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柴油机机外净化技术一般分为两类

时间: 2019-12-09
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汽车排气污染是目前全世界关注的热点问题。与目前的汽油车相比,柴油车具有燃油消耗低(20%~30%)、动力性强等特点;尾气排放与20世纪90年代初相比减少了90%以上,2005年柴油轿车的颗粒排放比1990年减少了91%,HC和NO减少了95%。先进柴油技术的发展彻底改变了传统柴油车油耗大噪音大、污染大和体型大的这“四大问题”。由于其突出的优越性,柴油车在世界上许多国家得到大量应用,欧洲出现了越来越明显的轿车柴油化趋势,2004年欧盟新增乘用车(主要是轿车)中50%是柴油车。美国柴油车比重尽管不高,但在过去的5年中销量增长56%。据统计,1995~2007年全球汽车产量从4900万辆增至6400万辆,其中汽油车增加22%,柴油车增加58%。可以说汽车柴油机化将是未来汽车发展的主要方向。
 
虽然,应用广泛的柴油机油耗低,可靠性好,但其排放的PM却给环境带来不小的危害,甚至于影响人们的健康。而且,随着人们对环境保护的日益重视,柴油车尾气排放问题己经引起人们的重视。因此,必须采取相应的措施对柴油机排放的微粒加以控制。然而,柴油车所用的燃料和燃烧原理及特性与汽油车不同,决定了控制其排放污染物有一定的难度。因此,与汽油车相比,柴油车的CO和HC排放量要少得多,NO的排放量与汽油车在同一数量级,而PM的排放量则是汽油车的30~80倍[1。所以如果要对柴油车尾气排放加以控制的话,重点工作就要放在PM和N上。目前,虽然柴油车制造厂采取了一系列机内净化技术措施,但是NO和PM的排放问题无法得到彻底解决。因此,必须采取机外净化措施,也就是采用更为有效的柴油车排气后处理措施,以满足日益严厉的柴油车排放法规和标准。发展机外控制技术已经成为世界一些发达国家研究的热点,因为排气后处理技术是直接对有害排放污染物进行治理,其效果更加明显有效。
 
柴油机机外净化技术一般分为两类,分别是排气后NO处理技术和排气后PM处理技术。除此之外,近来人们还进行探索开发能够同时处理NO和PM的技术。
 
排气后NO处理技术

排气后NO处理技术主要包括:选择性催化还原NO技术(SCR)、等离子辅助催化还原技术、氧化催化转化器稀NO技术非选择性催化还原NO(NSCR系统)、NO吸附催化剂技术等[11]。SCR系统已经在诸如电厂、船舶等大型柴油机上实用化,用于降低NO的排放,转化效率高达90%。在国外,已有SCR运用实例,如戴姆勒一克莱斯勒公司为了使配备柴油机的商用车符合欧IV及欧V排放标准,采用了使用尿素的SCR法,已于2005年上半年在卡车及大巴中采用SCR法,并在2006年10月符合欧Iv标准前,开始阶段性地支持欧IV标准。该公司今后还将继续开发SCR技术,以尽早达到欧V标准的要求。但该技术的缺点在于尿素需要定时填充来维持正常工作,且选择催化转化器的体积大、成本高,需要动态计量控制还原剂,在低负荷时由于废气温度较低,催化效率下降。另外,需要高流量的氨气才能使NO转化效率高。此外,目前等离子体技术研究的重点已用于NO处理,在稀燃排气中等离子放电主要是氧化反应,单独用等离子体对NO还原没有效果,但当将等离子体与催化剂结合,等离子体增强了催化剂的选择性,对柴油机排气中的NO和碳颗粒都有很好的净化效果。另一优点是对燃料含硫量几乎没有要求,可以在相对低的温度下运行。Delphi和Caterpillar等公司已经利用等离子体和催化剂系统开发出NO和碳颗粒后处理系统,可用于柴油小轿车、重型车上。其它几种排气后NO处理技术因硫的容忍性差或NO转换率太低等原因而需要进一步的改进。
 
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排气后PM处理技术

目前用于柴油车颗粒物PM排放治理的产品,主要为微粒过滤DPF(dieselparticulatefilter)装置和POC(颗粒氧化催化转化器)。
 
柴油机微粒过滤器(DPF)

