柴油車排氣顆粒物的后處理技術(shù)研究

沈先明

合肥和安機械制造有限公司 安徽 合肥 231200

引言

近些年，為了落實環(huán)境保護的目標要求，我國針對排放法規(guī)也做出了進一步地完善，提出了更嚴格的要求。在當前柴油機的使用過程中，一個重點的內(nèi)容就是減少顆粒物的排放，如果僅僅依靠機內(nèi)凈化技術(shù)，難以實現(xiàn)這一目標，因此為了符合當前的排放法規(guī)的要求，就要通過后處理技術(shù)的科學應(yīng)用，有效地去除排氣顆粒物，從而實現(xiàn)對于柴油機的排放控制。

1 柴油機排氣顆粒物

DPM屬于較為復(fù)雜的聚合體，由流體與固體構(gòu)成。隨著氣缸內(nèi)部的燃燒，就會出現(xiàn)碳微粒，這也是DPM的最初形態(tài)，在實現(xiàn)對于燒結(jié)物的組成的過程中，也摻入了有機物、無機物等幾種物質(zhì)，共同組成了柴油廢氣。一般來說，在DPM中，涉及3種物質(zhì)成分，分別為固體物質(zhì)、可溶性有機組分、硫酸鹽物質(zhì)。首先對于固體物質(zhì)來說，也就是干碳微粒，常常也將其叫作黑煙，在整個聚集物之中，這一部分發(fā)揮著核心作用。其次，對于可溶性有機組分而言，就是在碳顆粒的表面上，存在重烴的凝結(jié)與吸附。按照不同的來源，可以將其進行兩個類型的劃分，分別為未燃燃料以及未燃潤滑油。最后，硫酸鹽物質(zhì)的產(chǎn)生源自于燃料中的硫成分的含量，這一部分也就是硫酸鹽水合物。由于差異性的發(fā)動機，就會形成不同的DPM組成，而在DPM之中，所混合的具體成分取決于發(fā)動機所具有的轉(zhuǎn)速以及負載。針對濕顆粒而言，其中的可溶性有機組分可能會達到60%，而在干顆粒中，主要的組成成分為干碳。在柴油中所包含的硫的含量會直接決定硫化物的含量，相比較普通的顆粒物，在DPM之中具有部分重金屬元素的吸附，而且還包含多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)，因此如果這些顆粒被人體吸入，那么就會威脅到人體的健康和安全。其中的多環(huán)芳烴作為一種常見的致癌物，在其中包含超過兩個的苯環(huán)碳氫化合物。隨著柴油機的廢氣產(chǎn)生，也分解了其中的多環(huán)芳烴成分，將其分成顆粒、氣體兩種形態(tài)，而且在DPM有機物中，夾帶著大部分的混合物，具有一定的有害性。

DPM具有種種危害性，不僅僅會影響環(huán)境，帶來異樣的氣味，一個最嚴重的問題就是能夠直接威脅到人的身體健康。在當前城市的發(fā)展過程中，面臨著嚴重的空氣污染問題，而其中一個最為關(guān)鍵的內(nèi)容就是顆粒排放。根據(jù)相關(guān)的衛(wèi)生研究證實，空氣中的顆粒污染直接使得人的各種疾病發(fā)病率的提升，在這其中，以柴油機所排放的顆粒物最為典型，在當前的顆粒污染問題中，一個主要的排放源頭就是柴油機。

2 柴油車排放顆粒物的后處理技術(shù)

2.1 顆粒捕集器

對于顆粒捕集器而言，這一項目內(nèi)容的研究經(jīng)歷了幾十年之久，主要原理就是在發(fā)動機排氣管之中，進行過濾器的設(shè)置，依靠其進行顆粒物的過濾。所選取的過濾材料載體的材質(zhì)有很多，比如說金屬、陶瓷、陶瓷纖維。在過濾器中進行顆粒物的捕集，之后在其中所收集到的顆粒物通過氧化燃燒，并實現(xiàn)捕集器再生。隨著研究的推進，提出了多種類型的顆粒捕集器，在其中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)計方式就是整體壁流式設(shè)計。在這一類型的過濾器中，以陶瓷材料作為過濾材料，一般都具有一定的特殊性，比如說堇青石，或者也可以應(yīng)用陶瓷纖維，具有連續(xù)式特點，在標準產(chǎn)品制作時，能夠滿足多種型號需要。

