【文章內(nèi)容簡介】 已 經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了一些商品化的產(chǎn)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(nèi)在這方面與國外仍然有較大的差距。目前國內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng) 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(jì) 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(yīng)用的 Al203球粒載體，占據(jù)了催化器載體的主導(dǎo)市場。目前，世界上最大的兩個(gè)廠家 —— 美國康寧公司和日本的 NGK公司生產(chǎn)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(jié)構(gòu)及工作原理見圖2。 流入蜂窩陶瓷 入 口截面的排氣必須經(jīng)過內(nèi)部多孔薄壁到相鄰的通道流出。多孔薄壁為柴油機(jī)排氣顆粒過濾的基本作用單元，壁孔結(jié)構(gòu)的大小對(duì)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?？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(nèi)小孔的尺寸都在微米級(jí)，過濾效率可達(dá) 90％以上，且耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高 [7]。其主要缺點(diǎn)是過濾體的制造工藝復(fù)雜，目前國內(nèi)還不具備生產(chǎn)能力 。 蜂窩陶瓷材料具有各向異性的特點(diǎn)，其徑向膨脹系數(shù)是橫向膨脹系數(shù)的兩倍，且微粒都沉積在孔道內(nèi)，因此再生過程中受熱不均勻，易發(fā)生熱應(yīng)力損壞。另 外，微粒在蜂窩內(nèi)成板狀結(jié)構(gòu)，不利柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 15 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(nèi)浸漬成型，最后經(jīng)燒制而成的 。其內(nèi)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(gè)氣室通過窗口與多個(gè)鄰室相連，在過濾體內(nèi)形成許多曲折的通道 [10]。由于微粒直徑小于氣室直徑，當(dāng)排氣微粒流經(jīng)這些曲折通道時(shí)，由于氣流不斷改變方向，微粒由于慣性碰撞攔截、擴(kuò)散攔截和幾何攔截等多種作用而沉積于過濾體內(nèi)部。相關(guān)研究表明： a. 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過濾器的過濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)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(dāng)流速達(dá)到 一定值時(shí)，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(kuò)散捕集效率越低。 d．當(dāng)粒徑小于 μ m時(shí)，慣性捕集效率隨微粒粒徑的變化不大，當(dāng)粒徑大于 m時(shí)，慣性碰撞捕集效率隨微粒粒徑的增大而迅速上升。 負(fù)荷的增加將導(dǎo)致過濾效率的降低。 圖 2 壁流式蜂窩陶瓷過濾器的構(gòu)造 圖 3 泡沫陶瓷的微觀結(jié)構(gòu) 根據(jù)生產(chǎn)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(diǎn)是制造工藝相對(duì)簡單，且成本低，可以根據(jù)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(jié)構(gòu)，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(shí)熱應(yīng)力小，不易造成過濾體熱損壞。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度低，在排氣沖擊和機(jī)械振動(dòng)條件下易出現(xiàn)損壞 。 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(nèi)小孔的尺寸都在微米級(jí)，過濾效率可達(dá) 90％以上，且耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高 [7]。其主要缺點(diǎn)是過濾體的制造工藝復(fù)雜，目前國內(nèi)還不具備生產(chǎn)能力 泡沫陶瓷 a. 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過濾器的過濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)制為主。 柴油機(jī)用泡沫陶瓷過濾器的過濾機(jī)理以慣性碰撞機(jī)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(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，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(kuò)散捕集效率越低。 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 16 堇青石泡沫陶瓷和碳化硅泡沫陶瓷是目前應(yīng)用比較廣泛的過濾體材料。堇青石泡沫陶瓷材料價(jià)格便宜，原材料易于取得，且生產(chǎn)工藝簡單易行。