新聞主題	DPF對柴油發(fā)電機顆粒物的捕集效果分析

 

摘要：DPF（顆粒物捕捉器）作為柴油發(fā)電機尾氣后處理技術(shù)的關(guān)鍵部分，國內(nèi)外學(xué)者對其一直有大量研究?？得魉构驹诒疚闹薪榻B了在1500RPM且柴油發(fā)電機組在75%負荷下DPF對不同粒徑的PM捕集效果，研究結(jié)果表明，隨著試驗時間的延長，DPF對柴油發(fā)電機PM的捕集率有所提高，且DPF對大粒徑聚集態(tài)顆粒物的捕集率要高于對核態(tài)顆粒物的捕集率。

一、顆粒物及其形成過程

 

1、顆粒物組成

      顆粒物是固態(tài)碳煙、可溶性有機物和硫酸鹽混合而成的有機組分，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。碳煙是燃料未完全燃燒產(chǎn)生的，通常發(fā)生在高溫下沒有足夠氧氣濃度的富油區(qū)，最初形成的碳煙晶核尺寸在0.005μm～0.05μm之間，碳核在高溫高壓下聚合，尺寸不斷增大，最終形成的顆粒物尺寸大部分集中在0.05μm～1μm之間，這個尺寸區(qū)間的顆粒很容易被人類吸入并沉積在支氣管和呼吸道深部肺泡中，對人體健康存在極大的威脅。近50%的顆粒物是由碳煙組成的，硫酸鹽和烴類在碳煙表面上吸附聚集形成柴油機顆粒。可溶性有機組分可以采用索氏提取法或超聲提取法從顆粒物中分離出來。由于顆粒物是極性和非極性成分的混合物，所以完全萃取需要不同的萃取劑，常用的萃取劑有二氯甲烷、苯-乙醇混合物等。研究表明：顆粒中的可溶性組分主要由醛、酚、烷烴、烯烴、脂肪烴、多環(huán)芳烴及其衍生物組成，在高負荷工況下會出現(xiàn)部分燃油添加劑和未燃燒充分的燃油。

2、顆粒物形成過程

      液相烴轉(zhuǎn)化為碳煙并最終形成柴油機顆粒物的過程主要有熱解、成核、表面生長、集聚與凝結(jié)、氧化等階段，成長過程如圖2所示。碳煙形成過程取決于壓力、溫度、噴射參數(shù)和燃料結(jié)構(gòu)等條件，其生成和氧化速率主要與溫度和壓力有關(guān)。

（1）熱解

      熱解是指在缺氧或者無氧條件下，通過高溫使有機物發(fā)生裂解的過程，熱解反應(yīng)主要取決于溫度和濃度，通常是吸熱的。由于燃料與空氣的混合時間較短，導(dǎo)致混合不均勻，在高溫缺氧的情況下燃料熱解形成碳煙前驅(qū)體，其熱解和氧化速率取決于火焰類型。預(yù)混火焰中氧含量較高，產(chǎn)生的碳煙較少，而擴散火焰中氧含量較低，產(chǎn)生的碳煙較多，氧化速率則隨溫度的升高而增大，因此碳煙的形成主要取決于溫度和氧濃度。Haynes BS等人的研究表明：層流擴散火焰中的熱解產(chǎn)物主要是C?H?、C?H4、CH4、C3H6和C6H6等。O?、O和OH自由基的存在會加速熱解，如果燃料中有足夠的O和OH自由基，乙炔很容易被氧化形成惰性產(chǎn)物。

（2）成核

      成核是氣相熱解產(chǎn)物形成顆粒的過程。燃料熱解生成的各種不飽和烴類通過脫氫形成碳粒子，并逐漸聚合成長鏈和環(huán)芳烴，形成初始直徑約在1.5 nm~? nm之間的碳煙晶核。初始晶核對碳煙總質(zhì)量的貢獻較小，但能夠為表面生長提供活性位點，因此對后期的質(zhì)量增長影響較大。通過對比不同條件下擴散火焰中開始形成碳核時的臨界氣動變形率，認為向燃料中添加空氣可在相當(dāng)寬的濃度范圍內(nèi)對碳煙的成核起遏制作用，能夠減少碳煙的生成，即部分預(yù)燃具有遏制擴散燃燒中碳煙成核的作用。

