高原地区地下工程施工机械尾气排放规律研究_谢尊贤

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第3 期
谢尊贤等： 高原地区地下工程施工机械尾气排放规律研究
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－1 大。在 1 500 r · min 以下， 排烟量较低， 排烟变化缓慢， 在工作转速以内排烟量随着转速的增大的幅度
加大， 而在工作转速以后排烟量随转速增大的幅度显著 。 也就是说装载处于工作状态下尾气排放较多， 尤其是在高于工作转速时， 速度越大， 尾气排烟越大。 4． 2 工程机械 CO 排放规律 高原地区工程机械在高转速工况下随油门加大使燃烧室供油量增多 ， 但氧浓度未增加， 过量空气系 燃烧室缺氧， 导致 CO 排放浓度高 数 a（ 实际进气量与理论进气量的比值 ） 减小，
高原地区地下工程施工机械尾气排放规律研究
1 谢尊贤 ， 赵 1 2 3 2 冬， 朱永全 ， 赖涤泉 ， 韩现民
*
（ 1． 西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710055 ； 2． 石家庄铁道大学土木工程学院， 河北 石家庄 050043 ； 3． 石家庄铁道大学 机械工程学院， 河北 石家庄 050043 ）
－1 r·min － 1 ， 工作转速范围为 1 800 ～ 2 000 r·min ， 距排气筒 5 倍直
speed and opacity of the loader
径处取排气温度为 700 K， 密度为 0． 875 g / m ． 测试装载机在无荷载 和正常工作工况下各转速下排放尾气的烟度和 CO 体积。装载机工作时， 其功率大约为额定功率的 70% ～ 80% ． 无负荷运转时， 有效功率为总功率的 30% 。 图 2 为工程机械转速与不透光度值的关系曲线 ， 从图中可以看出， 发动机的排烟量随转速增大而增
5
结
语
图3 Fig． 3
工程机械转速与 CO 比排放关系图 The relationship between rotating speed of
1 ） 低海拔地区氧气充足， 柴油机尾气排放浓度较低， 地 下工程施工中通风设计的主要依据是炮烟所产生的污染。
the excavator and specific exhaust emission of CO
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4． 1
工程机械尾气排放规律
工程机械尾气的不透光度 经过研究得知， 隧道施工中所使用的装载机、 挖掘机、 自卸汽车
等主要工程机械在高原地区尾气排放规律相似 ， 即在高原环境下工 作时有害气体排放较多， 高于工作转速时， 速度越大， 有害气体排放 越多。以装载机为例说明工程机械尾气与不透光度之间的关系 ， 工 程用装载机的气缸数为 6 ， 内径为 126 mm， 行程值为 130 mm， 额定 图 2 工程机械转速与不透光度关系图 －1 功率为 162 kW， 额定转速为 2 200 r · min ， 怠速转速为 600 ～ 900 Fig． 2 The relationship between rotating
每小时内燃机排放的 CO 体积计算公式为 V CO = 式中 （ 2）
V CO 为单位时间内燃机排放的 CO 体积， L / h； RPM 为内燃机转速， r · min － 1 ； V H 为内燃机排量， L；
PPM 为尾气排放体积浓度值； t0 为单位时间， 取值 60 min． 比排放计算公式为 g = ρ H ·V CO / P e = G / P e 式中 ·ρ H ． （ 3） g / L； g 为比排放量 g / kW·h； P e 为内燃机功率， kW； G 为 CO 质量排放量， G = V CO ρ H 为 CO 的密度，
［7 ］
。在工作转速附近， 随
柴油的燃烧就越来越充分， 会使 CO 氧化为 CO2 。 柴油机伴 着氧气进量的稳定与气缸和机器温度的升高 ， 随着转速的上升， 虽因工作循环平均温度升高等因素的影响有利于促进燃烧， 但易引起烟度增大。 以挖
