聶存慶

摘 要：簡(jiǎn)述了柴油機(jī)排氣微粒對(duì)大氣環(huán)境和人體健康的危害，研究、分析了排氣微粒捕集器及其再生技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)幾種過(guò)濾材料進(jìn)行對(duì)比、分析，研究結(jié)果表明，壁流式蜂窩陶瓷是理想的過(guò)濾體材料。根據(jù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了適合我國(guó)國(guó)的柴油機(jī)微粒捕集器再生技術(shù)，對(duì)指導(dǎo)柴油機(jī)微粒捕集器的研發(fā)和降低大氣中PM濃度有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；微粒捕集器；過(guò)濾體材料；再生

中圖分類號(hào)：U464.172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）03-0006-02

隨著電子商務(wù)的發(fā)展和公路運(yùn)輸網(wǎng)的完善，公路物流運(yùn)輸量不斷提升，現(xiàn)代社會(huì)必不可少的交通工具機(jī)動(dòng)車(chē)的保有量迅猛增長(zhǎng)，帶來(lái)了嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題，對(duì)人類賴以生存的環(huán)境和人體健康都造成了不利影響。其中，柴油車(chē)排放的微粒成為城市PM的重要來(lái)源，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

柴油車(chē)排放的污染物主要為微粒，不同的大小、濃度和其在空氣中懸浮的時(shí)間，對(duì)人體的危害程度也是不同的。柴油機(jī)排放的微粒直徑基本不大于1 μm，漂浮于空氣中極易被吸入人體肺部，引發(fā)各類疾病。對(duì)柴油機(jī)排放污染的關(guān)注始于20世紀(jì)80年代，美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)先后制訂了限制柴油機(jī)微粒排放的法律、法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且通過(guò)嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制污染物的排放量。因此，柴油機(jī)排放控制技術(shù)己經(jīng)成為當(dāng)前相關(guān)部門(mén)、制造廠和研究部門(mén)著力推進(jìn)和研究的關(guān)鍵技術(shù)，其研究成果具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 柴油機(jī)排氣微粒的危害

研究表明，懸浮顆粒物可直接對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，可對(duì)城市大氣環(huán)境造成間接的影響，尤其當(dāng)懸浮顆粒物明顯增多時(shí)，會(huì)引起城市大氣能見(jiàn)度的降低。顆粒直徑的大小、存在的形態(tài)與深入人體的部位密切相關(guān)。從空氣動(dòng)力學(xué)的角度講，直徑大于5 μm的顆粒會(huì)被直接阻擋在鼻腔外，小于2.5 μm的顆?？杀晃塍w內(nèi)，引起心、肺功能障礙性疾病。與此同時(shí)，由較細(xì)小顆粒組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其表面具有吸附作用，極易吸附一些有害的有機(jī)物和致病菌。據(jù)歐美國(guó)家研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究表明，空氣中的PM濃度與哮喘病發(fā)病率、入醫(yī)院治療的人數(shù)比例和死亡率相關(guān)，其中與PM2.5的相關(guān)性最強(qiáng)。

PM10和PM2.5對(duì)光有散射效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致能見(jiàn)度降低。不少研究人員認(rèn)為，顆粒的散光效應(yīng)是能見(jiàn)度降低的主要因素；柴油機(jī)排放的微粒，尤其是碳煙，對(duì)光的吸收是使能見(jiàn)度降低的另一因素。碳煙顆粒的消光系數(shù)是透明顆粒的幾倍，即使數(shù)量較少的碳煙顆粒，也可能會(huì)導(dǎo)致該地方的能見(jiàn)度降低50%.

2 排氣微粒凈化技術(shù)

目前，柴油機(jī)排氣凈化技術(shù)主要分為機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化。機(jī)內(nèi)凈化能有效降低柴油機(jī)有害物地排放，但單純的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)無(wú)法滿足日趨嚴(yán)格的排放限值。利用微粒捕集器對(duì)排氣進(jìn)行處理，將此技術(shù)與機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)共同作用，以此作為突破柴油機(jī)微粒排放控制極限的研究方案。

柴油機(jī)排氣微粒捕集器是用以降低柴油機(jī)微粒排放的一種廢氣處理技術(shù)。微粒捕集技術(shù)的核心技術(shù)是過(guò)濾材料和再生技術(shù)。微粒捕集技術(shù)的過(guò)濾材料主要有泡沫陶瓷、單晶體陶瓷、陶瓷纖維和金屬絲網(wǎng)等。大多微粒捕集器是通過(guò)物理手段降低排氣微粒，以起到凈化的效果。 隨著過(guò)濾下來(lái)微粒的累積，過(guò)濾孔道很容易被堵塞，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓升高，直接導(dǎo)致車(chē)輛動(dòng)力性下降，燃料經(jīng)濟(jì)性和排放性能惡化。因此，必須要采用再生技術(shù)及時(shí)去除微粒，以便疏通排氣，恢復(fù)過(guò)濾性能。我們將去除過(guò)濾下來(lái)微粒的過(guò)程稱為過(guò)濾體的再生。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)濾體再生技術(shù)研究很廣泛，但每種再生技術(shù)都存在一些問(wèn)題，都有待進(jìn)一步完善。