（3）表面生長

      表面生長是碳煙質(zhì)量增加的關(guān)鍵因素，顆粒物尺寸的增加主要發(fā)生在表面生長過程中。氣相烴（主要是乙炔）在晶核表面沉積導(dǎo)致碳煙質(zhì)量增加，而顆粒數(shù)量保持不變。碳氫化合物的濃度低于碳煙生成臨界濃度的情況下，這一過程會持續(xù)進行。表面生長過程中碳煙生成速率取決于成核數(shù)量，這一過程通常發(fā)生在成核之后的幾個ps到0.05 ms之間，因此該過程的停留時間對碳煙質(zhì)量和體積分?jǐn)?shù)有很大的影響。由于小顆粒的活性自由基較多，因此顆粒尺寸越大，表面生長速率越低。目前解釋碳煙表面生長的主要機理有氫吸取乙炔加成（HACA）機理和碳加成氫轉(zhuǎn)移（CAHM）機理，依據(jù)HACA機理建立和改進了描述碳煙表面生長過程的反應(yīng)動力學(xué)模型，研究了層流預(yù)混火焰中含量較高的6種烯炔烴的CAHM反應(yīng)勢能面并進行動力學(xué)蒙特卡諾模擬，結(jié)果表明在高溫和低氫原子濃度下CAHM機理對碳煙質(zhì)量增加的貢獻是HACA機理的十幾倍。

（4）集聚和凝結(jié)

      集聚和凝結(jié)是小顆粒合并的過程。小顆粒形成后，顆粒間的碰撞會導(dǎo)致團聚，從而引起顆粒物數(shù)量的減小和尺寸的增加。在這個過程中，球形粒子相互碰撞最終聚結(jié)成單一的球體，團聚后的顆粒大小主要取決于發(fā)動機工況，如噴油類型和噴油條件等。

（5）氧化

      氧化是碳煙形成過程中，碳或碳氫化合物發(fā)生氧化反應(yīng)形成燃燒產(chǎn)物的過程，這一過程貫穿從熱解到凝結(jié)的整個碳煙形成進程。反應(yīng)速率主要取決于反應(yīng)階段和空氣燃料混合物的狀況，氧化反應(yīng)在表面生長和聚結(jié)反應(yīng)過程中的影響并不大，O和OH等自由基被認為是反應(yīng)中的主要氧化劑。

      碳煙顆粒通常在溫度高于1 300 K時發(fā)生氧化，氧化反應(yīng)阻力主要來自碳煙中的石墨狀結(jié)構(gòu)。在燃料充足和滿足化學(xué)計量條件下，OH自由基對碳煙氧化反應(yīng)的影響更大。在燃料不充分的條件下，O?自由基對碳煙氧化的影響更大，OH自由基的貢獻只有10%~?0%。氧化過程結(jié)束后，排出的氣體在排氣管內(nèi)冷卻，部分未燃烴、硫酸鹽和水分等在碳煙上凝結(jié)，形成顆粒物。

      燃料成分和結(jié)構(gòu)對顆粒物的形成有重要影響。柴油燃料主要由碳、氫、氧、硫等元素組成，這些元素的含量決定燃料成分。燃料中碳含量越高，氫含量越少，產(chǎn)生碳煙的傾向越大，氧含量越高則會降低碳煙的生成速率。燃料中的硫不直接參與碳煙的生成過程，但會促進可溶性有機物的形成并附著在碳煙顆粒上，從而增加顆粒物的尺寸和質(zhì)量。分子結(jié)構(gòu)是決定層流擴散火焰中碳煙生成速率的主要參數(shù)。一些早期的研究結(jié)果表明，分子中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，特別是稠環(huán)結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。非芳烴燃料中，碳原子數(shù)、主鏈長度、側(cè)鏈位置和長度是影響碳煙形成趨勢的主要參數(shù)，碳煙體積分?jǐn)?shù)隨烷烴、烯烴、炔烴、烷基苯和萘中氫的質(zhì)量百分含量的增加呈線性增長。

 

圖1  顆粒物組成結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機顆粒物成長過程圖

 

二、柴油機尾氣裝置效果實驗

 

      國內(nèi)有眾多學(xué)者對DPF的捕集特性做了較多研究表明，柴油發(fā)電機微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公認的降低柴油發(fā)電機PM排放的最有效手段。DPF最常見的結(jié)構(gòu)為壁流式結(jié)構(gòu)，采用圓柱形堇青石在軸向上形成許多細小的平行通道，每個通道均為只有一端堵塞的通孔結(jié)構(gòu)，相鄰兩個通道封閉端不相鄰。DPF的工作機理正是根據(jù)這個結(jié)構(gòu)特點，使流入的尾氣被迫通過過濾壁面流出，而尾氣中的PM也將在此過程中沉積在過濾壁面上，最終達到凈化尾氣的目的。在現(xiàn)行的國六排放標(biāo)準(zhǔn)下，運用DPF降低柴油發(fā)電機顆粒物排放勢在必行。

