统，由高压油泵、共轨油道、调压阀、控制单元(电磁阀)、电控液压喷嘴等组成。在液压共轨中保持 423MPa 油压，通过喷油器的增压活塞使燃油压力增至 30140MPa；喷油计量由喷由时段与喷油压力决定，而喷油时段则取决于电磁阀通电时间的长短；电磁阀按负荷情况与转速的变化自动地调节喷油正时。EUI 高压共轨电子喷油系统则能够进行预喷射与后喷射，还可实现型喷油规律的多段喷射。LICR 电液控制喷油系统则可根据发动机工况，更好地实现预喷压力的调节。电喷技术由于可根据
8、负荷与转速的变化自动地按柴油喷射曲线喷油，使柴油更好的雾化、充分燃烧，净化了废气，也减少了可见污染物(黑烟)的排放。4、机外后处理技术采用后处理技术，是对现有车型进行技改、控制排放的最有效措施；对于新车，采用机外后处理措施也比采用机内净化措施容易得多。机外后处理装置主要是催化净化器的微粒捕集器。国内最常用的催化器是三元催化转化器，它是由金属壳体、隔温衬垫和催化剂组成的筒型构件。隔温衬垫使用堇青石陶瓷压制成，横截面上每 cm2有 3264 个小孔；在这种蜂窝状陶瓷载体表面，附着有作为催化剂的铂、铹、钯等贵金属和作为助催化剂的稀土添加剂。贵金属稀土联用催化剂是目前最有效的催化剂。柴油机废气的气相反
9、应通常在很慢的速度下进行，一旦有了催化剂，CO、HC、NOx 在催化剂作用下被迅速氧化还原成 CO2、H 2O、N 2。三元催化转化器中的堇青石陶瓷蜂窝也是一个滤烟地微粒捕集器，当碳烟通过比它小得多的蜂窝微孔时，就被通道管壁截获。蜂窝陶瓷的网眼堵塞后形成的烟灰层，在 500C 以上的温度下会被废气点燃而是滤烟器不致失活。催化转化器可以加装在发动机排气管末端，也有将它与消声器做成一体的。对于在隧道内施工的机械，还可采用二级净化系统，即在催化转化器后再安装一个烟尘水洗箱；水洗箱中加油涤烟剂，烟气穿过水溶液时会进一步溶解废气中的有害气体并使碳烟微粒沉淀。5、合理使用维护超负荷使用、保养维护不当或检修
10、调整不良等使用中的问题，都会使柴油机的性能恶化，导致污染物排放量增加。在使用与维护中，有必要采取严格的管理规范和技术措施。 要选用规定质量等级的黏度地机油。要选用十六烷值适中的柴油，一般夏季用 0#、+10 #柴油，冬季用-10 #、-20 #柴油，严寒地区用-35#柴油；并尽可能的选用低硫柴油。在柴油中按 3/100005/10000的比例掺入 XS30.30 高效柴油添加剂，可有效地控制碳烟的排放。定期维护保养至关重要。同时，有必要将排黑烟与排蓝烟视为故障现象，应及时检修，随时保持柴油机有良好的技术状况。引起排黑烟故障的原因有：空气滤芯堵塞或进气管漏气，造成进气量不足；消声器被过多的黑烟堵
11、塞或排气管变形使排气背压过高；涡轮增压器、燃油喷射泵或喷油器工作不良；喷油正时过迟，后燃过多；气门间隙不良；气门与气门座圈接触不良或气门弹簧失效；活塞、活塞环、缸套磨损超限等。引起排蓝烟故障的原因有：油底壳加机油过量；曲轴箱废气通气孔堵塞；活塞环与油环失效；活塞、活塞环、缸套磨损超限；气门与导管间隙过大；涡轮增压器漏油等。综上所述，与汽油机的排放控制相比，柴油机排放的污染危害性更大，而且排放控制的难度更大。目前的有效对策是，严格遵守国家规定的排放标准，采取机内净化技术、机外后处理技术，以及使用维护中地措施，以期控制排放、保护环境。隧道施工降尘净毒综合治理工法 YJGF0994 作者:雷升祥 康
12、秀红(铁道部第十八工程局) 摘要: 隧道钻爆开挖,出碴,喷锚作业 ,产生大量的粉尘及有害气体,尤其是采用无轨运输作业时,内燃机械排出的大量废气,对洞内造成长时间,沿程污染,这些尘毒对人体伤害很大.因而,搞好通风降尘净毒工作,意义十分重大.它直接关系到洞内作业人员的身心健康,关系着工程进度的快慢,关系着施工的经济效益和社会效益. 在多座隧道施工中,开展了降尘净毒综合治理的研究,特别是在内径 9.0m 的四川太平驿引水隧洞施工中 ,进行了管遭通风,高压引射,水幕降尘,机械净化几方面实践,收到了显著成效.经铁道部劳动卫生研究所检测,各项指标符合国家卫生标准.该技术获 1993 年中国铁道建筑总公司科
