顆粒物在多孔介質(zhì)內(nèi)部沉積以及脫附的研究進(jìn)展

方 嘉，石 榕，杜雨恒，蔣 淵，秦 源，李鑒松，孟忠偉

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院， 四川 成都 610039)

目前，中國(guó)大氣污染嚴(yán)重，空氣中可吸入顆粒物(Particulate Matter 2.5, PM2.5)含量超標(biāo)。PM2.5可以進(jìn)入支氣管、肺泡甚至血液，對(duì)人體自身的呼吸免疫功能、呼吸道、心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等造成嚴(yán)重危害，從而對(duì)人體的健康傷害極大[1-2]。汽車(chē)排放已成為城市中PM2.5的首要來(lái)源。相對(duì)于汽油車(chē)，柴油機(jī)微粒排放尤為突出，微粒質(zhì)量是汽油機(jī)的30～80倍[3-4]。同時(shí)，霧霾氣候已成為民生關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一，社會(huì)各界均在采取積極措施以降低PM2.5的排放。顆粒捕集器是一種廣泛應(yīng)用于大氣污染控制和空氣凈化的設(shè)備，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。 柴油機(jī)微粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)可用于控制顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量(Particulate Number,PN)。歐洲已從2013年開(kāi)始全面實(shí)施歐5b排放法規(guī)，中國(guó)已在2015年1月全面實(shí)施柴油車(chē)國(guó)4排放法規(guī)，且北京已于2016年開(kāi)始實(shí)施國(guó)5排放法規(guī)(與歐5法規(guī)相當(dāng))，強(qiáng)制要求新增重型柴油車(chē)加裝壁流式DPF[5]。

纖維氈和陶瓷片是兩個(gè)常見(jiàn)的對(duì)顆粒物進(jìn)行過(guò)濾捕集的過(guò)濾介質(zhì)，可通過(guò)一定的再生方式實(shí)現(xiàn)過(guò)濾/捕集器的連續(xù)工作。纖維氈和陶瓷片的基本組成單元分別是單根纖維或者單根陶瓷骨架。捕集機(jī)理包括攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)。過(guò)濾過(guò)程一般分為表面過(guò)濾和顆粒層過(guò)濾。在表面過(guò)濾階段，顆粒物主要在纖維氈/陶瓷片迎風(fēng)面上沉積形成顆粒層，接著顆粒層過(guò)濾來(lái)流顆粒。雖然纖維過(guò)濾器/DPF過(guò)濾主要在顆粒層過(guò)濾階段進(jìn)行，但它以表面過(guò)濾為基礎(chǔ)，表面過(guò)濾形成的顆粒層堆積體的數(shù)量和結(jié)構(gòu)形貌對(duì)纖維過(guò)濾器/DPF內(nèi)部流場(chǎng)和壓降具有顯著的影響。同時(shí)，DPF熱再生時(shí)的顆粒排放嚴(yán)重超標(biāo)，成為了迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)：與非再生時(shí)相比，再生時(shí)DPF出口的PN值將增加2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[6-9]，達(dá)到4×1012個(gè)/km, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)歐5b的PN極限(6×1011個(gè)/km)[5]。分析其原因是：DPF熱再生時(shí)會(huì)造成其內(nèi)部沉積顆粒層的氧化燃燒，使得處于穩(wěn)定堆積態(tài)的顆粒層發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)生二次顆粒，可見(jiàn)顆粒物在多孔介質(zhì)表面的沉積、脫附特性對(duì)顆粒的二次排放具有重要影響。本文將對(duì)顆粒物在多孔介質(zhì)表面沉積、脫附過(guò)程，以及此過(guò)程對(duì)過(guò)濾性能的影響展開(kāi)綜述。

