蒲云飛 孟忠偉 王青春

摘要：基于柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）沉積可視化裝置，利用碳黑模擬柴油機(jī)顆粒物進(jìn)行了碳黑微粒特性對(duì)DPF內(nèi)顆粒沉積過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：隨碳黑顆粒沉積高度的增長(zhǎng)，DPF過(guò)濾壓降可以被劃分為典型的深床過(guò)濾、過(guò)渡階段以及顆粒層過(guò)濾三個(gè)階段;在各顆粒層下，過(guò)渡階段結(jié)束時(shí)的顆粒層高度為20 μm左右;在深床過(guò)濾階段，顆粒原生粒徑與BET比表面積綜合起來(lái)相對(duì)較小就更能獲得更大的壓降;顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率同時(shí)受到比表面積和粒徑的共同影響。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);碳黑微粒特性;過(guò)濾壓降;顆粒沉積高度;滲透系數(shù);孔隙率

中圖分類(lèi)號(hào)：TK421文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）04-0052-04

柴油機(jī)由于熱效率和經(jīng)濟(jì)性較好而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)，但是其顆粒物排放量大，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)就需要有效的、可靠的技術(shù)以減少顆粒物排放[2]。從排放控制技術(shù)上來(lái)看，僅靠缸內(nèi)燃燒控制和提高燃油品質(zhì)已經(jīng)難以滿(mǎn)足當(dāng)前排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。目前，“國(guó)IV”柴油機(jī)都普遍采用了后處理技術(shù)，并且未來(lái)將對(duì)后處理技術(shù)提出更高的要求以滿(mǎn)足更加嚴(yán)格的排放法規(guī)[4]。

DPF（Diesel Particulate Filter，顆粒捕捉器）是對(duì)柴油機(jī)排放顆粒物進(jìn)行控制的重要手段[5]，也是當(dāng)前眾多后處理技術(shù)中商業(yè)應(yīng)用價(jià)值最高、市場(chǎng)前景最好的減排技術(shù)之一[6]。其中，壁流式DPF由于其交錯(cuò)通道式的結(jié)構(gòu)，具有極高的顆粒捕集效率（實(shí)現(xiàn)物理捕集柴油機(jī)顆粒[7]，捕集效率常常高于95%[8-9]）而得到了廣泛應(yīng)用。

但由于柴油機(jī)顆粒物是燃油在高溫、高壓以及缺氧環(huán)境下裂解而產(chǎn)生的[10]，并且柴油機(jī)顆粒物的成分組成取決于運(yùn)行工況，成分不同對(duì)應(yīng)的顆粒物質(zhì)量、粒徑以及數(shù)量差異性大，顆粒物中質(zhì)量較大的都集中在粒徑0.1～1.0 μm之間，而顆粒物中數(shù)量較多的則集中在粒徑50 nm以下，導(dǎo)致這些小粒徑顆粒物更容易吸附有害的重金屬和有機(jī)物，對(duì)人體產(chǎn)生更大的危害[12-13]。此外，不同質(zhì)量、粒徑的顆粒物在DPF沉積過(guò)程表現(xiàn)形式不同，而目前眾多研究主要集中在顆粒物本身特性變化以及單一性質(zhì)顆粒物的沉積研究，未就不同顆粒物在DPF內(nèi)的表現(xiàn)形式尤其沉積過(guò)程進(jìn)行研究。

本文基于搭建的DPF沉積可視化裝置，選取4種碳黑研究了碳黑微粒特性對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程影響，包括：隨碳黑顆粒沉積高度的增長(zhǎng)，DPF過(guò)濾壓降的變化情況以及碳黑微粒特性（比表面積和粒徑）對(duì)顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率的影響。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1DPF沉積可視化裝置

實(shí)驗(yàn)室搭建的DPF沉積可視化裝置如圖1所示。碳黑顆粒流通過(guò)真空泵抽吸流經(jīng)DPF沉積可視化裝置主體結(jié)構(gòu)，并在DPF切片（60 mm×30 mm單層壁面，通過(guò)將DPF載體切割加工而成）上沉積。使用2D激光位移傳感器（基恩士LJG080，測(cè)點(diǎn)數(shù)650個(gè)，測(cè)量寬度40 mm，測(cè)量精度1 μm）與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)在線(xiàn)測(cè)量顆粒在DPF上的沉積高度;使用數(shù)字壓力表（測(cè)量間隔2? s，測(cè)量精度10 Pa）測(cè)量DPF切片兩端過(guò)濾壓降，并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù);使用質(zhì)量流量控制器（量程20 L/min）控制通過(guò)DPF切

片的空氣流量，以確保過(guò)濾速度≤0.15 m/s，同時(shí)實(shí)現(xiàn)定流量過(guò)濾;在質(zhì)量流量控制器前端加裝三級(jí)空氣濾清器，過(guò)濾水分以及穿透主體結(jié)構(gòu)DPF切片的小粒徑顆粒物，防止其進(jìn)入質(zhì)量流量控制器導(dǎo)致?lián)p壞。

DPF沉積可視化裝置主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。DPF載體切片上方存在可視化窗口，激光線(xiàn)束可通過(guò)該窗口在線(xiàn)測(cè)量顆粒層高度，此外切片也可取出以便進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)量。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本文選用堇青石材質(zhì)的壁流式蜂窩陶瓷體為實(shí)驗(yàn)用DPF載體（CPSI=100）。