13、技进步二等奖.本工法是根据综合治理的工程实践编写而成的. 一,基本原理 (一)管遭通风原理 管道通风按局部通风稀释理论考虑,即通风换气区是掌子面以后 200m 范围的有限空间 w,这个空间为一个理想模型 ,如图 9-1 所示. 它需要满足下列条件: (1)有限空间 w 不变,它是一个理想模型 . (2)空间内空气密度均匀,任何时间有害气体浓度在空间都均匀分布 . 第 2 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 (3)同一时间内流入和流出的空气量相等. 通过空气交换,使有限空间 w 内的废气浓度得到稀释,降到国家卫生指标限走的范围内. (二)高压射流原理 高压流体
14、由喷嘴高速喷出,在射流周围造成负压,把空气吸人.高速的流体与空气在混合管内混合,发生动量交换,被吸人的空气从而获得能量,沿风筒流动.参见图 9-2. (三)水幕降尘原理 洞内采用水幕降尘,就是把水雾化成微细水滴喷射到空气中,使之与尘粒碰撞接触,则,尘粒附于水滴上或者被湿润的尘粒互相凝聚成大颗粒,从而加快其沉降速度,参见原理图 9-3.当直径为口的水滴以一走的速度进入含尘空气,并占据一定的空间,含尘风流通过水雾滴时,风流围绕水滴而流动.但是尘粒比重较大,因惯性作用而保持其运动方向,因而与水滴碰撞并粘附于水滴之上,从而达到降尘目的. (四)机械净化原理 机械净化包括机内净化和机外净化两种.机内净化
15、是使内燃机械产生的废气量中有害气体浓度降低,主要是整修喷油嘴,调整喷油效果,同时掺加 XS30-30.高效柴油添加剂,提高燃油十六烷值,使柴油燃烧雾化效果更好,更充分,生成有害气体减少.机外净化采用催化氧化法和水洗法二级净化系统.催化作用是促进以下氧化反应: 水洗法是通过 涤烟剂,清除碳烟及颗粒物,参见原理图 9-4. 第 3 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 二,工法特点 (1)采用综合治理技术效果好.管遭通风 1.km 以内百米漏风率低于 1.0%,2.0km 以内百米漏风率低于 1.5%;各工序,各作业时间洞内 C0,NOx,粉尘浓度均符合国家卫生标
16、准要求;高压射流使元轨运输隧道沿程污染得到极大的改善,加速了洞内废气排放速度;采用水幕降尘,除尘效率达 75%以上,炮后20min 掌子面清晰,确保炮后 30min 进洞施工;机械净化效果显著 ,减少了洞内污染. (2)工艺简单,操作方便,适用范围宽,容易推广. (3)造价低,实用性强.如制造水幕降尘器,高压引射器,掺 XS30-30 高效柴油添加剂等项目,投入少,收效大,适用于施工现场. 三,适用范围 独头隧道掘进2km,采用无轨运输施工;也适应其它地下工程. 四,施作工艺与要点 (一) 工艺流程 (参见图 9-5) (二) 工艺设计 1. 通风设计 第 4 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综
17、合治理工法 资料编号:YJGF0994 包括风量计算,设备选型与匹配,通风布局等. (1) 风量计算:按稀释系数 =3m3/min.KW,百米漏风率 =2%,最小风速Vmin=0.15m/s,从稀释炮烟冲淡内然机废气 ,工作面人员新鲜风,洞内最小风速四方面计算,计算公司参见表 9-1 设计风量取上表计算结果的最大值,根据漏风系数确定风机风量,一般主机风量取设计风量的 1.1 倍. (2) 风压计算;管网阻力包括全部风道的磨擦阻力的局部阻力,局部阻力主要包括风道转弯,接头,变径等处阻力. 风压计算公式: P 摩=PvKL/D P 局=ncgv2 P =(P 摩+P 局) (3)高压射流设计 引射
