随着经济的发展和生活水平的提高,人们对于环境的要求也越来越高。柴油发电机组对环境的污染主要有两方面:一是有害排放物,主要来源于柴油发电机的燃烧所产生的NOx(氮氧化物)和PM(颗粒)的排放对周围空气造成的污染;二是机组工作时产生的噪声,主要来源于柴油发电机和发电机两部分。为了减少和控制排放和噪声对环境的污染,世界各地,特别是发达国家相继出台了相应的法律、法规作为强制手段加以限制。能否有效地保证柴油发电机良好的经济性、动力性和降低对环境的污染是现代柴油发电机组发展的关键所在。
柴油发电机组中,柴油发电机的废气排放是造成环境污染的重要来源之一,其成分中,除99.7%(75.7%的N2、10%的CO2、8%的水蒸气和6%的O2)对人类无害外,其余0.3%(0.2%的NO、0.01%的NO2、0.03%的HC、0.05%的CO、0.01%的SO2和小于0.01%的PM)都是有害物质,它是形成酸雨和破坏臭氧层的罪魁祸首。柴油发电机对环境的污染主要有下列三个方面:一是柴油发电机的废气排放物对大气的污染;二是噪声对环境的污染;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。柴油发电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(PAH)和醛等碳氢化合物。
上述污染物中,最主要的是CO、HC、NOx以及固体颗粒(Particle Matter 简称 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、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颗粒,也就是常见的由排气管冒出的黑烟。相对汽油机而言,柴油发电机的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;在碳烟颗粒上吸附的PAH等有机物,更是极有害的致癌物。
柴油发电机排放物的生成与燃油的分布情况密切相关。在图1上示出NOx、未燃HC和碳烟(soot)在预混燃烧和扩散(或称混合控制)燃烧阶段时气缸内的生成情况。NOx产生在高温已燃气体区,但由于在已燃区的温度和燃空比分布不均匀,NOx最大生成率应出现在燃空比接近化学计量值的区域。碳粒是在浓混合气区和接近油束核心区处生成,然后当遇到空气时再氧化出现黄焰(yellow flame)。未燃碳氢和醛类出现在火焰遇气缸壁淬冷时,或者在特别稀混合气处,火焰无法传入,此外在燃烧即将结束时,由喷油器高压油腔(nozzle sac volume)内汽化之柴油或由于存在不正常的二次喷油进入气缸的柴油,也是未燃碳氢重要的生成源。目前对到底是多环芳香烃 PAH(polycyclic aromatic hydrocarbons)还是碳粒(soot)是致癌因素仍有一些争论。
图1 直喷柴油发电机在预混和扩散燃烧阶段有害排放物的生成情况示意
对于增压柴油发电机而言,由于空燃比较大,因此其主要有害物的排放为NOx和PM,其他均很小。