【文章內容簡介】 R 技術相比， DeNOx 催化 技術系統(tǒng)簡單，無有害生成物，目前認為最具發(fā)展?jié)摿Α?DeNOx 催化技術主要是將 NOx 催化熱裂變?yōu)?N 2 和 O 2 ,目前的問題是廢氣在催化器中停留時，催化器效率不高，因此帶來轉化還原效率也受到很大限制。 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 12 為減少顆粒排放而研制的各種 “ 柴油機顆粒收集器或稱過濾器 (DEF)” ，雖然不少產品已在歐洲轎車柴油機上裝車使用，但由于 DEF 的耐久性差且過濾器的再生問題也沒有徹底解決，因此，該項技術也正在進一步改進和發(fā)展中。 5. 改進燃料 燃料性能的改進，對減少排放起到很大作用，日本繼美歐之后，從 1997 年開 始把輕油中的硫含量降到 %以下，以此大幅度減少排放顆粒中的硫酸鹽，同時減少 EGR 造成的發(fā)動機內部的腐蝕磨耗及催化劑中毒；進一步減少硫含量，提高十六烷值，可進一步降低 NO x 。減少芳香烴，尤其是減少 3 環(huán)以上的芳香族成分，可減少排放顆粒中的硫化物、降低 90%的蒸餾溫度、改進點火性能；通過使用含氧燃料或添加劑，可降低黑煙顆粒。為了適應低硫化及噴射壓力的大大增加，確保燃油噴射裝置的潤滑性，人們對燃料的改進開發(fā)寄予了很大期望。 6. 代用燃料 隨著世界能源危機和環(huán)境污染問題的日趨嚴重，尋找一種更清潔 的替代石油的原料已勢在必行。經過多年的研究試驗，目前公認天然氣是 21 世紀的首選替代燃料。美國一些學者認為天然氣發(fā)動機汽車是與電動車相媲美的清潔能源動力車。日本研究表明，天然氣汽車在環(huán)境保護、石油燃料替代及實用性等方面有著無可比擬的優(yōu)點。近年來，天然氣發(fā)動機、包括柴油與天然氣的雙燃料發(fā)動機 發(fā)展 很快，目前，全世界有幾百萬輛天然氣或雙燃料汽車在運行，預計到 2021年，全球將有 1/3 的國家使用天然氣汽車。正如人類本世紀初從固體燃料向液體燃料過渡一樣，如今已開始從液體燃料向氣體燃料過渡，從而將提高整個能源系統(tǒng)的效 率和清潔性。 第四章 柴油機微粒捕捉器 1. 微粒捕捉器 (DPF)的組成和結構及工作原理 組成 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 13 微粒捕捉器 (DPF)由收集排氣微粒的濾芯和各類周期性地把濾芯中集存的微粒燒掉或氧化掉的再生系統(tǒng)所組成。 DPF 的過濾機理主要包括：碰撞原理、截流原理、擴散原理和重力沉降原理等。其兩大關鍵技術是過濾材料和過濾體的再生。 結構 試驗所用的微粒捕集器 ,為 SiC壁流式微粒捕集器。整套裝置為雙室結構 ,捕集器殼體內的前部設有一個支蓋 ,將殼體分為前后兩腔 ,濾芯和自動燃燒器分別設在前后腔內 ,從而 過濾與再生分區(qū)進行 ,使得過濾與再生互不干擾 ,無論發(fā)動機處在何種工況下 ,系統(tǒng)都能自動工作。該微粒捕集器有著較大的孔隙率和足夠大的孔隙 ,它既可以負載各種催化劑 ,也可以過濾、減少微粒的排放。微粒捕集器的工作主體是濾芯 ,濾芯決定過濾器的過濾效率、工作可靠性、使用壽命以及再生技術的使用和再生效果。試驗所用 DPF由丹麥的 DNEX公司提供 ,濾芯材料為 SiC,與堇青石材料相比 ,孔徑更均 勻 ,并且具有流通性能好、過濾效率高、耐高溫 (超過 1600℃ )和通用性好等特點。在濾芯的結構設計中 ,GM公司認為最具發(fā)展前途的 4種過濾體形式 為 :壁流式蜂窩陶瓷體、泡沫陶瓷體、金屬絲網和編織陶瓷纖維。其中 ,壁流式蜂窩陶瓷是目前綜合性能最好的過濾體 ,但國內尚不能生產 。 工作原理 柴油機的排放 ,含有大量碳煙微粒的污染物 ,通過排氣管道進入微粒捕集器。