[发明专利]在富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法和系统

说明书

发明背景 

1.发明领域

本发明涉及柴油机排气中发现的有机废物和污染物的催化消除。更具体地说，本发明涉及在诸如矿井之类的富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法和系统。 

2.相关技术 

众所周知内燃机排放对人类有害的污染物。大范围地暴露于污染物会引起人类的健康问题，并且是发展中和诸如美国的发达国家的空气污染的重要原因。柴油机尤其是污染的常见原因。黑烟、或烟灰是最可见的排放物，但是也存在其它不太可见的污染物。来自柴油机的排放物由三相组成：固体、液体和气体。固体和液体的组合称为微粒，或总微粒物质(“TPM”)，并由干碳(烟灰)、无机氧化物(主要是硫酸盐)、和液体组成。 

当柴油燃烧时，一部分硫氧化成硫酸盐，其一旦与排气中的水分反应，就会变成H₂SO₄。液体是未燃烧柴油和润滑油的组合，其称为可溶有机成分(SOF)或挥发性有机成分(VOF)，其形成离散烟雾和/或被吸收到干碳微粒内。气态碳氢化合物、一氧化碳、氧化氮、以及氧化硫是第三相的组成部分。来自已燃烧柴油的排放物根据柴油机燃油中润滑油的量而变化。其它发动机可产生干燥排气，其中SOF较低，余量主要是干碳。柴油机排放物明显比汽油发动机的更为复杂，因此，它们的催化处理更复杂且需要新技术。 

响应于汽油动力内燃机产生的污染，已经开发了转化器催化转化器以降低从燃烧的汽油排放进入环境的污染物的水平。转化器催化转化器通常设置成与燃气发动机的排气系统串接，且通常能够将大部分未燃烧的碳氢化合物催化转化成CO₂和水。 

常规的转化器催化转化器包含钯和铂，其覆在由惰性且耐热材料制成的载体小珠或小球顶上以增加活化催化剂的表面面积并保持微粒不会通过排气管 逃逸。将催化金属覆在基体上也降低催化剂微粒的成本，因为大部分催化金属比基体贵得多。因为铅基添加剂可“毒害”或破坏催化剂的有效性，这种添加剂已经被禁止了。 

尽管现代转化器催化转化器可用于将未燃烧的碳氢化合物转化成二氧化碳(CO₂)和水，但它们通常仅对汽油驱动车辆中的使用可行。现有的转化器催化转化器不太适于用于柴油机。燃油的类型和其在柴油机中燃烧的方式产生相当量的烟煤和其它未燃烧的碳氢化合物，它们量太大以致无法用现有的转化器催化转化器有效地转化成CO₂和水。尽管已知柴油机污染严重，但由于经济原因柴油机很大程度上免于受到严格的空气质量指导方针的限制。一个原因是柴油机用于诸如牵引拖车和火车之类的长途运输。取消它们可能引起可怕的经济问题。 

但在采煤作业中，严格地控制柴油机的使用。由于矿井中存在的天然气和柴油机产生的污染物，诸如矿井之类的封闭区域对于运行柴油机产生特别敏感的环境。于是，美国劳动者矿井安全和健康管理部(MSHA)发布了联邦规章，控制地下矿井中柴油机的使用。30 C.F.R.的第7、36、70和75部分中的联邦规章规定了地下煤矿的安全标准。该规章规定了包括燃油空气混合比、工作温度、以及排气中污染物水平的各种条件。MSHA还要求用于进气口和排气口的诸如灭火器之类的特殊装备。 

MSHA发布了关于各种污染物排放的严格规定。例如，新近的MSHA标准要求，在MSHA规定的发动机运行的任何情况下，来自柴油机的稀释的排气气体包含不多于0.5％体积的二氧化碳；0.01％体积的一氧化碳；0.0025％体积的氧化氮(按当量的二氧化氮计算)；或0.0010％体积的醛(按当量的甲醛计算)。柴油机的正确测试还要求测量排气气体中甲烷的水平。不像常规运行条件，在富含甲烷的环境中运行柴油机增加了排气包含甲烷的机率。 

在地下矿井中防止爆炸和减少污染是运行柴油机时的又一挑战。矿井中的煤可产生高水平的甲烷。甲烷被截留在封闭的矿井中，因此对人类和机器产生危害。例如，已知矿井包含8％体积甲烷的空气，且在某些情况下，浓度可达到12％体积的甲烷。一旦由煤释放，甲烷通常由于通风较差而留在矿井中。 

因为甲烷是可燃的，在矿井内或附近运行柴油机会引起甲烷区域爆炸。此 外，柴油机使用周围空气作为进气来完成柴油机的燃烧。周围空气中的甲烷被吸入柴油机，并可能在那里爆炸。因为甲烷比柴油更具爆炸性，如果甲烷的浓度高，就会有危险。