蔡憶昔，施蘊(yùn)曦，李康華，李小華，江 飛，董 淼

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

柴油機(jī)具有動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性好、油耗低等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用.但隨著柴油機(jī)保有量的持續(xù)增加和世界各國排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)有害排放引起的環(huán)境污染問題也逐漸突出［1］.在柴油機(jī)的有害排放中，顆粒(particulate matter，PM)排放量約為汽油機(jī)的幾十倍，是柴油機(jī)最主要的污染物之一［2］.將顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)安裝在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中，可有效過濾排氣中的顆粒物，從而降低柴油機(jī)顆粒排放［3］.但隨著過濾體內(nèi)碳煙顆粒的積累，DPF的捕集效率會(huì)下降，排氣背壓升高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，因此需要對(duì)DPF進(jìn)行再生.通常DPF再生主要包括催化再生、熱再生以及2種方法結(jié)合的再生，但存在催化劑硫中毒、載體結(jié)構(gòu)熱損壞和再生效率低等一系列問題［4－6］.采用低溫等離子體 (non-thermal plasma，NTP)技術(shù)可有效去除PM，為DPF再生提供了新的方法［7－8］.等離子體中的活性物質(zhì)(O3，NO2等)具有比O2更強(qiáng)的氧化性，對(duì)PM具有很好的氧化效果［9］.相關(guān)研究表明:利用 NTP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)DPF 的在線再生［10－12］，但由于排氣的稀釋作用，使得在線再生效率較低.筆者利用NTP噴射系統(tǒng)對(duì)泡沫陶瓷PM吸附體進(jìn)行離線再生試驗(yàn)，研究NTP技術(shù)再生PM吸附體的規(guī)律，為NTP噴射系統(tǒng)高效再生DPF提供理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由低溫等離子體系統(tǒng)、溫控裝置和測量系統(tǒng)等組成，如圖1所示.NTP發(fā)生器為水冷式同軸圓柱結(jié)構(gòu)，等離子電源為CTP－2000K智能電子沖擊機(jī).利用TDS3034B示波器來監(jiān)測控制發(fā)生器工作電壓、頻率;利用Q－V李薩如圖形法測量NTP 發(fā)生器放電功率［13－14］;利用雷泰 MX4 紅外輻射測溫儀測量放電區(qū)表面溫度;利用Photon紅外煙氣分析儀監(jiān)測CO和CO2的變化.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

NTP發(fā)生器表面溫度對(duì)活性物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)有重要影響［15］，在前期研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)控制NTP發(fā)生器的工作電壓為16 kV、工作頻率為9 kHz以及NTP發(fā)生器表面溫度為60℃時(shí)，生成的活性物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高.試驗(yàn)中采用的PM吸附體為三氧化二鋁泡沫陶瓷.

將裝有需要再生泡沫陶瓷PM吸附體的石英管放置于溫控裝置內(nèi)，并檢測石英管內(nèi)的溫度.將熱電偶放置于石英管內(nèi)緊靠PM吸附體的位置，可近似認(rèn)為測量值為PM吸附體的溫度.試驗(yàn)時(shí)先將PM吸附體預(yù)熱到目標(biāo)溫度，待溫控區(qū)域的溫度穩(wěn)定后，通入NTP活性氣體;利用轉(zhuǎn)子式流量計(jì)監(jiān)測氧氣流量;氧氣流經(jīng)NTP發(fā)生器生成大量活性物質(zhì)，將活性物質(zhì)噴入石英管對(duì)PM吸附體進(jìn)行再生;保持氧氣流量不變，研究溫控區(qū)域的溫度對(duì)PM吸附體再生的影響;保持溫控區(qū)域的溫度不變，研究氧氣流量對(duì)PM吸附體再生的影響;試驗(yàn)中對(duì)生成的氣體成分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，每隔10 min對(duì)再生情況進(jìn)行拍照觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫控區(qū)域的溫度對(duì)PM吸附體再生的影響

當(dāng)氧氣流量為4 L·min－1、溫控區(qū)域的溫度分別為150，225，300℃時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示.

圖2 CO體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的變化

從圖2可以看出，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃和300℃時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的延長先增大后降低，隨著再生時(shí)間的進(jìn)一步延長，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸趨于平穩(wěn).當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為150℃時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的延長而增大，穩(wěn)定10 min后，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸升高至0.65%并趨于穩(wěn)定.為了探索PM吸附體在再生過程中生成的CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)較高的原因，在相同的條件下對(duì)泡沫陶瓷PM吸附體本體進(jìn)行試驗(yàn).結(jié)果表明:當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為150℃時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢與圖2的結(jié)果基本一致，同時(shí)生成了少量的CO2.因此，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度較低時(shí)，NTP活性氣體在氧化分解PM后，又與PM吸附體本體發(fā)生了反應(yīng)，生成了較多的CO和少量CO2.故在選用泡沫陶瓷作為PM吸附體時(shí)應(yīng)選用含碳少且化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的材料.

當(dāng)氧氣流量為4 L·min－1、溫控區(qū)域的溫度分別為150，225，300℃時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示.