18、器引射效果衡量指标采用引射系数(R)来表示: R=(Q-q)/q 式中 R引射系数,无因次 ; Q引射器风量,m3/min; q高压流体消耗量,m3/min. 高压流体采用高压风和高压水,引射器为风水混合型引射器,其中,高压水的压力 0.6Mpa.引射器结构参见图 9-6. 3.降尘设计 水幕降法主要解决 13m 的尘粒.水幕降法器设计为风水混合型,技术参数见表 9-2. 第 5 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 1 进高压水管;2水量表;3喷嘴;4气压表;5混合管;6进高压气管 水幕降尘器结构参见图 9-7 4.净化系统设计 采用二级净化系统,其结构示意
19、图参见图 9-8 (三)施作要点 1. 管道通风系统 (1) 刚性通风管现场制造工艺 隧道施工中,大孔径刚性通风管的传统做法是:厂制焊接成型,长途运送至第 6 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 工地.它存在两个主要缺点,一是运输困难,二是回收率低.为此,结合实际,在进行风管设计的基础上,研制了几套模具,现场冷弯法卷制钢风管, 风管参数:单节长 1956mm,公称直径 D=1200mm,壁厚 =0. 8mm;风管采用法兰连接,管材为镀锌铁皮.风管加工:铁皮采用扣边咬接成风筒,角钢冷弯成法兰,通过胎具将风筒,法兰制成风管. (2)风机风管安装 主机安装在洞外,
20、离洞口距离大于 20m,上部设防雨篷. 风管安装采用两种型式,一种方式是吊在拱顶,每间隔 4.0m 设一根 22悬吊锚杆;另一种方式是支立在边墙一侧 .两种型式视施工条件任选. 风管转弯时应没过渡段,转弯角度大于 110. 风管悬吊,支立时,做到平,直,稳,紧,在水平面上无起伏,垂直面上无弯曲. 两节风管之间采用法兰连接,中间采用 4mm 厚直条橡胶带沿风管法兰环向拉压扣紧. 风管悬吊时,要求砂浆锚杆单根抗拉力大于 15kN. (3)管理要求 通风机使用前应换注黄抽,以后每半月加注一次. 风机应减少停机次数,采取定期停机保养,一般一周检修一次. 设风管专门维修工班,发现破损,开裂,泄漏,螺栓松
21、动等情况时,对症处理. 悬吊风管时,应先清理危石,注意施工安全. 2.射流器安装与操作 高压射流器一律安装在拱顶,一般 500m 设一个,特殊位置(如支洞喇叭口处)应增设.安装时,应检查悬吊锚杆的抗拨力 ,其值不应小于 50kN.出碴作业时,打开引射器. 3.水幕降尘器安装与操作 在离隧道掌子面 100m 范围内设置 23 道水幕,分别离掌子面 30m,50m,80m.水幕器安在隧道起拱线外 ,每遭水幕两侧边墙分别安一个水幕器.炮前10min 打开各道开关,炮后半小时关闭. 第 7 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 4.净化系统安装使用 将净化箱连接到内燃
22、机车辆尾气排气管上,走期更换水洗箱里的水及涤烟剂,催化剂. XS30-30 高效柴油添加剂按万分之三五的比例加入到柴油中,供洞肉运输车辆使用. 五,质量控制标准与检测方法 (一)洞内卫生学指标 (1)隧道内含有 10%以上游离 SiO2 粉尘的最高允许浓度为 2mg/m3; (2)CO 最高容许浓度为 30mg/m3; (3)氮氧化物(换算式 NO2)最高容许浓度为 5mg/m3; (4)CO2 含量,按体积计不得大于 0.5%; (5)洞内 O2 含量 ,按体积计不小于 20%; (6)洞内气温不得超过 28. (7)洞内噪音不大于 90dB; (8)开挖断面风速不小于 0.15m/s,不应
23、大于 6m/s. (二)测试仪器与方法 1.卫生学测试 主要仪器仪表有:武安 84 一 1 型,FC 一 2 型粉尘采样器,电子分析天平,秒表,40mm 过氯乙烯纤维滤膜,北京北苑检测分析仪器厂生产的 CO,NOx 采样器,采样管等. 测试方法:按照 GB5748-85作业场所空气中粉尘浓度测定方法及常规毒害气体测定方法执行. 2.通风系统测试 主要仪器仪表有:标准毕托管 ,800mmU 型压力计, DJM-9 型补偿式微压计,DEM3 型空盒气压表,DEM6 型杯状风速表,干湿温度计等 . 测试方法:按常规方法测定.对被测管道截面分三环进行测定,其计算结果取算术平均值,并进行标化.标化大气压