1、試驗裝置及方案

      本試驗采用康明斯4B系列柴油發(fā)電機，DPF捕集PM的試驗系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機、DPF、EEPS3090發(fā)動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統(tǒng)及計算機組成，如圖3所示。試驗所用DPF直徑Φ144mm，高152mm，安裝于柴油發(fā)電機排氣管上，用于捕集尾氣中的PM；在DPF前后端分別設(shè)置采樣點1和采樣點2，在兩采樣點位置安裝管道，柴油發(fā)電機尾氣經(jīng)稀釋系統(tǒng)稀釋后通入EEPS3090發(fā)動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對PM的粒徑分布進行測取。試驗時，柴油發(fā)電機恒定轉(zhuǎn)速為1500r/min，負荷為75%，連續(xù)運轉(zhuǎn)240min。

2 、試驗結(jié)果與分析

      柴油發(fā)電機尾氣中的PM主要是核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒。核態(tài)微粒主要是由缸內(nèi)燃燒過程形成的未完全燃燒的碳核、發(fā)動機排氣在稀釋冷卻過程中形成的揮發(fā)性碳氫化合物以及燃料中含硫化合物和部分金屬化合物成核組成的；聚集態(tài)顆粒主要是由燃料或潤滑油不完全氧化形成的碳煙粒子經(jīng)過碰撞聚集作用，表面吸附凝結(jié)的烴類等揮發(fā)性物質(zhì)形成的鏈狀或團絮狀聚集物。

      圖4為DPF前后端PM的粒徑分布圖，DPF后端取試驗開始后5min時刻和240min時刻，設(shè)置EEPS采樣步長為0.1s，對所得數(shù)據(jù)取平均值作圖2，圖中dN為顆粒物的數(shù)量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖3可見，DPF前端PM分布呈雙峰狀，峰值分別在9nm和120nm附近，而DPF后端均呈3峰狀分布，峰值分別在9nm、32nm、128nm附近。DPF后端與前端對比可以看出，后端顆粒物濃度明顯下降，且聚集態(tài)顆粒物下降更為明顯。到240min時，大粒徑的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量幾乎為0，說明DPF對聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較為顯著。

      結(jié)合DPF的捕集原理及圖3可知，PM在DPF孔道內(nèi)沉積會使孔道直徑減小，導(dǎo)致更多的PM被攔截而在孔道內(nèi)沉積，從而提升了DPF對核態(tài)和聚集態(tài)顆粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉積會導(dǎo)致排氣背壓增大，嚴(yán)重時影響發(fā)動機的正常運行。

3、  試驗結(jié)論

① 柴油發(fā)電機廢氣經(jīng)過DPF的捕集后，聚集態(tài)顆粒物的濃度顯著降低，說明DPF對聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較好。而相對于聚集態(tài)顆粒物，核態(tài)顆粒物的濃度變化較小，說明DPF對核態(tài)顆粒物的捕集效果較弱。

② DPF對顆粒物的捕集率隨時間的延長而升高，且對核態(tài)顆粒物的捕集效果增長較為顯著，說明DPF對顆粒物尤其是核態(tài)顆粒物的捕集并非瞬時性的，需要一定的時間作積累。

 

圖3 柴油機顆粒物實驗裝置

圖4 DPF前后端粒徑分布圖

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機相對于汽油機具有油耗低、耐久性好、輸出扭矩高、CO和HC的排放量較少等優(yōu)點，但柴油發(fā)電機顆粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制約柴油發(fā)電機發(fā)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)PM粒徑的大小可將其分為直徑50nm以內(nèi)的核態(tài)微粒和直徑50nm以上的聚集態(tài)微粒，并且將直徑在100nm以下微粒定義為超細微粒。PM中的微粒大多數(shù)都是納米級的粒子，能夠長期在空氣中漂浮并被人體吸入體內(nèi)，其中所含的苯等多環(huán)芳香烴具有強烈的致癌作用，給人的生命健康造成重大危害。因此，降低PM的排放量是凈化柴油發(fā)電機尾氣的首要工作。

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