1 對(duì)顆粒物在多孔介質(zhì)表面沉積脫附的宏觀研究

目前，對(duì)捕集器過(guò)濾特性的宏觀研究主要包括對(duì)捕集效率的研究和捕集壓降的研究?jī)蓚€(gè)方面。

1.1 對(duì)捕集效率的研究

捕集效率是評(píng)價(jià)捕集器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響顆粒物的排放。目前，研究人員主要研究了不同微粒特性，不同過(guò)濾介質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)特性，以及不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)過(guò)濾效率的影響[10-35]。閆妍等[11]研究發(fā)現(xiàn)：3種PPS濾布的過(guò)濾效率分別為78.80%、75.96%和83.76%，過(guò)濾效率均高于金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷過(guò)濾體的過(guò)濾效率。表面涂覆聚四氟乙烯的PPS濾布深床期后，過(guò)濾效率接近100%。吳曉東等[12]對(duì)比了蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維氈、泡沫合金、金屬絲網(wǎng)、金屬纖維氈以及復(fù)合材料對(duì)過(guò)濾效率的影響。譚丕強(qiáng)等[13]研究了過(guò)濾體的孔密度、壁厚、直徑和長(zhǎng)度等宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同粒徑微粒的過(guò)濾效率。資新運(yùn)等[14]研究了流速、微粒大小以及孔參數(shù)對(duì)泡沫陶瓷過(guò)濾體微粒過(guò)濾效率的影響。壁流式蜂窩陶瓷DPF在其內(nèi)部形成顆粒層后(顆粒層過(guò)濾階段)具有較高的過(guò)濾效率，基本都能達(dá)到95%以上(質(zhì)量比)，且受上述因素的影響較小[10，31]，說(shuō)明壁流式蜂窩陶瓷DPF具有優(yōu)異的過(guò)濾性能，能滿(mǎn)足目前需求。因此，如何降低捕集壓降成為了主要的研究目的。

1.2 對(duì)捕集壓降的研究

捕集壓降是評(píng)價(jià)捕集器性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出和燃料消耗。目前，研究人員主要研究了不同的捕集器幾何參數(shù)、不同的捕集器孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)對(duì)過(guò)濾壓降的影響[15-16，18-25，32，35]。蒲云飛等[15]研究了結(jié)構(gòu)體參數(shù)對(duì)壓降特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨過(guò)濾體長(zhǎng)度增加，過(guò)濾壓降逐漸減小，初始過(guò)濾效率先緩慢增加，后急劇下降，增加過(guò)濾體孔隙率有利于降低過(guò)濾體初始?jí)航岛蛪航翟鲩L(zhǎng)率。姚廣濤等[16]研究了柴油機(jī)不同流量、溫度及DPF加載水平對(duì)壓降特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)壓降隨溫度升高成線性增長(zhǎng)，隨流量增加成二次方增長(zhǎng)，隨碳煙加載量的增加而增長(zhǎng)的趨勢(shì)是曲線斜率先大、后小、再增大。Choi等[18]測(cè)量了微粒層的捕集，并建立了柴油機(jī)捕集器壓力損失數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾體的直徑和長(zhǎng)度增加可降低壓降，過(guò)濾體壁厚增加，提高排氣溫度、流量以及擔(dān)載量的增加都會(huì)導(dǎo)致壓降增加。朱亞永等[19]研究非對(duì)稱(chēng)孔結(jié)構(gòu)、灰分沉積量以及分布形式對(duì)DPF壓降和微粒沉積特性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著DPF排氣流量、進(jìn)口溫度、微粒沉積量和灰分沉積量的增加,DPF的壓降增大,且DPF壓降變化與進(jìn)口溫度呈非線性關(guān)系。杜家益等[20]研究了進(jìn)氣流量、進(jìn)氣溫度、過(guò)濾體長(zhǎng)度、孔密度和壁厚對(duì)不同階段過(guò)濾壓降的影響。研究結(jié)果表明: DPF捕集過(guò)程分為深床捕集和濾餅捕集,兩者對(duì)壓降特性影響各異;當(dāng)增大進(jìn)氣流量時(shí)過(guò)濾壓降大幅上升,但縮短了捕集進(jìn)程;過(guò)濾壓降隨進(jìn)氣溫度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。張俊超等[22]模擬DPF捕集過(guò)程，研究進(jìn)氣流量、進(jìn)氣溫度、過(guò)濾壁厚度和孔密度對(duì)捕集過(guò)程的影響規(guī)律，結(jié)果表明，減小進(jìn)氣流量能改善氣體流動(dòng),并且能提升DPF捕集性能和流阻性能;降低進(jìn)氣溫度能改善氣體流動(dòng)和流阻性能。朱亞永等[23]還針對(duì)不同排氣流量、進(jìn)口溫度、孔密度、碳煙和灰分沉積量，對(duì)六邊形孔道及四邊形孔道DPF壓降特性和碳煙再生特性進(jìn)行分析，并研究灰分分布形式對(duì)不同孔道形狀DPF的影響，發(fā)現(xiàn)排氣質(zhì)量流量越大,進(jìn)口溫度越高,不同孔道結(jié)構(gòu)的壓降敏感性增大;與傳統(tǒng)四邊形孔道DPF相比,當(dāng)碳煙沉積量較低時(shí),六邊形孔道DPF壓降損失較高。以上研究結(jié)果表明，通過(guò)增加捕集器孔隙率或過(guò)濾體長(zhǎng)度或直徑，降低排氣溫度和流量能降低過(guò)濾壓降，為優(yōu)化捕集器的捕集過(guò)程奠定了研究基礎(chǔ)。