碳化硅泡沫陶瓷具有孔隙率大，孔徑均勻，機(jī)械強(qiáng)度高，高溫性能好以及具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和微波吸收能力等特點(diǎn)。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 材料 耐壓強(qiáng)度 / (kg/cm2) 熱膨脹系數(shù) (1/℃ ) 導(dǎo)熱系數(shù) / (W/m℃ ) 耐火度 / ℃ 化學(xué)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(nèi)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(shè)計(jì)參數(shù)使應(yīng)用達(dá)到優(yōu)化。陶瓷纖維能適應(yīng)催化劑使用的需要。由于編織陶瓷過濾體內(nèi)纖維表面全是有效過濾面積，因此過濾效率高，可達(dá) 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(chǎn)工藝比較復(fù)雜。 金屬絲網(wǎng) 采用金屬絲網(wǎng)成本相對(duì)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(qiáng)了過濾效率及過濾時(shí)間；其次，金屬絲網(wǎng)的耐高溫及抗震性能好，使用壽命長；金屬絲網(wǎng)良好的導(dǎo)電性能，使其更容易捕集到帶電微粒。但單純金 屬 絲網(wǎng)過濾體的捕集效率較低，為 20％～50％。根據(jù)國內(nèi)王憲成、寧智等人的研究表明：利用金屬絲網(wǎng)良好的導(dǎo)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(jīng)過金屬絲網(wǎng)時(shí)由于靜電映像力的作用吸附在金屬絲網(wǎng)上， 可以使組合金屬絲網(wǎng)的過濾效率達(dá)到50％～ 75％。 3. 再生 柴油機(jī)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(shí)清除，就會(huì)發(fā)生濾芯堵塞以致柴油機(jī)背壓急劇上升的現(xiàn)象，影響柴油機(jī)的換氣和燃燒，降低性能。因此，再生技術(shù)是柴油機(jī)微粒捕捉器實(shí)用化的關(guān)鍵。 再生實(shí)際上就是利用熱能將沉積在過濾器內(nèi)的微粒燒掉 。 國內(nèi)外研究的再生方法主要有：強(qiáng)制再生、噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生、柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 17 逆向噴氣再生和連續(xù)再生以及燃油添加劑輔助再生等。這些再生方法可以分為 3類，前 4 種為加熱再生，逆 向噴氣再生屬低溫反清潔再生，后兩種屬催化再生 [9]。 強(qiáng)制再生是出現(xiàn)較早的再生技術(shù)，它是在柴油機(jī)大負(fù)荷的情況下，強(qiáng)制性地對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣或排氣節(jié)流，從而提高排氣溫度，使過濾體得到再生。強(qiáng)制再生難以在公交車等經(jīng)常長時(shí)間低速行駛的車輛上使用。 噴油助燃再生技術(shù)發(fā)展得較早，因此相對(duì)也比較成熟。該再生技術(shù)是通過一套專門的系統(tǒng)，適時(shí)地向過濾體上游空間噴人一定量的燃油和供給一定的空氣，由點(diǎn)火系統(tǒng)將噴入的燃油點(diǎn)燃，使過濾體的溫度上升，微粒著火燃燒，以實(shí)現(xiàn)過濾體的再生。噴油助燃再生系統(tǒng)可分為三種形式，即旁通 式、部分旁通式及全流式。在旁通式中，柴油機(jī)廢氣在再生過程中從旁通通道排入大氣，因此再生過程可以不受排氣流動(dòng)的影響，可在柴油機(jī)任何工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾體的再生。旁通式再生系統(tǒng)比較簡單，并且易于控制。 但研究發(fā)現(xiàn)，在噴油助燃再生中，一定的氣流速度是保證安全可靠再生的重要因素。而單純依靠車用壓縮空氣提供所需的空氣流動(dòng)速度難以辦到，且能耗也很高。 為此，美國通用汽車公司開發(fā)了一種部分旁通式再生系統(tǒng)，即利用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣泵提供部分新鮮空氣，再利用部分廢氣來滿足流動(dòng)要求和氧氣供給。但這種方法需要一個(gè)比較復(fù)雜的廢氣流動(dòng)控制裝置， 它應(yīng)能保證在任何工況下再生時(shí)，流過過濾體的氣流速度滿足安全再生的要求。所謂全流式系統(tǒng)，是指過濾器再生時(shí)，排氣全部流經(jīng)過濾器，這種系統(tǒng)比較簡單，但對(duì)燃燒裝置的功率要求比較高，并且再生過程比較難以控制。 電加熱再生技術(shù)與噴油助燃再生技術(shù)相類似，只不過以電能代替噴油燃燒熱能加熱空氣或廢氣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過濾體的再生。這種再生技術(shù)對(duì)電功率要求比較高，一般需要 ～ 3 kW， 為了有效地利用電能，一般都采用廢氣旁通裝置。 因此這種再生技術(shù)系統(tǒng)比較簡單，可控性好，并且在柴油機(jī)任何工況下都能對(duì)過濾體進(jìn)行可靠的再生。盡管電 加熱再生技術(shù)具有一定的優(yōu)點(diǎn)， 但由于是表面加熱，電熱絲的能耗效率低， 而且一般陶瓷過濾體的導(dǎo)熱性很差，不利于火焰的傳播，所以再生效率不高。 這種表面加熱方式極易造成加熱的不均勻性，因此會(huì)造成過濾體的再生不均或因局部過熱而引起燒熔或炸裂 ，并且電加熱再生對(duì)車用電源的要求很高，這些都是在實(shí)用過程中需要解決的問題。 微波加熱再生是利用微波能獨(dú)有的選擇加熱及體積加熱特性，在過濾體內(nèi)部形成空間分布的熱源，對(duì)沉積在過濾體上的碳煙顆粒進(jìn)行加熱，使碳煙顆粒原位加熱、著火、燃燒，從而實(shí)現(xiàn)過濾體再生。