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性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明 |
解析康明斯柴油發(fā)電機后處理裝置 |
柴油發(fā)電機一般在平均過(guò)量空氣系數大于1.2的較稀的混合氣下燃燒。所以，雖然柴油發(fā)電機的壓縮比比汽油機高，但其燃燒最高溫度及排氣溫度都比汽油機低，而且排氣中CO、HC排放量也明顯少于汽油機。柴油發(fā)電機的主要有害尾氣排放物是NOx和微粒，以及CO和HC。汽油機在理論空燃比下燃燒時(shí)可通過(guò)三效催化轉化器同時(shí)凈化NOx、CO和HC排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油發(fā)電機由于平均空燃比比較大，不能用三效催化轉化器。所以，根據其有害尾氣排放物，在柴油發(fā)電機上所采用的主要后處理技術(shù)有氧化催化轉化器、NOx的催化還原裝置、微粒濾清器以及DPNR裝置等。
一、氧化催化轉化器
氧化催化轉化器（DOC）只是將排氣中的CO和HC以及PM中的SOF氧化為CO2和H2O。氧化催化劑主要采用Pt（鉑）和Pd（鈀）等貴金屬。為了氧化HC和CO，將Pt、Pd獨立或兩者組合作為催化劑。實(shí)際使用的Pt和Pd的質(zhì)量之比在2.3/1附近，一般多采用質(zhì)量比為2/1或2.5/1的催化劑。Pd易受Pb（鉛）的侵蝕，而Pt則容易受熱劣化。
影響催化反應的基本因素是反應物的含量、溫度及體積流量（又稱(chēng)空間速度）。所以，為了提高反應效率，需要適當控制這些因素。一般催化劑的工作溫度為300℃以上，空間速度（氣體的體積流量）為每小時(shí)數萬(wàn)升以下。在反應物的含量中很重要的影響因素是氧氣的含量和被氧化物質(zhì)（CO、HC、H2）的含量之間的平衡關(guān)系。因此，為了在排氣過(guò)程中氧化HC和CO排放物，或者作為排氣凈化裝置，在采用催化裝置時(shí)，需要向排氣系統供給新鮮的空氣，稱(chēng)此空氣為二次空氣。但是如果柴油中含硫量較多時(shí)，氧化催化反應將會(huì )生成較多的硫酸鹽，反而使微粒排放增加。所以采用DOC的柴油發(fā)電機應選用含硫量低的柴油。
二、NOx的催化還原裝置
柴油發(fā)電機為了降低排氣中的NOx排放量，采用以氨為還原劑的選擇型催化還原裝置（Se-lective Catalytic Reduction，SCR）。催化劑一般采用V2O3-TiO2、Ag-Al2O3以及含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。在催化還原裝置前供給相對燃料3％～5％的32.5％含量的尿素（圖1），用排氣熱進(jìn)行加水分解反應所產(chǎn)生的NH3（氨）對NO進(jìn)行選擇型還原，其還原反應式為
...........................(公式1)
上述反應所需要的工作溫度范圍是250～500℃。當工作溫度過(guò)低時(shí)，上述NO的還原反應不能有效進(jìn)行；如果溫度過(guò)高，會(huì )造成催化劑過(guò)熱而損傷，而且還會(huì )使還原劑NH3直接氧化而損耗并產(chǎn)生新的NOx。特別是可能生成強溫室氣體N2O，即
2 NH3+2O2→N20+3H2O ....................(公式2)
因此，開(kāi)發(fā)SCR催化還原裝置時(shí)必須注意避免N2O的生成。
通過(guò)機內措施和SCR型催化還原裝置的配合使用，在不用DPF（或DPT）下可滿(mǎn)足2005年度實(shí)施的歐洲排放法規。在柴油發(fā)電機穩定工況下，通過(guò)各參數的優(yōu)化控制，不僅對柴油發(fā)電機尾氣排放物的凈化效率可達到90％以上，也可以改善200℃以下的低溫過(guò)渡工況下的凈化效率。
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圖1 SCR催化還原系統 |
三、微粒濾清器
作為專(zhuān)門(mén)控制柴油發(fā)電機微粒排放量的控制裝置，有以壁流式蜂窩狀陶瓷為濾芯的微粒濾清器（DPF）。這種濾芯的結構特點(diǎn)是，每?jì)蓚€(gè)相鄰的孔道，一個(gè)在進(jìn)口處被堵住，另一個(gè)在出口處被堵住。這樣排氣從孔道流入后，必須穿過(guò)多孔性陶瓷壁面才能通過(guò)相鄰孔道流出，此時(shí)將排氣中的PM過(guò)濾在各流入孔道的壁面上。一般，孔道截面積為2mm×2mm，壁厚為0.4mm左右。蜂窩狀陶瓷濾芯體積一般是柴油發(fā)電機排量的1～2倍，其最大直徑在150～200mm范圍內，長(cháng)度不超過(guò)150mm。大排量柴油發(fā)電機可采用數個(gè)濾芯并聯(lián)工作。在柴油發(fā)電機運行過(guò)程中，DPF 濾芯上沉積的PM逐漸增多，使得排氣流動(dòng)阻力增加，直接影響柴油發(fā)電機的性能。因此，必須及時(shí)清除堆積在濾芯上的PM，以恢復到原來(lái)的低阻力狀態(tài)，這已成為DPF非常重要的問(wèn)題。而這一清除濾芯上的PM的過(guò)程稱(chēng)為DPF的再生。由于PM中絕大部分為可燃物，所以DPF再生的最簡(jiǎn)便的方法就是定期地燒掉PM。DPF的再生方法有以下幾種。
1．電加熱再生系統