－1 掘机为例分析研究工程机械的比排放量 ， 其额定功率为 66 kW， 额定转速为 2 200 r · min ， 怠速转速为
摘
要： 高原地区空气稀薄、 高寒缺氧， 尤其在负荷条件下， 工程机械的进氧量不足， 导致尾气
CO、 HC 等的排放增多， 尾气已为高原地区地下工程施工通风与污染控制的主要因素。 结合关角 隧道施工， 对所使用的工程机械进行了尾气测试 ， 采用多项式拟合的方法得到了高原地区工程机 械尾气排放规律， 为高原地区地下工程的施工通风设计 、 控制污染提供了必要的科学依据 。 关键词： 高原地区； 地下工程； 工程机械； 尾气排放 中图分类号： TU 94 文献标志码： A
［ 1］ 孙
References
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高原地区空气稀薄， 空气中氧含量低， 环境温度、 湿度和大气压力与富氧地区相比均差距较大， 尤其是在 负荷条件下， 氧气进气量不足， 导致柴油机的功率下降， 尾气排放明显增加， 污染严重， 对地下工程施工环 境影响大。所以， 内燃机所产生的尾气是高原地区地下工程施工通风的控制因素 。 2 ） 高原环境下空气中的氧含量较低 ， HC 迅速下降。 a 小于 1 ， a 小时 HC 增加， a 增大时， 3 ） 工程机械的排烟量以指数方式变化 ， 随转速增大而增大。工作转速以下排烟量较低， 排工作转速 以内排烟量随着转速的增大的幅度加大 ， 而在工作转速以上排烟量随转速增大的幅度显著 。 4 ） 高原环境下工程机械在低转速和高转速时 CO 排放量均较高。内燃机空载时， 轴功率随转速增加 排放尾气浓度增加。 而变小， 参考文献
［3ຫໍສະໝຸດ Baidu－ 4 ］
。
无荷载工况测试在隧道外进行， 工程机械处于热车状态。 测试每辆车各转速点对应的尾气排放浓 CO 浓度等。从怠速值开始测试， 度， 记录每个转速点工程机械所排放尾气的不透光度、 每测试一转速后， 缓慢加速到下一转速值， 待读数稳定后记录相关数据。 CO 浓度等。 施工机械正常工作测试在隧道内的一般重载工况下进行 ， 测试排气筒尾气的不透光度、 装载机或自卸汽车在正常工作状态下测试 ， 挖掘机在推碴、 举高和装碴工况下测试。
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隧道施工尾气分析
矿井建设、 矿床开采、 隧道建设等地下工程施工中主要污染源有爆破后产生的炮烟和工程施工机械
设备所排放的尾气。地下工程中的工程机械设备主要采用柴油机械 ， 柴油机工作时排出的尾气受众多因 NO X 素影响， 其成分比较复杂， 含有氮氧化合物、 含氧碳氢化合物、 低碳氧化物、 油烟等， 但其中主要为 CO， NO X ， 和碳烟（ HC ） ； 炮烟中的主要成分为一般为 CO， 如果炸药中含有硫或硫化物时， 炮烟中还会生成硫化 氢和亚硫酐等有毒气体。 由于 NO X 在空气中不稳定且可溶于水， 喷雾洒水就能降低， 但 CO 较稳定。 因 此， 在地下工程中通常用有毒气体 CO 的浓度和 HC 的的含量评价施工环境状况及通风安全效果 。 低海拔地区氧气充足， 柴油机尾气排放中 CO 浓度较 低， 污染程度低， 在地下工程的施工通风设计时对柴油机 CO 排放问题考虑不多。但高原地区， 空气中氧含量低， 环 境温度、 湿度和大气压力均发生了较大变化， 尤其是在负 荷条件下， 氧气进气量不足， 导致柴油机的功率下降， 尾气 的排放明显增加， 污染严重， 如图 1 所示。 工程机械排放 的尾气 CO 浓度便为衡量隧道施工通风效果好坏的主要依 据， 是高原地区地下工程施工通风的控制因素
－1 －1
挖掘机不同转速的比排放表
The specific exhaust emission of the excavator at various rotating speeds
900 165 0． 28 1 100 158 0． 32 1 310 230 0． 56 2 041 250 0． 95 2 240 300 1． 25 1 580 230 0． 67 1 830 240 0． 81
［2 ］