微波加熱是指在 300MHz～ 300GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)物體進(jìn)行加熱，它不同于一般的加熱方式，是材料在電磁場中由介質(zhì)損耗而引起的體加熱。其能量是通過空間或媒質(zhì)以電磁波形式傳遞，加熱過程與物柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 18 質(zhì)內(nèi)部分子的極化密切相關(guān)。微波加熱再生的關(guān)鍵技術(shù)在于如何在諧振腔內(nèi)激勵(lì)盡可能多的模式及控制腔內(nèi)碳煙顆粒的燃燒溫度，防止過濾體因溫度過高而損壞。另外，微波對(duì)于不同的過濾體材質(zhì)有不同的微波加熱及再生特性，應(yīng)該根據(jù)過濾體的材料性質(zhì)合理選取加熱功率，并設(shè)計(jì)合適的再生系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 逆向噴氣再生是利用壓縮空氣反向清潔過濾體，然后收集從過濾體中吹出 來的微粒，集中進(jìn)行處理。該技術(shù)需要較大量的壓縮空氣，精心設(shè)計(jì)氣路，并解決微粒的二次燃燒。這種再生技術(shù)最大的特點(diǎn)是能將過濾體與微粒燃燒分開，因此該系統(tǒng)不存在過濾體由于微粒燃燒發(fā)熱而產(chǎn)生爆裂或燒熔的問題，另外也解決了不燃物質(zhì)在過濾體內(nèi)累積的問題。但由于需要每 5min左右再生一次，因此高壓空氣的消耗是一個(gè)大問題。用于逆向噴氣再生的高壓空氣源同時(shí)用于空氣制動(dòng)系統(tǒng)，在柴油機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，空氣的供給難以同時(shí)滿足制動(dòng)和逆向噴氣再生的要求，這都是該技術(shù)實(shí)用化必須解決的問題。 連續(xù)再生和燃油添加劑再生都是利用催化劑 降低微粒的氧化活化能，使微粒能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行再生。其中連續(xù)再生是利用催化劑將排氣中的 NO轉(zhuǎn)化為強(qiáng)氧化性的 NO2， NO2能在正常的排氣溫度下與微粒發(fā)生氧化反應(yīng)，使過濾體得到再生。連續(xù)再生要求柴油機(jī)的含硫量在 50X106(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )以下。燃油添加劑再生是利用某些金屬氧化物降低微粒的著火溫度 (約 380℃ )，使其在柴油機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)氧化燃燒。由于柴油機(jī)的熱效率不斷提高，現(xiàn)代柴油機(jī)的排氣溫度很低，使燃油添加劑的應(yīng)用受到挑戰(zhàn)。 4. 廣州新力研究成功柴油機(jī)微粒捕捉器 廣州新力金屬有限公司新近研制成功 了柴油機(jī)尾氣微粒捕捉器，吸引了國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的注意。該產(chǎn)品問世引起了國內(nèi)有關(guān)汽車生產(chǎn)廠家和環(huán)保部門的重視。作為國內(nèi)自行開發(fā)研制的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理新產(chǎn)品，該公司已申請(qǐng)了國家專利。 廣州新力金屬有限公司董事長張冶先生說，新力金屬有限公司長期致力于汽車零配件的研究和生產(chǎn)，原來主要生產(chǎn)用于汽車摩擦材料的各種鋼棉、銅棉，產(chǎn)品主要供應(yīng)國外各大汽車生產(chǎn)商。從 2021 年開始，新力公司自行投資，利用先進(jìn)的金屬纖維氈研制適合國內(nèi)柴油機(jī)使用的微粒捕捉器。經(jīng)過近兩年的探索，開發(fā)出一套適應(yīng)中國國情的微粒捕捉器實(shí)施技術(shù)方案 。該產(chǎn)品的基本原理是，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的含有碳粒的黑煙，通過專門的管道進(jìn)入柴油機(jī)尾氣微粒捕捉器，在其內(nèi)部經(jīng)過密密擺放的過濾網(wǎng)，將碳煙微粒吸附在過濾網(wǎng)上，當(dāng)微粒的吸附量達(dá)到一定程度后，尾端的燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火燃燒，將吸附在上面的碳煙微粒燒掉，柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 19 變成對(duì)人體無害的二氧化碳排出。整套裝置設(shè)計(jì)為雙室結(jié)構(gòu)，過濾與再生分區(qū)進(jìn)行，使得過濾與再生互不干擾，無論發(fā)動(dòng)機(jī)處在何種工況下系統(tǒng)都能自動(dòng)工作。產(chǎn)品經(jīng)過檢測， 90％以上的碳煙微?？梢员贿^濾掉。 據(jù)了解，新力公司的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣微粒捕捉器體積與普通的消聲器相近，采用裝配式結(jié)構(gòu) ，安裝與維修都較為簡便。特別適合中國國內(nèi)的城市車輛，特別是城市公交車輛的改造和改裝。并且，在安裝柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣微粒捕捉器后，還能附帶降低柴油機(jī)的排氣噪聲。 柴油機(jī)微粒排放的凈化技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 20 結(jié)論 柴油車排氣污染在城市大氣污染中的比重逐漸增加，隨著人們對(duì)環(huán)境問題的重視，排放法規(guī)的限制也日趨嚴(yán)格。明確顆粒排放物的來源并有針對(duì)性地采取控制是滿足未來排放法規(guī)的需要。因此，建立顆粒