捕集器內部為蜂窩狀結構 ,其兩端一邊是敞開 ,一邊是堵塞的通道壁 ,廢氣從敞開的一端進入 ,穿越多孔的蜂窩壁 ,然后從相鄰的通道排出。大部分碳煙微粒由于體積過大而無法穿越壁孔 ,因而被吸附在通道壁上 ,而不會排放到空氣中。 2. 過濾材料 DPF對過濾材料的要求有以下幾個主要方面：高的微粒過濾 效率、低的排氣流動阻力、高的耐溫性能、較高的機械強度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的抗震性。其中過濾效率和流動阻力是一對矛盾，高的微粒過濾效率一般會導致高的流動阻力。因此，選擇過濾材料要綜合考慮兩方面的性能。國外在過濾材料的研究方面已經取得了突破性進展，出現了一些商品化的產品，但由于過濾材料的研究需要高的工藝水平和資金投入等原因，國內在這方面與國外仍然有較大的差距。目前柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 14 國內外常用的過濾材料主要有壁流式蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維和金屬絲網等。其中，壁流式蜂窩陶瓷和陶瓷纖維屬于表面過濾，泡沫陶瓷和金屬絲網屬于深床過 濾。各種過濾材料的過濾效率見表 1。 表 1 不同過濾材料的過濾效率比較 [5] 過濾形式 表面過濾 深床過濾 過濾材料 壁流式蜂窩陶瓷 陶瓷纖維 泡沫陶瓷 金屬絲網 過濾效率 65％～ 95％ 70％～ 99％ 40％～ 70％ 20％～ 50％ 壁流式蜂窩陶瓷 壁流式蜂窩陶瓷試制于 20世紀 70年代初美國康寧 (Corning)公司，它以其良好的性能逐步取代了早期應用的 Al203球粒載體，占據了催化器載體的主導市場。目前，世界上最大的兩個廠家 —— 美國康寧公司和日本的 NGK公司生產的壁流式蜂窩陶瓷分 別占世界市場的 50％和 40％。壁流式蜂窩陶瓷的結構及工作原理見圖2。 流入蜂窩陶瓷 入 口截面的排氣必須經過內部多孔薄壁到相鄰的通道流出。多孔薄壁為柴油機排氣顆粒過濾的基本作用單元，壁孔結構的大小對排氣顆粒流的作用有兩種情況：一是壁孔較大，顆粒流中的所有顆粒物通過，過濾器不起作用；二是壁孔小于顆粒物粒徑，攔截全部顆粒高效捕集，粒徑小的顆粒隨氣流通過壁孔而排出。可見蜂窩陶瓷多孔薄壁孔的幾何尺寸、孔分布的均勻性及排氣顆粒物的粒徑是影響過濾器捕集效率的要素。壁流式蜂窩陶瓷壁內小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達 90％以上 ，且耐高溫，機械強度高 [7]。其主要缺點是過濾體的制造工藝復雜，目前國內還不具備生產能力 。 蜂窩陶瓷材料具有各向異性的特點，其徑向膨脹系數是橫向膨脹系數的兩倍，且微粒都沉積在孔道內，因此再生過程中受熱不均勻，易發(fā)生熱應力損壞。另外，微粒在蜂窩內成板狀結構，不利于著火燃燒。 泡沫陶瓷 泡沫陶瓷是一種耐高溫，體積密度小，氣流通道曲折和氣孔率較高等綜合性能良好的過濾材料。它是將陶瓷原料配制成泥漿，并在聚酯或聚醚泡沫塑料內浸漬成型，最后經燒制而成的。其內部由許多小孔組成，稱為“氣室”，小孔直徑一般為 ~2mm, 如圖 3所示。每個氣室通過窗口與多個鄰室相連，在過濾體內形成許多曲折的通道 [10]。由于微粒直徑小于氣室直徑，當排氣微粒流經這些曲折徑小的顆粒隨氣流通過壁孔而排出?？梢姺涓C陶瓷多孔薄壁孔的幾何尺寸、孔分布的均勻性及排氣顆粒物的粒徑是影響過濾器捕集效率的要素。壁流式蜂窩陶瓷壁內小孔的尺寸都在微米級，過濾效率可達 90％以上，且耐高溫，機械強度高 [7]。其主要缺點是過濾體的 制造工藝復雜，目前國內還不具備生產能力 泡沫陶瓷 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 15 通道時，由于氣流不斷改變方向，微粒由于慣性碰撞攔截、擴散攔截和幾何攔截等多種作用而 沉積于過濾體內部。