沈先明

合肥和安機(jī)械制造有限公司 安徽 合肥 231200

引言

近些年，為了落實(shí)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)要求，我國(guó)針對(duì)排放法規(guī)也做出了進(jìn)一步地完善，提出了更嚴(yán)格的要求。在當(dāng)前柴油機(jī)的使用過(guò)程中，一個(gè)重點(diǎn)的內(nèi)容就是減少顆粒物的排放，如果僅僅依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因此為了符合當(dāng)前的排放法規(guī)的要求，就要通過(guò)后處理技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，有效地去除排氣顆粒物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于柴油機(jī)的排放控制。

1 柴油機(jī)排氣顆粒物

DPM屬于較為復(fù)雜的聚合體，由流體與固體構(gòu)成。隨著氣缸內(nèi)部的燃燒，就會(huì)出現(xiàn)碳微粒，這也是DPM的最初形態(tài)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)于燒結(jié)物的組成的過(guò)程中，也摻入了有機(jī)物、無(wú)機(jī)物等幾種物質(zhì)，共同組成了柴油廢氣。一般來(lái)說(shuō)，在DPM中，涉及3種物質(zhì)成分，分別為固體物質(zhì)、可溶性有機(jī)組分、硫酸鹽物質(zhì)。首先對(duì)于固體物質(zhì)來(lái)說(shuō)，也就是干碳微粒，常常也將其叫作黑煙，在整個(gè)聚集物之中，這一部分發(fā)揮著核心作用。其次，對(duì)于可溶性有機(jī)組分而言，就是在碳顆粒的表面上，存在重?zé)N的凝結(jié)與吸附。按照不同的來(lái)源，可以將其進(jìn)行兩個(gè)類型的劃分，分別為未燃燃料以及未燃潤(rùn)滑油。最后，硫酸鹽物質(zhì)的產(chǎn)生源自于燃料中的硫成分的含量，這一部分也就是硫酸鹽水合物。由于差異性的發(fā)動(dòng)機(jī)，就會(huì)形成不同的DPM組成，而在DPM之中，所混合的具體成分取決于發(fā)動(dòng)機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速以及負(fù)載。針對(duì)濕顆粒而言，其中的可溶性有機(jī)組分可能會(huì)達(dá)到60%，而在干顆粒中，主要的組成成分為干碳。在柴油中所包含的硫的含量會(huì)直接決定硫化物的含量，相比較普通的顆粒物，在DPM之中具有部分重金屬元素的吸附，而且還包含多環(huán)芳烴等致癌物質(zhì)，因此如果這些顆粒被人體吸入，那么就會(huì)威脅到人體的健康和安全。其中的多環(huán)芳烴作為一種常見(jiàn)的致癌物，在其中包含超過(guò)兩個(gè)的苯環(huán)碳?xì)浠衔?。隨著柴油機(jī)的廢氣產(chǎn)生，也分解了其中的多環(huán)芳烴成分，將其分成顆粒、氣體兩種形態(tài)，而且在DPM有機(jī)物中，夾帶著大部分的混合物，具有一定的有害性。

DPM具有種種危害性，不僅僅會(huì)影響環(huán)境，帶來(lái)異樣的氣味，一個(gè)最嚴(yán)重的問(wèn)題就是能夠直接威脅到人的身體健康。在當(dāng)前城市的發(fā)展過(guò)程中，面臨著嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題，而其中一個(gè)最為關(guān)鍵的內(nèi)容就是顆粒排放。根據(jù)相關(guān)的衛(wèi)生研究證實(shí)，空氣中的顆粒污染直接使得人的各種疾病發(fā)病率的提升，在這其中，以柴油機(jī)所排放的顆粒物最為典型，在當(dāng)前的顆粒污染問(wèn)題中，一個(gè)主要的排放源頭就是柴油機(jī)。

2 柴油車排放顆粒物的后處理技術(shù)

2.1 顆粒捕集器

對(duì)于顆粒捕集器而言，這一項(xiàng)目?jī)?nèi)容的研究經(jīng)歷了幾十年之久，主要原理就是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管之中，進(jìn)行過(guò)濾器的設(shè)置，依靠其進(jìn)行顆粒物的過(guò)濾。所選取的過(guò)濾材料載體的材質(zhì)有很多，比如說(shuō)金屬、陶瓷、陶瓷纖維。在過(guò)濾器中進(jìn)行顆粒物的捕集，之后在其中所收集到的顆粒物通過(guò)氧化燃燒，并實(shí)現(xiàn)捕集器再生。隨著研究的推進(jìn)，提出了多種類型的顆粒捕集器，在其中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)計(jì)方式就是整體壁流式設(shè)計(jì)。在這一類型的過(guò)濾器中，以陶瓷材料作為過(guò)濾材料，一般都具有一定的特殊性，比如說(shuō)堇青石，或者也可以應(yīng)用陶瓷纖維，具有連續(xù)式特點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品制作時(shí)，能夠滿足多種型號(hào)需要。