這種方法是用電加熱器加熱DPF，并供給一定量的空氣來(lái)燒掉PM，使DPF再生（圖2）。這種再生法采用關(guān)閉DPF流動(dòng)的方法來(lái)再生，所以需要多個(gè)DPF。這樣每個(gè)DPF再生所需要的能量少，但結構復雜。
2．連續再生系統
圖3所示為連續再生系統，其結構特點(diǎn)是將DOC和DPF前后安裝在同一殼體內。安裝在前段的DOC生成氧化活性很強的NO2，由此再生安裝在其后段的DPF。為了提高DPF的再生效果，將特殊的DOC安裝在DPF的前段，這樣在排氣過(guò)程中前置DOC 中所產(chǎn)生的含有NO2氣體的廢氣直接進(jìn)入DPF，在排氣流動(dòng)過(guò)程中直接進(jìn)行再生?；蛘?，在DPF中也可以固化氧化劑以提高低溫活性。
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圖2 電加熱再生系統 |
圖3 連續再生系統 |
3．強制氧化催化再生系統
這是一種通過(guò)柴油發(fā)電機的控制和DOC的結合，使DPF強制升溫的DPF再生系統。柴油發(fā)電機的控制主要包括噴射時(shí)期、EGR、VGS/VNT、排氣制動(dòng)等的控制，由此提高排氣溫度，使之達到前段DOC中催化劑的活性溫度。也可以結合柴油發(fā)電機控制，實(shí)施燃料后噴射（如下止點(diǎn)附近噴射），以排出未燃HC，使之在前段DOC中燃燒，由此加熱DPF使其達到再生的目的（圖4）。
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圖4 強制氧化催化再生系統 |
DPF的主要再生方法見(jiàn)表6-2。
表6-2 DPF的再生方法
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再生方法 |
備 注 |
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強制再生 |
電加熱 |
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微濃加熱 |
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輕柴油燃燒加熱 |
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低溫等離子氧化 |
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逆流空氣噴射清洗 |
逆洗后，用電加熱器燒掉PM |
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柴油發(fā)電機控制＋氧化催化 |
進(jìn)排氣節流，燃料后噴，排氣系噴油 |
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連續再生 |
催化劑載體DPF |
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前段氧化催化 |
生成NO2 |
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催化劑載體＋前段氧化 |
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燃料添加型催化器 |
燃料添加劑 |
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四、DPNR裝置
目前，在柴油發(fā)電機上比較成功的同時(shí)降低NOx和微粒排放量的控制技術(shù)，主要由高壓共軌電控噴射系統、低溫燃燒控制技術(shù)、排氣燃料添加系統及后處理系統（DPNR裝置＋氧化催化器）組成。這項技術(shù)通過(guò)噴油器啟噴壓力為180MPa的高壓共軌噴射系統，進(jìn)行多階段噴射控制，同時(shí)以1MPa的壓力向排氣噴燃料，以便使DPNR內的NOx還原、微粒氧化。這樣也可以防止后處理系統受燃料中硫的侵蝕。
DPNR（Diesel Particulate and NO，Reduction）裝置的結構如圖5、圖6 所示。其特點(diǎn)是，采用陶瓷蜂窩狀結構，入口和出口交叉堵塞。在載體內壁設有細孔，保證微粒順利流動(dòng)。而在載體壁面和細孔內部固化NOx吸附還原型催化劑，以便將排氣中的NOx吸附還原。即當稀混合氣燃燒時(shí)將排氣中的NOx吸附，而在濃混合氣燃燒時(shí)，釋放被吸附的NOx，并在排氣中的HC、CO及還原劑（Pt）的作用下使之還原為N2。
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圖5 DPNR系統組成圖 |
圖6 DPNR催化器截面圖 |
對微粒的氧化機理是，在空燃比（混合氣濃?。┙蛔兊倪\轉過(guò)程中，通過(guò)吸附和釋放NOx時(shí)的氧化還原反應，在催化劑表面上生成活性氧，由此促進(jìn)微粒的氧化，實(shí)現低溫領(lǐng)域對微粒的氧化（圖7）。
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圖7 DPNR的凈化原理圖 |
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