3 過(guò)濾材料的種類

3.1 陶瓷基過(guò)濾材料

陶瓷基過(guò)濾材料是目前研究較多、在排氣處理中應(yīng)用最廣泛的一種過(guò)濾材料。這種材料通常為氧化物或碳化物組成的多孔式結(jié)構(gòu)，具有耐高溫的特點(diǎn)，在700 ℃以上的溫度環(huán)境中仍能保持很高的熱穩(wěn)定性。在陶瓷基過(guò)濾材料的后期發(fā)展過(guò)程中，研究人員為了提高其吸附能力，將材料的表面積增大到1 m2/g以上。其中，較為典型的結(jié)構(gòu)為蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷和陶瓷纖維氈。

3.1.1 蜂窩陶瓷

在蜂窩陶瓷中，應(yīng)用于微粒捕集器較多的是壁流式蜂窩陶瓷。壁流式蜂窩陶瓷的材料通常為熱膨脹系數(shù)低、成本較低的堇青石。這種材料的突出特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高、高溫耐受性好。由這種材料構(gòu)成的壁流式蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)微粒的過(guò)濾效率高達(dá)90%，孔徑可做到微米級(jí)。同時(shí)，其缺點(diǎn)也較為明顯，例如，由材料特點(diǎn)所決定的各向異性，其徑向膨脹系數(shù)高于軸向膨脹系數(shù)；微粒在進(jìn)氣孔道內(nèi)的累積性沉積，會(huì)造成再生過(guò)程受熱不均勻，易發(fā)生熱應(yīng)力引起的損壞；微粒在蜂窩狀孔道內(nèi)容易板結(jié)，不宜采用熱再生技術(shù)。

3.1.2 泡沫陶瓷

泡沫陶瓷的制備方法與蜂窩陶瓷不同，它是將浸漬有堇青石陶瓷漿體的聚氨醋泡沫塑料半成品進(jìn)行高溫鍛燒，在塑料氣化逸出后，得到最終所需的陶瓷骨架。泡沫陶瓷較蜂窩陶瓷孔隙率大、孔道曲率大，材料的各向同性、可塑性好，高溫耐受性好。這種材料的缺點(diǎn)是泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)較為疏松、機(jī)械強(qiáng)度較低，在排氣沖擊和機(jī)械振動(dòng)的情況下，容易受損，且捕集效率較低，僅有50%左右，煙灰吹除難度大。

3.1.3 陶瓷纖維

陶瓷纖維材料過(guò)濾體的孔形狀和孔分布因其材料不受固定尺寸的限制，可通過(guò)改變孔形狀和孔分布的設(shè)計(jì)參數(shù)，使其應(yīng)用效果達(dá)到最優(yōu)。陶瓷纖維氈的特點(diǎn)是進(jìn)一步增大了過(guò)濾體的表面積，使過(guò)濾效率高達(dá)95%. 陶瓷纖維目前存在的問(wèn)題是耐熱性差、體積較大。生產(chǎn)工藝較復(fù)雜、在排氣熱沖擊下易脆化，而且過(guò)濾效率與排氣背壓的矛盾也較為突出。

3.2 復(fù)合基過(guò)濾材料

陶瓷基過(guò)濾材料和金屬基過(guò)濾材料都有各自的缺陷，為了能夠把它們的優(yōu)點(diǎn)集成起來(lái)，一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研制復(fù)合基過(guò)濾材料，以纖維氈結(jié)構(gòu)居多。采用纖維氈結(jié)構(gòu)的復(fù)合基過(guò)濾材料，可以有效避免再生過(guò)程中由于燃燒引起的局部過(guò)熱現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)濾材料熔融后破裂或者殘留的煙灰黏附到過(guò)濾材料上影響過(guò)濾效果的現(xiàn)象。這種材料應(yīng)用于微粒捕集器中，可提高捕集器的使用壽命。

通過(guò)對(duì)比各過(guò)濾材料的性能參數(shù)，結(jié)合生產(chǎn)成本和規(guī)模化生產(chǎn)的成熟特征，筆者認(rèn)為壁流式蜂窩陶瓷是較理想的過(guò)濾體材料。