柴油机微粒过滤器的工作主体是滤芯,常用的过滤材料有:泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、金属丝网、陶瓷纤维等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标:具有较高的过滤效率,具有大的过滤面积、耐热冲击性好、较强的机械性能指标、热稳定性好及能承受较高的热负荷、较小的热膨胀系数,在外形尺寸相同的情况下背压小,背压增长率低,适应再生能力强,质量轻。柴油机DPF主要分为陶瓷微粒过滤器和袋滤器两种。目前正在开发的陶瓷微粒过滤器有体积型和表面型两种。体积型微粒过滤器捕集的微粒沉积在过滤材料内,滤芯采用泡沫陶瓷、钢丝棉或陶瓷纤维等材料制成,捕集效率不高,只有50%~70%,且其紧凑性差。表面型微粒过滤器用茧青石蜂窝陶瓷块作为滤芯,捕集的微粒大部分沉积在表面上。现今技术比较成熟的就是荃青石蜂窝陶瓷和碳化硅陶瓷微粒过滤器,目前在我国已开始应用,其捕集效率可从干净时的85%~90%到满载微粒时的90~95%t。但是其成本较高,并且其结构决定了容易发生热冲击损伤。目前,正在开发的FeCrAI金属多孔纤维毡与陶瓷纤维毡过滤材料相比,具有强度高、使用寿命长、容尘量高等特点;与金属丝网过滤材料相比,具有过滤精度高,透气性好,比表面大和毛细管功能特点,尤其适于高温、有腐蚀介质等恶劣条件下的过滤,因此是一种很有前途的柴油机微粒过滤材料。
 
另一种微粒过滤器是采用纤维作为过滤介质的袋滤器目前,袋滤器己被广泛应用于冶金、矿山、铸造、化工等部门,应用具有广泛性,技术已经比较成熟但是将袋滤器用于柴油机微粒的捕集上尚存在一些问题,例如尺寸较大,并且针对不同车型还需要匹配不同类型的袋滤器等。随着该项技术的不断研究和发展,此类问题有望近期内得以解决。当前较为成熟的DPF后处理技术有:Coming公司和NGK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器、日本丰田汽车公司开发的柴油车微粒一氮氧化物还原(DPNR)技术DelPhi公司开发的非热等离子体(NTP)技术、法国的ExoCleanTM过滤系统、以及美国JohnsonMatthey公司的SCRTTM技术。随着柴油车微粒排放法规的曰益严格,仅靠对燃烧系统的改进不能解决微粒排放问题,微粒后处理器的使用将会成为一种必然。
 
柴油机微粒过滤器的再生

DPF作为2种物理性降低微粒的方法,捕集的微粒会积存在过滤器内部。滤芯长时间使用后会导致柴油机背压增加,当超过一定限值时f通常为20kPa)会导致发动机动力性和经济性恶化,并且会影响捕集效率,必须及时除去滤芯中的微粒才能柴油机正常工作,这就是DPF的再生。近20年来国内外对DPF的再生系统进行了大量细致的研究,提出了许多再生技术,部分己经获得成功应用。
 
微粒捕集器分为强制再生式DPF

强制再生式DPF的碳烟颗粒过滤材质是一种专门的碳化硅纤维无纺布,并在滤芯内部装置加热丝。加热时,连接汽车蓄电池并使发动机同时对电热丝提供电源。当排气背压达到限定值时,通过控制单元控制自动进行再生,利用加热时产生的热量使捕集的碳烟进行燃烧从而保持连续的捕集工作。强制再生式DPF制造成本过高因而限制了其大规模应用。
张勇[】等研究表明:(1)强制再生式DPF可以边捕集碳烟边再生,试验表明捕集率达到70%以上,可适用于移动式长途运输车辆和公交车;(2)开发的固定式反吹再生DPF结构简单、成本低、捕集率高达70%以上,可适用于每天固定行驶路线的公交车上,长达一年的道路试验表明其工作可靠,可以大规模推广使用。
 
逆向喷吹再生

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在逆向喷吹再生系统中[2,过滤器的后方装有压缩空气喷射器。再生时,高压空气脉动地吹向陶瓷载体,被吹掉的微粒聚集到陶瓷载体以外的地方(膨胀室),由电热装置引燃烧掉或由一真空容器将其除去。它不会引起再生高温对陶瓷载体的烧损,同时也解决了不燃物质在过滤器内累积的问题。为提高再生效果,整个系统要求严格密封。而高压空气的速度、气流分布等也决定了再生效果的好坏。
 
POC(颗粒氧化催化转化器)

近期出现的POC(颗粒氧化催化转化器)是一种全新的柴油机后处理设计理念,在欧洲是为欧Ⅳ、欧V阶段设计的,它可以捕捉并氧化部分颗粒物叭。其结构是使废气通过一个多褶皱而不堵塞的通道,它可以降低颗粒物中可挥发的有机成分,对颗粒物的转化效率可达到60%以上。除此之外,POC与其它后处理系统配合使用,可将90%以上的CO和HC转化成H2O和CO2。
 