對于捕集器再生而言，從根本上來看，這一流程屬于氧化碳煙與捕集之間的動態(tài)平衡。在柴油機中所產(chǎn)生的顆粒物由多種物質(zhì)混合，具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。所以只有在溫度達到500℃以上，才能夠使得混合物發(fā)生燃燒。因此，針對這一燃燒溫度要求來看，依靠柴油機的正常排氣溫度是難以達到標準的。所以，為了滿足溫度要求，可以通過外加熱源的方式，實現(xiàn)排氣溫度的提高，也可以依靠催化劑，讓其能夠具有更低的氧化溫度。在這一過程中，一個重點需要關(guān)注的問題就是在顆粒物燃燒的過程中，隨著溫度的升高，可能會造成捕集器出現(xiàn)斷裂、融化等現(xiàn)象。所以，無論應(yīng)用哪種點火方式，都要以不會對于捕集器造成損壞為前提，這也是在進行顆粒捕集器研發(fā)過程中一個需要重點強調(diào)的內(nèi)容。捕集器再生方法較多，可以將其總結(jié)為兩大類型，分別為積極以及消極再生方法。

2.1.1 消極再生方法。對于這一方法而言，原理就是通過催化劑，使得碳煙燃點降低，其中以催化過濾器最為常見，隨著研究的深入，在此基礎(chǔ)上也推出了多種過濾器，比如說CRT過濾器、添加劑過濾器等。這種再生方法能夠?qū)崿F(xiàn)催化轉(zhuǎn)化和捕集器的一體化，不僅整個裝置具有較高的簡便性，而且無須額外的能量。因此，對于催化過濾器來說，屬于當前的一個備受關(guān)注的研究問題。催化過濾器其中增加了催化劑的設(shè)置，具體的再生原理就是通過捕集器表面的催化劑涂層，利用其中所具有的貴金屬的含量，實現(xiàn)對于顆粒物的催化分解，這樣就能使得過濾器再生溫度降低，下降幅度在大約100℃，這樣就能夠催化過濾器的再生。當前大部分催化過濾器的載體都采用了蜂窩陶瓷過濾器，以堇青石作為原料，也研發(fā)了具體的標準產(chǎn)品。在上方的催化劑涂層也具有多種配方，不僅可以應(yīng)用貴金屬，也可以選擇堿土金屬。通過陶瓷催化過濾器的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的DPM去除率，但是在這一過程中，相對來說也增加了壓力降。而連續(xù)再生過濾器針對顆粒物排放控制所起到的作用，也實現(xiàn)了商業(yè)化發(fā)展。這種過濾器就是在捕集器前進行氧化催化劑的增設(shè)，這樣就能夠通過氧化催化劑，實現(xiàn)對于所捕集的顆粒的氧化，從而達成連續(xù)再生目標。在這一過程中，為了確保其能夠處于良好的運行狀態(tài)，要進行脫硫燃油的使用。針對采用添加劑的過濾器來說，其中所添加的燃油有催化劑中，以鐵、銅、鉑等為主要類型。在當前的柴油轎車的過濾器中，以鈰這種添加劑最為常見。現(xiàn)階段，隨著各種實驗的開展，也對于各種材質(zhì)過濾器上添加劑的應(yīng)用所產(chǎn)生的再生效果，展開了進一步評價。

2.1.2 積極再生方法。對于這種再生方法而言，主要就是以電加熱系統(tǒng)、燃油燃燒器等設(shè)施，實現(xiàn)對于顆粒物的燃燒。相較于上文所提到的消極再生方法，這種積極方法具有較高的復(fù)雜性，在維修的過程中較為煩瑣，而且還會帶來額外的能源消耗。

電加熱再生。這種方法就是利用通電加熱，通過加熱DPF，這樣就能夠燃燒微粒。一般就是在過濾器中進行電熱絲的設(shè)置，通過電熱絲加熱實現(xiàn)這一再生過程。

燃燒器加熱再生。這種方式就是在過濾器中，一般是入口處的位置，進行燃燒器的增設(shè)，隨著二次空氣、柴油的噴入，這樣就能夠促進微粒的燃燒，從而達到再生的目的。在應(yīng)用這一方法的過程中，要進行額外的燃油提供，而且還對于燃燒器的溫度，做出了恒定要求。所以在其中要設(shè)置一套自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)對于燃料以及二次空氣供給的有效控制[1]。

微波再生。這一再生理念的提出時間較早，就是通過對于捕集器以及表面顆粒所具有的差異性的介電性能，隨著微波的輻射，不同的吸收以及能量轉(zhuǎn)化能力都會限制其加熱程度。通過對于微波所具有的選擇性加熱的特點的利用，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的集中，讓其重點放在煙碳加熱之上，這樣就能夠有效地減少能耗，同時還能夠讓整個捕集基質(zhì)材料會直接決定所實現(xiàn)的處理效果。如果對于微波來說，基質(zhì)材料屬于透明的，那么能夠?qū)崿F(xiàn)較為良好的顆粒物的加熱效果。如果所采用的材料對于微波具有吸收作用，那么就會造成顆粒物和捕集器共同加熱。

對于顆粒過濾器而言，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的顆粒物去除的效果，但是在中重型的柴油車排氣中，具有更高的適用性。這主要是由于當前的捕集器要想實現(xiàn)再生，溫度要超過300℃，因此只有中重型的柴油車，能夠符合這一排氣的溫度要求。