4 微粒捕集器再生技術(shù)研究

4.1 微粒捕集器再生技術(shù)和原理

微粒捕集器再生技術(shù)是捕集器的另一關(guān)鍵技術(shù)。柴油機(jī)微粒捕捉器把微粒收集起來(lái)，如果沉積在過(guò)濾體內(nèi)的微粒不能自動(dòng)被清除，過(guò)濾體內(nèi)沉積的微粒會(huì)不斷積累，造成局部堵塞的情況，形成節(jié)流效應(yīng)，致使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力增大、排氣不暢。這不僅起不到凈化作用，反而會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，增加燃料的消耗。因此，微粒捕集器的再生技術(shù)是其應(yīng)用于柴油機(jī)的關(guān)鍵。

微粒捕集器的再生過(guò)程與以下因素有關(guān)：積累的總微粒量、捕集器的熱傳導(dǎo)性、排氣的流速、微粒的儲(chǔ)存密度、微粒的分布情況和微粒的催化能力。微粒捕集器的再生可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩類。

主動(dòng)再生分為熱再生（利用輔助加熱或發(fā)動(dòng)機(jī)自身熱量） 和非加熱式機(jī)械再生：熱再生技術(shù)包括噴油助燃再生、紅外加熱再生和電加熱再生等；非加熱式機(jī)械再生包括逆向噴氣再生和機(jī)械振動(dòng)再生。

被動(dòng)再生技術(shù)是指通過(guò)在燃油中或過(guò)濾體的表面加入催化劑，利用催化劑降低微粒的起燃溫度，使得微粒在排氣溫度條件下氧化燃燒。目前這方面的技術(shù)包括催化再生和連續(xù)再生。

4.2 微粒捕集器再生技術(shù)的特點(diǎn)

研究表明，微粒捕集器在加熱再生過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易對(duì)過(guò)濾體造成損害，影響其使用壽命。當(dāng)過(guò)濾體捕集的微粒量較少時(shí)，因溫度不夠會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法進(jìn)行再生或發(fā)生不完全再生的情況。如果捕集器內(nèi)捕集到的微粒過(guò)多，又會(huì)因過(guò)濾體的溫度過(guò)高而造成其局部燒蝕、黏結(jié)，功能失效。這類再生方法的關(guān)鍵是微粒在過(guò)濾體內(nèi)燃燒的過(guò)程，可將燃燒溫度保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，以解決捕集器再生時(shí)熱損壞的問(wèn)題。

連續(xù)再生和燃油添加劑輔助再生可以有效降低再生過(guò)程中過(guò)濾體的溫度，提高過(guò)濾體的可靠性是解決捕集器再生時(shí)熱損壞的有效途徑之一。催化再生技術(shù)對(duì)柴油機(jī)排氣溫度有要求，一般情況下，連續(xù)再生排氣溫度要達(dá)到250～450 ℃，燃油添加劑輔助再生溫度需要在380 ℃以上。因?yàn)椴裼蜋C(jī)自然排氣的溫度范圍為200～350 ℃，所以，在未加裝輔助加熱裝置的條件下，達(dá)不到連續(xù)再生和催化再生的溫度。

目前，我國(guó)使用的柴油含硫量高，不適宜使用連續(xù)再生和催化再生技術(shù)。針對(duì)這種情況，加熱再生法是未來(lái)微粒捕集器技術(shù)應(yīng)用中極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N再生方法。其中，紅外加熱再生法因?yàn)榭刂戚椛渫康目臻g分布較為方便，利于均勻加熱和加熱效果的強(qiáng)化、優(yōu)化，同時(shí)，具備可直接對(duì)過(guò)濾體加熱、加熱裝置簡(jiǎn)單、使用可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，成為了實(shí)際應(yīng)用前景較好的一種熱再生方式。

另外，逆向噴氣再生方法的設(shè)計(jì)原理是將過(guò)濾體的再生過(guò)程與微粒的燃燒過(guò)程分開(kāi)，大大提高了過(guò)濾體的使用壽命。對(duì)于使用氣壓制動(dòng)的車(chē)輛，該再生方法較為實(shí)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合目前社會(huì)關(guān)注的霧霾、PM2.5的危害等熱點(diǎn)問(wèn)題，分析了與之相關(guān)的柴油車(chē)污染物產(chǎn)生的機(jī)理和危害。通過(guò)研究控制柴油車(chē)污染物排放的微粒捕集器可知，壁流式蜂窩陶瓷是最為理想的過(guò)濾體材料。同時(shí)，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)情，適合我國(guó)的柴油機(jī)微粒捕集器再生技術(shù)的是紅外加熱再生方法。

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〔編輯：白潔〕