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，研究結果表明，隨著(zhù)試驗時(shí)間的延長(cháng)，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(guò)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，主要結構如圖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(méi)有足夠氧氣濃度的富油區，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(gè)尺寸區間的顆粒很容易被人類(lèi)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(lèi)在碳煙表面上吸附聚集形成柴油機顆粒?？扇苄杂袡C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(lái)。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(huì )出現部分燃油添加劑和未燃燒充分的燃油。

2、顆粒物形成過(guò)程

      液相烴轉化為碳煙并最終形成柴油機顆粒物的過(guò)程主要有熱解、成核、表面生長(cháng)、集聚與凝結、氧化等階段，成長(cháng)過(guò)程如圖2所示。碳煙形成過(guò)程取決于壓力、溫度、噴射參數和燃料結構等條件，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(wú)氧條件下，通過(guò)高溫使有機物發(fā)生裂解的過(guò)程，熱解反應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(shí)間較短，導致混合不均勻，在高溫缺氧的情況下燃料熱解形成碳煙前驅體，其熱解和氧化速率取決于火焰類(lèi)型。預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(huì )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(guò)程。燃料熱解生成的各種不飽和烴類(lèi)通過(guò)脫氫形成碳粒子，并逐漸聚合成長(cháng)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(cháng)提供活性位點(diǎn)，因此對后期的質(zhì)量增長(cháng)影響較大。通過(guò)對比不同條件下擴散火焰中開(kāi)始形成碳核時(shí)的臨界氣動(dòng)變形率，認為向燃料中添加空氣可在相當寬的濃度范圍內對碳煙的成核起遏制作用，能夠減少碳煙的生成，即部分預燃具有遏制擴散燃燒中碳煙成核的作用。

（3）表面生長(cháng)

      表面生長(cháng)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(cháng)過(guò)程中。氣相烴（主要是乙炔）在晶核表面沉積導致碳煙質(zhì)量增加，而顆粒數量保持不變。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(guò)程會(huì )持續進(jìn)行。表面生長(cháng)過(guò)程中碳煙生成速率取決于成核數量，這一過(guò)程通常發(fā)生在成核之后的幾個(gè)ps到0.05 ms之間，因此該過(guò)程的停留時(shí)間對碳煙質(zhì)量和體積分數有很大的影響。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(cháng)速率越低。目前解釋碳煙表面生長(cháng)的主要機理有氫吸取乙炔加成（HACA）機理和碳加成氫轉移（CAHM）機理，依據HACA機理建立和改進(jìn)了描述碳煙表面生長(cháng)過(guò)程的反應動(dòng)力學(xué)模型，研究了層流預混火焰中含量較高的6種烯炔烴的CAHM反應勢能面并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)蒙特卡諾模擬，結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

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

（5）氧化

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

      碳煙顆粒通常在溫度高于1 300 K時(shí)發(fā)生氧化，氧化反應阻力主要來(lái)自碳煙中的石墨狀結構。在燃料充足和滿(mǎn)足化學(xué)計量條件下，OH自由基對碳煙氧化反應的影響更大。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(guò)程結束后，排出的氣體在排氣管內冷卻，部分未燃烴、硫酸鹽和水分等在碳煙上凝結，形成顆粒物。

      燃料成分和結構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(huì )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(guò)程，但會(huì )促進(jìn)可溶性有機物的形成并附著(zhù)在碳煙顆粒上，從而增加顆粒物的尺寸和質(zhì)量。分子結構是決定層流擴散火焰中碳煙生成速率的主要參數。一些早期的研究結果表明，分子中的環(huán)狀結構，特別是稠環(huán)結構起著(zhù)關(guān)鍵作用。非芳烴燃料中，碳原子數、主鏈長(cháng)度、側鏈位置和長(cháng)度是影響碳煙形成趨勢的主要參數，碳煙體積分數隨烷烴、烯烴、炔烴、烷基苯和萘中氫的質(zhì)量百分含量的增加呈線(xiàn)性增長(cháng)。

 

圖1  顆粒物組成結構圖

圖2  柴油機顆粒物成長(cháng)過(guò)程圖

 

二、柴油機尾氣裝置效果實(shí)驗

 

      國內有眾多學(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(jiàn)的結構為壁流式結構，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(gè)通道均為只有一端堵塞的通孔結構，相鄰兩個(gè)通道封閉端不相鄰。DPF的工作機理正是根據這個(gè)結構特點(diǎn)，使流入的尾氣被迫通過(guò)過(guò)濾壁面流出，而尾氣中的PM也將在此過(guò)程中沉積在過(guò)濾壁面上，最終達到凈化尾氣的目的。在現行的國六排放標準下，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的試驗系統主要由柴油發(fā)電機、DPF、EEPS3090發(fā)動(dòng)機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀、稀釋系統及計算機組成，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前后端分別設置采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2，在兩采樣點(diǎn)位置安裝管道，柴油發(fā)電機尾氣經(jīng)稀釋系統稀釋后通入EEPS3090發(fā)動(dòng)機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對PM的粒徑分布進(jìn)行測取。試驗時(shí)，柴油發(fā)電機恒定轉速為1500r/min，負荷為75%，連續運轉240min。

2 、試驗結果與分析

      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)微粒主要是由缸內燃燒過(guò)程形成的未完全燃燒的碳核、發(fā)動(dòng)機排氣在稀釋冷卻過(guò)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(guò)碰撞聚集作用，表面吸附凝結的烴類(lèi)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(kāi)始后5min時(shí)刻和240min時(shí)刻，設置EEPS采樣步長(cháng)為0.1s，對所得數據取平均值作圖2，圖中dN為顆粒物的數量濃度，dp為顆粒物的粒徑。由圖3可見(jiàn)，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(shí)，大粒徑的聚集態(tài)顆粒物數量幾乎為0，說(shuō)明DPF對聚集態(tài)顆粒物的捕集效果較為顯著(zhù)。

      結合DPF的捕集原理及圖3可知，PM在DPF孔道內沉積會(huì )使孔道直徑減小，導致更多的PM被攔截而在孔道內沉積，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(huì )導致排氣背壓增大，嚴重時(shí)影響發(fā)動(dòng)機的正常運行。

3、  試驗結論

① 柴油發(fā)電機廢氣經(jīng)過(guò)DPF的捕集后，聚集態(tài)顆粒物的濃度顯著(zhù)降低，說(shuō)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(shuō)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(shí)間的延長(cháng)而升高，且對核態(tài)顆粒物的捕集效果增長(cháng)較為顯著(zhù)，說(shuō)明DPF對顆粒物尤其是核態(tài)顆粒物的捕集并非瞬時(shí)性的，需要一定的時(shí)間作積累。

 

圖3 柴油機顆粒物實(shí)驗裝置

圖4 DPF前后端粒徑分布圖

 

總結：

      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(diǎn)，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PM粒徑的大小可將其分為直徑50nm以?xún)鹊暮藨B(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中的微粒大多數都是納米級的粒子，能夠長(cháng)期在空氣中漂浮并被人體吸入體內，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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