2 對(duì)顆粒物在多孔介質(zhì)表面沉積脫附的微觀研究

目前，對(duì)顆粒物在多孔介質(zhì)表面沉積脫附的微觀研究主要包括顆粒物在單根、雙根骨架以及捕集片上的沉積、脫附研究。

2.1 顆粒物在單根骨架上的沉積以及脫附研究

在單根陶瓷骨架過(guò)濾顆粒物的過(guò)程中，顆粒物會(huì)不斷在骨架上堆積，形成類(lèi)似葡萄串的“顆粒樹(shù)”，這時(shí)會(huì)形成顆粒捕集顆粒的現(xiàn)象，捕集效率和捕集阻力都將隨“顆粒樹(shù)”結(jié)構(gòu)的變化而變化。因此，對(duì)“顆粒樹(shù)”結(jié)構(gòu)的形成、變化機(jī)理及其對(duì)過(guò)濾效率影響的研究顯得格外重要。顆粒在單纖維上沉積的形貌研究從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，Tien等[36]通過(guò)照片觀察了顆粒在單纖維上沉積成為“樹(shù)枝”形貌，并建立物理模型。Oak等[37]利用掃描電鏡觀察了置于外電場(chǎng)內(nèi)并與之垂直的纖維，發(fā)現(xiàn)顆粒在纖維上沉積的最終形貌成輻射狀沉積。Kanaoka等[38]通過(guò)照相的方法獲得了納米顆粒在纖維上的沉積形貌。Mullins等[39]開(kāi)始利用顯微鏡實(shí)時(shí)觀測(cè)顆粒在濾料上水珠中的捕捉及脫附過(guò)程。這些研究主要針對(duì)纖維在靜電場(chǎng)內(nèi)顆粒的最終形貌，并沒(méi)有顆粒物在單根纖維骨架表面的沉積過(guò)程。同時(shí)，研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬顆粒物在單纖維表面的沉積過(guò)程。錢(qián)付平等[40]基于網(wǎng)格凍結(jié)法對(duì)單纖維非穩(wěn)態(tài)捕集進(jìn)行了研究，得到了不同沉積形態(tài)的單纖維過(guò)濾介質(zhì)的捕集效率，但是模型相對(duì)簡(jiǎn)單，不能準(zhǔn)確描述顆粒沉積形態(tài)對(duì)捕集效率的影響。朱輝等[41]通過(guò)Kuwabara流場(chǎng)模擬獲得了單纖維非穩(wěn)態(tài)捕集情況，發(fā)現(xiàn)粉塵顆粒在單纖維表面的沉積形態(tài)與分布特征與Stokes數(shù)、粉塵顆粒粒徑分布和纖維扭曲程度有關(guān)，不過(guò)圖片處理過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)顆粒丟失現(xiàn)象。Dawar等[42-43]和Fang等[44]開(kāi)始利用顯微鏡實(shí)時(shí)觀測(cè)液滴在纖維表面的運(yùn)動(dòng)以及脫附過(guò)程(如圖1所示)，發(fā)現(xiàn)能使液滴從纖維上脫附的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。Riefler等[45]研究了粒子濾波在光纖濾波器中的應(yīng)用，采用網(wǎng)格變形過(guò)程模擬了纖維過(guò)濾器內(nèi)的顆粒沉積，從而確定過(guò)濾介質(zhì)中的局部粒子聚類(lèi)和部分過(guò)濾堵塞的情況。黃斌[46]在顯微鏡下觀察了微米顆粒(飛灰和陶瓷顆粒)在單纖維上的動(dòng)態(tài)沉積過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了顆粒樹(shù)的形成、倒伏以及斷裂現(xiàn)象(如圖2所示)，不過(guò)尚未涉及柴油機(jī)顆粒樹(shù)在單根骨架上的沉積脫附過(guò)程，而且柴油機(jī)顆粒物直徑更小，觀察難度更大。