24、为 760mm 水柱,温度 20. 3.进洞车辆烟气排放测走 主要仪器有:FBY-2 型全自动烟度计,MEXA-324M 型汽车排气分析仪. 第 8 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 测定方法:按 GB3846-83 和 GB6456-86 执行. 六,机具设备 针对不同隧道,不同的工作面数配备相应的通风机具设备.以太平驿引水洞为例,主要机具设备可参见表 9-3. 七,劳动组织 (一)总体安排 现场成立一个通风管理组,包括施工技术,环卫,安全部门.通风管理组的职责:负责通风降尘净毒系统的设计并组织实施 ,负责尘毒的监测,系统调整,安全生产等项工作. (二)
25、具体安排 参见表 9-4 八,经济社会效益分析 采用通风降尘净毒综合治理其社会,经济效益均十分显著,以太平驿引水隧洞为例. (一)现场自制风管效益巨大 现场自制风管,改变了大直径刚性风管厂制的历史,避免了长途运输不便.现场自制的拼装式风管具有可拆装,多次倒用的特点.同厂制 =2mm 厚黑铁皮风管相比,以 1000m 风管计算 ,可节约材料费 10. 4 万元,节约加工费 10.64万元,节约运费 0.26 万元,合计节约 21.64 万元,(按 1992 年同期价格计).自制白铁皮风管同软风管相比,每 m 价格约高出 24 元,但刚性风管比软风管回第 9 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理
26、工法 资料编号:YJGF0994 收率大,残余价值高.不仅如此,关键是采用刚性风管更加有利于管道通风. (二)降尘净毒综合治理社会效益显著 (1)降低了粉尘浓度和毒害气体浓度,减少了对职工身心健康的伤害 ,对预防职业矽肺病具有十分重要的意义. (2)净化了洞内空气,有利于环境保护.特别是对柴油机的二级净化及掺XS30-30 高效柴油添加剂,降低了机械比排放指标, 作用重大. (3)采用综合治理,为施工生产创造了良好的条件,缩短了作业循环时间 ,加快了工程进度. 九,工程实例 四川华能太平驿电站引水隧洞位于岷江上游左岸四川省汶川县境内,全长10500m,由铁道部十八局担负 5+00010+500
27、 段施工任务.隧道洞内径 9.0m,开挖直径 9.6m10m,采用钻爆法施工,元轨运输,最大独头通风距离 2.0km. 该隧洞施工采用了通风降尘净毒综合治理技术,管遭遇风采用 1250m3/min,1000m3/min 风机配拟 1.2m 风管单机压人式供风,同时采取了水幕降尘,第 10 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 高压射流,柴抽机车辆净化,掺 XS30-30.柴油添加剂等综合治理措施,收到了显著成效.参见图 9-9. 1993 年 3 月,铁道部劳动卫生研究所对 5#支洞下游单机独头供风 1.9km 后,洞内卫生学指标,通风系统进行了测试,温室结果见表 9-5,表 9-6,表 9-7. *为剔除炭颗粒后的粉尘浓度 第 11 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 我局劳卫部门对机械净化和洞庭湖内微小气候进行了监测,结果见表 9-8,表 9-9. 对红岩车实施二级净化后测试结果参见表 9-10. 第 12 页 筑龙网 隧道施工降尘净毒综合治理工法 资料编号:YJGF0994 从上述测定结果不难看出,隧道施工中采用通风,水幕降尘,高压射流,机械净化等技术措施,进行综合治理,其效果是十分显著的. 目前,技术已推广应用到其它一些隧道工程中.