相關研究表明： a. 柴油機用泡沫陶瓷過濾器的過濾機理以慣性碰撞機制為主。 b．隨著流速的提高，微粒的慣性碰撞捕集效率逐漸降低。當流速達到一定值時，大微粒的捕集效率將迅速上升，而小微粒的捕集效率繼續(xù)降低。 c. 微孔直徑越大，擴散捕集效率越低。 d．當粒徑小于 μ m時，慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大，當粒徑大于 m時，慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升。 。 圖 2 壁流式蜂窩陶瓷過濾器的構造 圖 3 泡沫陶瓷的微觀結構 根據生產原料的主要成分不同，泡沫陶瓷材料可分為堇青石泡沫陶瓷、三氧化二鋁泡沫陶瓷、碳化硅泡沫陶瓷等。 泡沫陶瓷的優(yōu)點是制造工藝相 對簡單，且成本低，可以根據微粒的過濾及過濾體再生的要求，制成各種形狀，以滿足不同的需求。另外，泡沫陶瓷的多孔結構，使火焰易于傳播，微粒的著火溫度比壁流式陶瓷低 50℃，從而使燃燒更加安全，再生更加徹底 [10]。 泡沫陶瓷各向同性，再生時熱應力小，不易造成過濾體熱損壞。其缺點是結構疏松，強度低，在排氣沖擊和機械振動條件下易出現損壞 。 堇青石泡沫陶瓷和碳化硅泡沫陶瓷是目前應用比較廣泛的過濾體材料。堇青石泡沫陶瓷材料價格便宜，原材料易于取得，且生產工藝簡單易行。碳化硅泡沫陶瓷具有孔隙率大，孔徑均勻，機械強度高，高溫性 能好以及具有較高的導熱系數和微波吸收能力等特點。兩者的基本性能比較見表 2。 表 2 碳化硅及堇青石泡沫陶瓷材料的基本性能 a. 柴油機用泡沫陶瓷過濾器的過濾機理以慣性碰撞機制為主。 柴油機用泡沫陶瓷過濾器的過濾機理以慣性碰撞機制為主。 b．隨著流速的提高，微粒的慣性碰撞捕集效率逐漸降低。當流速達到一定值時，大微粒的捕集效率將迅速上升，而小 微粒的捕集效率繼續(xù)降低。 c. 微孔直徑越大，擴散捕集效率越低。 柴油機微粒排放的凈化技術及發(fā)展趨勢 16 材料 耐壓強度 / (kg/cm2) 熱膨脹系數 (1/℃ ) 導熱系數 / (W/m℃ ) 耐火度 / ℃ 化學成分 碳化硅 10～ 40 2～ 4 1600 SiCSiO2Al2O3 堇青石 10～ 20 ～ 1200 MgOAl2O3SiO2 編織陶瓷纖維 編織陶瓷纖維具有高度表面積化和良好的抗高溫能力，沒有固定尺寸的限制，為過濾體 內孔形狀和孔的分布提供了廣泛的選擇余地，可以通過改變各種設計參數使應用達到優(yōu)化。陶瓷纖維能適應催化劑使用的需要。由于編織陶瓷過濾體內纖維表面全是有效過濾面積，因此過濾效率高，可達 90％以上。但是由于陶瓷纖維是一種脆性材料，在編織和使用過程中較易損壞，生產工藝比較復雜。 金屬絲網 采用金屬絲網成本相對較低，且孔隙大小沿氣流方向可以任意組合，使捕獲的微粒在過濾體中沿過濾厚度方向分布均勻，增強了過濾效率及過濾時間；其次，金屬絲網的耐高溫及抗震性能好，使用壽命長；金屬絲網良好的導電性能，使其更容易捕集到帶 電微粒。但單純金 屬 絲網過濾體的捕集效率較低，為 20％～50％。根據國內王憲成、寧智等人的研究表明：利用金屬絲網良好的導電性，在過濾體上游加上電暈荷電裝置，使微粒荷電，帶電微粒在經過金屬絲網時由于靜電映像力的作用吸附在金屬絲網上，可以使組合金屬絲網的過濾效率達到50％～ 75％。 3. 再生 柴油機微粒捕捉器只能把微粒收集起來，它本身不能清除微粒。如果過濾體中收集的微粒不能及時清除，就會發(fā)生濾芯堵塞以致柴油機背壓急劇上升的現象，影響柴油機的換氣和燃燒，降低性能。因此，再生技術是柴油機微粒捕捉器實用化的 關鍵。 再生實際上就是利用熱能將沉積在過濾器內的微粒燒掉 。 國內外研究的再生方法主要有：強制再生、噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生、逆向噴氣再生和連續(xù)