t=3.2 s t=4.1 s t=4.9 s

圖2 顆粒物在單纖維上斷裂、分叉、倒伏現(xiàn)象[46]

2.2 顆粒物在雙根骨架上的沉積以及脫附的研究

Wilson等[47]利用電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡研究了液滴在0.1～1 μm直徑范圍纖維上的沉積，發(fā)現(xiàn)了臨近的細(xì)纖維表面沉積量可能很大，而且同一根纖維上某一段有沉積而臨近一段則完全沒(méi)有，相近的不同直徑的纖維沉積量完全不同。Davoudi等[48]研究了液滴在交叉纖維上的脫附規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了能使液滴從交叉點(diǎn)上脫附的最小曳力(如圖3所示)。目前尚未涉及柴油機(jī)顆粒樹(shù)在雙根骨架上的沉積脫附過(guò)程，而且柴油機(jī)顆粒物直徑更小，觀察難度更大。

2.3 顆粒物在單層陶瓷片上的沉積以及脫附的研究

顆粒層結(jié)構(gòu)是決定捕集壓降和效率的基礎(chǔ)，也是捕集技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化以及功能拓展的基礎(chǔ)，但由于顆粒層具有尺度薄(一般小于1 mm)、顆粒層結(jié)構(gòu)松散、不夠穩(wěn)定等特點(diǎn)，加上顆粒層結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述等較為困難，這方面的研究一直沒(méi)有很好的進(jìn)展。張成鋒[49]采用固化法對(duì)顆粒層進(jìn)行加固然后采用掃描電鏡以及圖像分析等方法獲得了顆粒層沿高度孔隙率的變化曲線，但是此方法周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)工作量大。黃斌[46]采用了丙綸濾料對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行捕集，發(fā)現(xiàn)了捕集壓降的變化規(guī)律，并將沉積過(guò)程分為3個(gè)階段，不過(guò)研究尚未涉及顆粒層的宏觀物理特征(堆積密度、孔隙率、滲透系數(shù)等)，也未涉及對(duì)柴油機(jī)顆粒層微觀結(jié)構(gòu)特性的研究。孟忠偉等[10]和Choi等[18]采用激光位移傳感器，在線測(cè)量了柴油機(jī)顆粒層高度在沉積過(guò)程中的變化規(guī)律，將顆粒的沉積過(guò)程分為4個(gè)階段，分別是深孔過(guò)濾、深孔過(guò)濾末期、過(guò)渡過(guò)濾期、顆粒層過(guò)濾期(如圖4所示)，并計(jì)算了顆粒層宏觀物理特征(滲透率和孔隙率)。盡管該研究關(guān)注了顆粒層的沉積過(guò)程，尚未涉及顆粒層微觀結(jié)構(gòu)特征(沉積模式、微觀組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等)。