2.2 催化凈化器

直至今日，針對柴油機的顆粒物催化、凈化這一方面的很多技術(shù)，都實現(xiàn)了商業(yè)化的發(fā)展。具體功能就是依靠對于顆粒物中所具有的可溶性有機組分控制，實現(xiàn)對于顆粒物排放量的有效限制。隨著研究的深入，也促進了催化劑配方的優(yōu)化和完善，能夠?qū)崿F(xiàn)對于硫酸鹽顆粒物減少的效果[2]。

2.2.1 氧化催化劑。在20世紀的70年代，在柴油車上就有了氧化催化轉(zhuǎn)化器安裝的概念。通過氧化催化劑在柴油機中的應(yīng)用，就是為了實現(xiàn)對于顆粒物排放數(shù)量的控制，具體的原理等同于汽油機，一般采用整體蜂窩狀堇青作為載體，在最大程度上，確保廢氣和氧化劑能夠充分接觸。通過氧化催化劑，能夠?qū)τ谄渲兴哂械奶細浠衔?、一氧化碳、SOF，讓其獲得進一步氧化，從而變成水和二氧化碳。在柴油機上，雖然具有比較低的排氣溫度，增加了碳煙氧化的難度，但是通過氧化催化劑的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對于SOF之中所具有的大多數(shù)的碳氫化合物的轉(zhuǎn)化，這樣就能夠從整體上減少微粒排放，具有較為良好的顆粒物的去除效果。而且還能夠有效地降低氣相中部分氣體的排放量，讓柴油機在排氣的過程中，不再具有較為濃郁的臭味。對于這種方法而言，具有一定的缺陷。如果溫度大于催化劑的限定范圍的最大值，那么大概率會產(chǎn)生逆向反應(yīng)，從而造成二氧化硫的氧化，讓其變?yōu)槿趸颍诮?jīng)過和水的結(jié)合以后，就會產(chǎn)生硫酸。

2.2.2 四效催化劑。通過四效催化劑的運用，能夠?qū)τ诓裼蜋C排氣中所包含的顆粒物以及有害氣體成分一并去除，屬于一種較為理想的凈化方法，屬于在柴油機上所應(yīng)用的汽車三效催化劑的概念。但是從實際角度上來看，要想基于氧化氛圍之下實現(xiàn)還原，具有較大的難度，而且在具體的排氣過程中，氣體比例也會對于二者反應(yīng)，造成不良影響，所以依然有待繼續(xù)深入的研發(fā)[3]。

2.3 低溫等離子催化轉(zhuǎn)化法

對于污染控制工程來說，低溫等離子技術(shù)具有較為較廣泛的應(yīng)用，而在柴油機的廢氣控制方面，依然屬于一種新型方法，引發(fā)了很多研究人員的關(guān)注。通過低溫等離子技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對于顆粒的有效去除?，F(xiàn)階段，針對該項技術(shù)展開了相關(guān)的多項研究。如果具有較低的排氣濃度，隨著電暈放電，就會形成等離子體，在這一過程中，以氧化反應(yīng)作為主導，所以如果單一的采用等離子體技術(shù)，可能在具體的去除方面，無法實現(xiàn)相應(yīng)的效果。因此，為了有效解決這一問題，就進行了一體化系統(tǒng)的提出，通過該系統(tǒng)，對于等離子體來說，在面對催化劑時，具有更強的選擇性，也能夠?qū)崿F(xiàn)更高的去除率。在傳統(tǒng)的低溫等離子體的技術(shù)中心，主要的不足和缺陷就是要想實現(xiàn)DPM氧化，以氣相反應(yīng)作為重點，所以如果處于較低的能量條件之下，難以實現(xiàn)對于DPM的完全氧化以及氣體的有效去除。根據(jù)最新的研究結(jié)果證實，通過在NTP反應(yīng)器中，進行泡沫、陶瓷粒等填充材料的添加，也能夠有效地進行污染物質(zhì)的捕集和吸附。在這種狀態(tài)之下，就能夠?qū)τ诙嘞嗷瘜W反應(yīng)的實現(xiàn)，打造良好的條件，而且還能夠讓等離子體具有更長的停留時間，所以即便在較低的溫度條件之下，面對較小的能量，依然可以完全實現(xiàn)DPM的氧化，同時還能夠?qū)τ谄渲械募毼㈩w粒物實現(xiàn)有效去除[4]。這種方法所需要的反應(yīng)溫度比較低，所以對于這種技術(shù)來說，在輕型的柴油車的顆粒物去除中，具有較高的適用性。

3 結(jié)束語

綜上所述，當前隨著對于柴油機顆粒物凈化技術(shù)的研究，已經(jīng)取得了一定的技術(shù)成果，在現(xiàn)存的排氣處理方法之中，占據(jù)主導地位的是催化方法，在當前的研究工作中，熱點問題就是實現(xiàn)催化劑工作效率的提升，增加其使用壽命，促進新型的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)，加大推廣和應(yīng)用力度。