選取商用碳黑用于模擬柴油顆粒物，這是由于其微粒特性與柴油機(jī)排放顆粒物近似且常在實(shí)驗(yàn)中被模擬使用[14]，4種商用碳黑參數(shù)如表1所示。

采用實(shí)驗(yàn)室自制的鼓風(fēng)式顆粒發(fā)散器作為碳黑氣溶膠發(fā)生器。使用風(fēng)機(jī)對(duì)流將碳黑顆粒層分散后形成氣溶膠，利用緩存箱進(jìn)行穩(wěn)壓穩(wěn)流，同時(shí)使用AVL煙度計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后氣溶膠濃度保證濃度穩(wěn)定，并4次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)保證結(jié)果，然后利用真空泵抽吸進(jìn)入DPF沉積可視化裝置。

1.3試驗(yàn)方法

通過(guò)顆粒層過(guò)濾壓降增長(zhǎng)率（dΔP/dt）surf以及沉積高度增長(zhǎng)率（dw/dt）surf可以獲得滲透系數(shù)ksoot以及孔隙率ε?；谶_(dá)西公式[15]，可以將過(guò)濾壓降增長(zhǎng)率（dΔP/dt）surf與沉積高度增長(zhǎng)率（dw/dt）surf的關(guān)系可表示為

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1DPF過(guò)濾壓降與碳黑顆粒層沉積高度的關(guān)系

本文基于DPF過(guò)濾壓降與碳黑顆粒層沉積高度，發(fā)現(xiàn)隨碳黑顆粒沉積高度的增長(zhǎng)DPF過(guò)濾壓降的變化情況如圖3所示。

由圖3可知：隨碳黑顆粒沉積高度的增長(zhǎng)，DPF過(guò)濾壓降可以被劃分為典型的深床過(guò)濾、過(guò)渡階段以及顆粒層過(guò)濾三個(gè)階段，該結(jié)果同文獻(xiàn)[19]結(jié)論相同;在各顆粒層下，過(guò)渡階段結(jié)束時(shí)的顆粒層高度為20 μm左右。在相同顆粒層高度下，過(guò)濾壓降根據(jù)SB4A、CB FW200、SB250、PU的順序依次升高，主要在于顆粒層階段的壓降增長(zhǎng)率有明顯的變化。此外，在深床過(guò)濾階段，PU形成的壓降要明顯高于其他三種碳黑，這是由于PU的原生粒徑與BET綜合起來(lái)相對(duì)較小。

圖3DPF過(guò)濾壓降與碳黑顆粒層沉積高度的關(guān)系

隨顆粒沉積高度的增長(zhǎng)，過(guò)濾壓降在較大過(guò)濾速度下也呈相同變化趨勢(shì)，但顆粒層過(guò)濾階段前持續(xù)時(shí)間變短，可獲得數(shù)據(jù)量偏少，反之亦然，因此此處選取0.03 m/s[19]。

2.2碳黑微粒特性對(duì)顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率影響

在顆粒層過(guò)濾階段，通過(guò)擬合過(guò)濾壓降隨碳黑顆粒層高度的壓降增長(zhǎng)率可以計(jì)算顆粒層滲透系數(shù)及孔隙率。其中，碳黑PU、SB 4A、CB FW200、

SB 250在過(guò)濾速度為0.03 m/s時(shí)的顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率如表2所示。同時(shí)，對(duì)4種碳黑對(duì)的微觀特性進(jìn)行了電鏡TEM測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。

由表2及圖4可知：對(duì)比SB 4A與PU，粒徑相同，比表面積增大，顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率均增大;對(duì)比CB FW200與PU，粒徑減小，比表面積增大，顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率均增大;對(duì)比SB 250與PU，粒徑增大，比表面積減小，堆積密度越大;對(duì)比CB FW200和SB 4A，粒徑減小，比表面積增大，顆粒層滲透系數(shù)相差較大、孔隙率相差不明顯;對(duì)比SB250和SB 4A，粒徑增大，比表面積減小，顆粒層滲透系數(shù)相差較大、孔隙率相差不明顯;對(duì)比SB250和CB FW200，粒徑增大，比表面積減小，顆粒層滲透系數(shù)相差較大、孔隙率相差不明顯。因此，顆粒層滲透系數(shù)與孔隙率同時(shí)受到比表面積和粒徑的共同影響。此外，由圖4可知：除了比表面積和粒徑，顆粒物之間的連接程度也將是影響結(jié)果的可能原因之一。

3結(jié)論

本文利用碳黑PU、SB 4A、CB FW200、SB 250研究了碳黑微粒特性對(duì)DPF顆粒沉積過(guò)程影響，包括：隨碳黑顆粒沉積高度的增長(zhǎng)，DPF過(guò)濾壓降的變化情況以及碳黑微粒特性（比表面積和粒徑）對(duì)顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）隨碳黑顆粒沉積高度的增長(zhǎng)，DPF過(guò)濾壓降可以被劃分為典型的深床過(guò)濾、過(guò)渡階段以及顆粒層過(guò)濾三個(gè)階段;且在各顆粒層下，過(guò)渡階段結(jié)束時(shí)的顆粒層高度為20 μm左右。

2）在深床過(guò)濾階段，顆粒原生粒徑與BET綜合起來(lái)相對(duì)較小就更能獲得更大的壓降。

3）顆粒層滲透系數(shù)、孔隙率同時(shí)受到比表面積和粒徑的共同影響。此外，顆粒間的緊密程度也將是影響結(jié)果的可能原因之一。

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