虽然POC对颗粒物的转化效率较低,可以达到60%以上,没有颗粒捕捉器(DPF)的转化效率高(可达90%以上1,但与颗粒捕捉器相比,具有成本低、无需复杂的标定过程、开发周期短、可靠性好等优点。目前,POC作为降低颗粒数或者颗粒质量目标而优化设计的新型催化器,已被证明在轻型车与重型车上使用有效。POC催化器在工作原理上相当大程度地避免了高硫含量环境对催化器的不利影响。耐久性道路试验数据表明,POC的催化效能在高硫含量的环境中没有明显的恶化,不同的涂层和贵金属的选择使用是增强抗硫能力的关键。从经济成本和使用效果来看,POC催化器是帮助国内轻型车达到国Ⅲ、国Ⅳ标准的非常好的技术产品。
 
同时处理NOx和PM的技术

柴油机排气中的有害排放物NO和微粒PM对于人类具有很大的危害性,必须采取相应的措施对其加以控制。微粒的生成条件是高温缺氧,NO的生成条件是高温富氧,二者的生成规律不同而又相互矛盾,此即NO和微粒的折衷曲线[23,24】。针对这一缺点,开发了PM过滤及NO还原技术、四效催化技术、多段处理去除PM和NO、双床催化技术等希望能像汽油车三效催化剂一样,以微粒和NO为氧化剂和还原剂,同时去除CO、HC、PM和NO,从而找到一种较为理想的柴油车尾气净化催化方法。
 
PM过滤及N还原技术

丰田GENESIS研究所近期开发了一种柴油发动机PM过滤及NO还原处理技术
(DieselParticleandNitrogenoxidesReduction,DPNR)。此系统将No吸附与PM过滤有机结合在一起,可同时对柴油车排气中所含PM和NO进行同期连续净化。多孔陶瓷捕集器载体上涂有用于稀薄燃烧的吸附还原型三效催化剂。在稀燃条件下,PM被捕集,NO被吸附到催化剂上。采用推迟喷油定时产生了更多的碳氢化合物,促使NO还原为N2,定时解析出的活性02也促进了PM的氧化,从而降低了PM的排放。该技术需外加燃油,且控制复杂。

四效(4way)催化

四效(4way)催化是利用C,CO和HC作为还原剂,在同一块催化剂时对No进行催化还原,从而达到同时净化微粒、CO、HC和N的目的。
 
三菱汽车公司推出的所谓四效催化转化器,它主要由两部分组成,前段设置还原N催化剂,后端设置HC、CO催化剂的四效转化方案[们。其所谓的四效催化的概念是指,催化转化器能比较理想地净化柴油机排气中的NO、CO、HC和PM中的有机溶剂可溶成分(SolubleOrganicFraction,SOF)的柴油机用催化转化器,由于其不能真正去除碳黑,算不上真正意义上的四效催化剂。其主要是通过吸附存储N,然后在富HC的情况下进行还原反应。在以碱或碱土类金属等为吸附材料吸收NO以进行还原反应。为使还原反应能顺利进行,必须提供过量的燃料。燃料过多会出现排烟多、PM增加和浪费燃油。除此外,由于轻柴油中的硫含量比汽油高,吸附的NO中还有部分与排气中的SO反应,生成稳定性强的硫酸盐,实际上起到了减少吸附NO量的作用,也就是降低了吸附。而通过供给过量燃料来提供HC量,也会造成燃料浪费[27,28]。国内,刘光辉等【新近研究成功了一种可同时去除NO和微粒的催化剂。总之,上述几种同时去除NO和PM的技术都是通过将传统的处理技术进行优化组合,从而达到去除NO和PM的目的,其结果仍然摆脱不了复杂的设备和精确的控制,同时会造成燃油的浪费或者增加还原剂的添加量等,其稳定性也无法得到保证,而且成本昂贵。
 
车用柴油机排放控制技术是一项多技术综合利用的系统工程,是柴油机技术研究的重点之一。从危害程度和排放控制技术的角度来看,颗粒是柴油机主要的污染物。必须有效解决柴油机颗粒排放,才有条件进一步对N进行净化,进而全面降低柴油机排气污染。POC对颗粒物的转化效率可以达到60%以上,虽然没有颗粒捕捉器(DPF)的转化效率高(可达90%以上),但与颗粒捕捉器相比,具有成本低、无需复杂的标定过程、开发周期短、可靠性好等优点。可以认为POC是适合目前国内柴油车的发展和油品水平、可以满足国Ill/国Ⅳ排放法规要求的一种较为经济实用的机外净化技术。同时,随着柴油车应用的曰渐广泛,环保法规的日益严格,研制开发出可以实用化的、高效的柴油车尾气净化催化技术是汽车领域和催化领域所面临的重大课题。



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