， 因此， 研究柴油机尤其是工程机械用柴油机尾气高原排放规律 ， 为高原地区地
下工程施工通风设计和改善高原施工环境提供了科学依据 。
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收稿日期： 2011 － 04 － 30 基金项目： 铁道部科技研究开发计划项目（ 2007G034 ） 通讯作者： 谢尊贤（ 1966 － ） ， 男， 甘肃平凉人， 博士研究生， 主要从事隧道（ 井巷） 工程、 矿井通风与安全等方面的研究．
·h
图 3 为工程机械转速与比排放的多次拟合关系曲线 。 从图中可以看出， 工程机械 CO 排放量以指数
－1 CO 排放量变化随转速增大而显著增加， 方式变化， 随转速增大而增大， 在 1 600 r · min 以下， 高于此转
CO 排放量略变缓慢。 这是因为， 速时， 高转速工况下随油 门加大使燃烧室供油量增多， 但氧浓度未增加， a 减小， 燃 烧室缺氧， 富燃的混合气通常会造成内燃机的燃烧不充分， 部分 CO 来不及继续氧化成 CO2 ， 就变成 CO 的形式排出机 外， 导致 CO 排放浓度高； 低转速尤其是怠速工况下， 由于轴 功率输出较小， 气缸温度低， 喷油速度不高， 燃油雾化差， 燃 造成 CO 排放增加。 烧不完善，
DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2011.03.007
第 31 卷 第3 期
西 安
科
技
大
学
学
报
Vol． 31
No. 3
2011 年 05 月
JOURNAL OF XI’ AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
May. 2011
文章编号： 1672 － 9315 （ 2011 ） 03 － 0293 － 04
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西 安 科 技 大 学 学 报
2011 年
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工程机械尾气测定
青藏铁路西（ 宁） 至格（ 尔木） 段增建第二线关角隧道工程是西格二线的标志性工程和重点控制工程 ，
是在建的世界上最长高原隧道， 地处海拔高程 3 300 ～ 3 700 m 的高原地区， 隧道外地表附近大气温度约 为 20 ℃ ， 氧气含量约为 13% ， 大气压强约为 6． 49 × 104 Pa； 隧道内温度约为 15 ℃ ， 氧气含量为 10% ～ 12% ． 结合关角隧道的施工， 对施工现场使用的隧道施工机械在无荷载工况和一般重载工况下排放的尾 HC 进行测试研究 气 CO，
［1 ］
， 但其排
图1 Fig． 1 工程机械高原排放有害气体情况图 The situation of harmful gas emission of engineering machinery
放规律国内外还研究不够。 目前对柴油机尾气的排放研 究大都是在实验室中进行， 虽然部分在低海拔地区对柴油 机进行了工况实测， 但大部分研究只是对柴油机尾气排放 的烟度进行了实验。 地下工程施工通风的目的是使施工 作业环境达到卫生标准
900 r·min － 1 ， CO 比排放为额定功率的 发动机排量为 3． 26 L， 距排气筒 5 倍直径处取排气温度为 200 ℃ ， 30% ． 表 1 是在不同转速下挖掘机尾气中 CO 体积浓度值及计算的比排放值。
表1 Tab． 1
转速 / r·min － 1 CO 浓度 × 10 － 6 比排放 / g·kW
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尾气排量计算
对于 CO 总排放量未知的高原隧道工程施工机械 ， 可以通过实际测定的数据和已有的机械参数计算
［5 － 6 ］
而得
。 π 2 D ·S × 10 － 6 ． 4
内燃机的排量计算公式为 V H = N· 式中 （ 1）
N 为内燃机气缸数； D 为气缸内径， mm； S 为行程值， mm． RPM PPM ·V H ·t0 · ． 2 1 000 000