圖3 CO2體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的變化

從圖3可以看出，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度不同時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間的延長均呈先增大后降低的趨勢.當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為150℃時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)曲線的峰值較大.當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)曲線的峰值較150℃時(shí)略低，但隨著再生時(shí)間的進(jìn)一步延長，CO2體積分?jǐn)?shù)下降較為緩慢.當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為300℃時(shí)，CO2的體積分?jǐn)?shù)峰值最低，且下降較快.當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為150℃時(shí)，PM氧化活性較低，CO2的體積分?jǐn)?shù)下降較快.當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃時(shí)，在O3，O的作用下，PM發(fā)生了較快的氧化分解反應(yīng)，生成了大量的CO2，化學(xué)反應(yīng)式為 O3+C→CO，O3+C→CO2，O+C→CO，O+C→CO2，O3+CH→CO2+H2O，O+CH→CO2+H2O.溫度的升高對(duì)化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)作用，但活性物質(zhì)O3的生成為可逆反應(yīng):3O2?2O3.溫度越高，逆反應(yīng)越劇烈，即O3的熱分解越嚴(yán)重.當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為300℃時(shí)，氣流中的O3與PM反應(yīng)較快，但O3在通過PM吸附體的過程中會(huì)被加熱分解，因而PM吸附體背面的再生效果較差.

PM吸附體完全再生時(shí)間隨溫控區(qū)域溫度的變化關(guān)系如圖4所示.

圖4 PM吸附體的再生時(shí)間隨溫控區(qū)域溫度的變化

從圖4可以看出，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度由100℃逐漸升高至225℃時(shí)，PM吸附體完全再生的時(shí)間隨之縮短;當(dāng)溫控區(qū)域溫度繼續(xù)升高，PM吸附體完全再生的時(shí)間逐漸延長.結(jié)合圖3，4可以看出，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為150～300℃時(shí)，PM吸附體完全再生的時(shí)間均不超過60 min，對(duì)應(yīng)的CO2體積分?jǐn)?shù)均低于0.10%.因此，在利用NTP噴射系統(tǒng)再生PM吸附體時(shí)，可將CO2體積分?jǐn)?shù)為0.10%作為判斷PM吸附體再生是否完成的依據(jù).當(dāng)氧氣流量為4 L·min－1，溫控區(qū)域的溫度不同時(shí)，利用NTP噴射系統(tǒng)對(duì)PM吸附體進(jìn)行再生10 min的效果對(duì)比如圖5所示，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃時(shí)PM吸附體的再生效果較好，PM吸附體表面PM大多被氧化分解.

圖5 PM吸附體再生10 min的效果對(duì)比

2.2 氧氣流量對(duì)PM吸附體再生的影響

當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃時(shí)，PM吸附體完全再生的時(shí)間隨氧氣流量的變化關(guān)系如圖6所示.

圖6 PM吸附體的再生時(shí)間隨氧氣流量的變化

從圖6可以看出，PM吸附體完全再生的時(shí)間隨氧氣流量的增加呈先縮短后延長的趨勢.當(dāng)氧氣流量為6，8 L·min－1時(shí)，PM吸附體完全再生所用的時(shí)間較短.可見，增加氧氣流量可提高O3的生成量，從而提高再生速率，因此當(dāng)氧氣流量低于6 L·min－1時(shí)，PM吸附體的再生時(shí)間隨氧氣流量的增加而縮短;當(dāng)氧氣流量高于6 L·min－1時(shí)，PM吸附體的再生時(shí)間隨氧氣流量的增加而延長.這是因?yàn)檠鯕饬髁吭黾右布觿×藲饬鲗?duì)PM吸附體的冷卻，使PM吸附體表面的溫度降低，從而降低了PM的氧化反應(yīng)速率［16］.

當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃、氧氣流量不同時(shí)，PM吸附體再生后的效果如圖7所示.

圖7 氧氣流量不同時(shí)，PM吸附體的再生效果

從圖7可以看出，當(dāng)氧氣流量為4 L·min－1時(shí)，PM吸附體的再生效果較好;當(dāng)6 L·min－1時(shí)，再生效果次之.結(jié)合圖6可以看出，當(dāng)氧氣流量為4 L·min－1時(shí)，PM 吸附體的再生時(shí)間較 6 L·min－1時(shí)僅延長5 min，因此對(duì)比在這2個(gè)流量時(shí)的PM吸附體再生的結(jié)果，可以認(rèn)為當(dāng)氧氣流量為4 L·min－1時(shí)，PM吸附體的再生效果較好.當(dāng)氧氣流量大于6 L·min－1時(shí)，氣體對(duì)PM吸附體的冷卻作用較為明顯，降低了吸附體局部溫度，導(dǎo)致PM氧化分解緩慢，且氧氣流量越大，局部殘留的PM越多.

3 結(jié)論

1)當(dāng)氧氣流量不變時(shí)，PM吸附體完全再生的時(shí)間隨溫控區(qū)域溫度的升高呈先縮短后延長的趨勢，當(dāng)溫控區(qū)域的溫度為225℃時(shí)，PM吸附體再生的時(shí)間較短.

2)當(dāng)溫控區(qū)域溫度不變時(shí)，PM吸附體完全再生時(shí)間隨氧氣流量增加呈先縮短后延長的趨勢，氧氣流量為4 L·min－1時(shí)，PM吸附體的再生效果較好.

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