許多解釋系統(tǒng)都強(qiáng)調(diào)將指代(anaphora)、時(shí)態(tài)和許多其它表達(dá)與行動(dòng)相組合，主要的程序就是會(huì)話表達(dá)理論。

圖3 液滴在3種情況下離開(kāi)交叉口的途徑[48]

圖4 碳黑顆粒在單層陶瓷片上的沉積過(guò)程[18]

2.4 顆粒物在雙層陶瓷片上(灰沉積在單層陶瓷片上)的沉積以及脫附的研究

為保障DPF的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，灰在其內(nèi)部沉積問(wèn)題也是迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。DPF經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期連續(xù)的捕集和再生循環(huán)后，其內(nèi)部將逐漸沉積顆粒灰(Ash),直接影響DPF內(nèi)部的微粒沉積和過(guò)濾壓降[50-52]。前期研究聚焦于優(yōu)化載體的幾何結(jié)構(gòu)，提高灰在載體內(nèi)部的儲(chǔ)存能力，避免載體壓降的增加[53-54]。此后開(kāi)發(fā)了雙層過(guò)濾技術(shù)，在載體壁面涂覆了一層致密介質(zhì)后縮短了深床期過(guò)濾時(shí)間，能達(dá)到同時(shí)降低過(guò)濾壓降和提高過(guò)濾效率的效果[31，55-56]。侯獻(xiàn)軍等[57]研究了DPF再生過(guò)程中灰分的生成機(jī)理，以及初始灰分層在DPF進(jìn)口通道的沉積位置和沉積形狀對(duì)再生性能的影響。結(jié)果表明,灰分沉積在進(jìn)口通道堵頭會(huì)減小DPF有效過(guò)濾長(zhǎng)度,增大再生過(guò)程的溫度,減小再生過(guò)程的壓降。此外也有研究表明：在潔凈的DPF載體壁面沉積一層顆?；液螅軐?shí)現(xiàn)與上述致密介質(zhì)類(lèi)似的功能[54，58]，說(shuō)明灰的沉積與壁面多孔介質(zhì)之間的匹配關(guān)系至關(guān)重要，若匹配合理，則可實(shí)現(xiàn)DPF過(guò)濾性能(壓降、效率)的全面提高，而非此消彼長(zhǎng)的變化關(guān)系。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了雙層捕集壁面還可以改善載體的再生過(guò)程(如圖5所示)，使得再生時(shí)載體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布趨于均勻，并能降低最高再生溫度，提高耐熱性[58]。

圖5 碳黑顆粒在不同灰沉積下的沉積過(guò)程

3 未來(lái)研究的方向

本文綜述了顆粒樹(shù)在單根、雙根陶瓷骨架上(平行、交叉骨架)和單層陶瓷片上的沉積以及脫附規(guī)律，總結(jié)了單層陶瓷片上灰沉積特性與顆粒物沉積以及脫附特性的相互影響規(guī)律，顆粒層特征對(duì)過(guò)濾性能的影響規(guī)律，以及對(duì)過(guò)濾性能影響程度的順序?，F(xiàn)有對(duì)捕集器宏觀過(guò)濾性能的研究包括過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(幾何結(jié)構(gòu)、厚度、孔隙率、孔徑、過(guò)濾體長(zhǎng)度等)和運(yùn)行參數(shù)(排氣溫度和排氣流量)對(duì)捕集器過(guò)濾特性的影響。目前，對(duì)捕集器微觀捕集以及脫附性能、對(duì)柴油機(jī)顆粒物在多孔介質(zhì)表面的沉積以及脫附過(guò)程的研究并未涉及，因此這個(gè)可能是未來(lái)一個(gè)重要的研究方向。這方面的成果可以為過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化以及對(duì)過(guò)濾性能的預(yù)測(cè)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，也為再生時(shí)顆粒物的穿透特性提供理論支持。