對(duì)于捕集器再生而言，從根本上來(lái)看，這一流程屬于氧化碳煙與捕集之間的動(dòng)態(tài)平衡。在柴油機(jī)中所產(chǎn)生的顆粒物由多種物質(zhì)混合，具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。所以只有在溫度達(dá)到500℃以上，才能夠使得混合物發(fā)生燃燒。因此，針對(duì)這一燃燒溫度要求來(lái)看，依靠柴油機(jī)的正常排氣溫度是難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的。所以，為了滿足溫度要求，可以通過(guò)外加熱源的方式，實(shí)現(xiàn)排氣溫度的提高，也可以依靠催化劑，讓其能夠具有更低的氧化溫度。在這一過(guò)程中，一個(gè)重點(diǎn)需要關(guān)注的問(wèn)題就是在顆粒物燃燒的過(guò)程中，隨著溫度的升高，可能會(huì)造成捕集器出現(xiàn)斷裂、融化等現(xiàn)象。所以，無(wú)論應(yīng)用哪種點(diǎn)火方式，都要以不會(huì)對(duì)于捕集器造成損壞為前提，這也是在進(jìn)行顆粒捕集器研發(fā)過(guò)程中一個(gè)需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。捕集器再生方法較多，可以將其總結(jié)為兩大類型，分別為積極以及消極再生方法。

2.1.1 消極再生方法。對(duì)于這一方法而言，原理就是通過(guò)催化劑，使得碳煙燃點(diǎn)降低，其中以催化過(guò)濾器最為常見(jiàn)，隨著研究的深入，在此基礎(chǔ)上也推出了多種過(guò)濾器，比如說(shuō)CRT過(guò)濾器、添加劑過(guò)濾器等。這種再生方法能夠?qū)崿F(xiàn)催化轉(zhuǎn)化和捕集器的一體化，不僅整個(gè)裝置具有較高的簡(jiǎn)便性，而且無(wú)須額外的能量。因此，對(duì)于催化過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，屬于當(dāng)前的一個(gè)備受關(guān)注的研究問(wèn)題。催化過(guò)濾器其中增加了催化劑的設(shè)置，具體的再生原理就是通過(guò)捕集器表面的催化劑涂層，利用其中所具有的貴金屬的含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于顆粒物的催化分解，這樣就能使得過(guò)濾器再生溫度降低，下降幅度在大約100℃，這樣就能夠催化過(guò)濾器的再生。當(dāng)前大部分催化過(guò)濾器的載體都采用了蜂窩陶瓷過(guò)濾器，以堇青石作為原料，也研發(fā)了具體的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。在上方的催化劑涂層也具有多種配方，不僅可以應(yīng)用貴金屬，也可以選擇堿土金屬。通過(guò)陶瓷催化過(guò)濾器的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的DPM去除率，但是在這一過(guò)程中，相對(duì)來(lái)說(shuō)也增加了壓力降。而連續(xù)再生過(guò)濾器針對(duì)顆粒物排放控制所起到的作用，也實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化發(fā)展。這種過(guò)濾器就是在捕集器前進(jìn)行氧化催化劑的增設(shè)，這樣就能夠通過(guò)氧化催化劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)于所捕集的顆粒的氧化，從而達(dá)成連續(xù)再生目標(biāo)。在這一過(guò)程中，為了確保其能夠處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，要進(jìn)行脫硫燃油的使用。針對(duì)采用添加劑的過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，其中所添加的燃油有催化劑中，以鐵、銅、鉑等為主要類型。在當(dāng)前的柴油轎車的過(guò)濾器中，以鈰這種添加劑最為常見(jiàn)?，F(xiàn)階段，隨著各種實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，也對(duì)于各種材質(zhì)過(guò)濾器上添加劑的應(yīng)用所產(chǎn)生的再生效果，展開(kāi)了進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

2.1.2 積極再生方法。對(duì)于這種再生方法而言，主要就是以電加熱系統(tǒng)、燃油燃燒器等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)于顆粒物的燃燒。相較于上文所提到的消極再生方法，這種積極方法具有較高的復(fù)雜性，在維修的過(guò)程中較為煩瑣，而且還會(huì)帶來(lái)額外的能源消耗。

電加熱再生。這種方法就是利用通電加熱，通過(guò)加熱DPF，這樣就能夠燃燒微粒。一般就是在過(guò)濾器中進(jìn)行電熱絲的設(shè)置，通過(guò)電熱絲加熱實(shí)現(xiàn)這一再生過(guò)程。

燃燒器加熱再生。這種方式就是在過(guò)濾器中，一般是入口處的位置，進(jìn)行燃燒器的增設(shè)，隨著二次空氣、柴油的噴入，這樣就能夠促進(jìn)微粒的燃燒，從而達(dá)到再生的目的。在應(yīng)用這一方法的過(guò)程中，要進(jìn)行額外的燃油提供，而且還對(duì)于燃燒器的溫度，做出了恒定要求。所以在其中要設(shè)置一套自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于燃料以及二次空氣供給的有效控制[1]。

微波再生。這一再生理念的提出時(shí)間較早，就是通過(guò)對(duì)于捕集器以及表面顆粒所具有的差異性的介電性能，隨著微波的輻射，不同的吸收以及能量轉(zhuǎn)化能力都會(huì)限制其加熱程度。通過(guò)對(duì)于微波所具有的選擇性加熱的特點(diǎn)的利用，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的集中，讓其重點(diǎn)放在煙碳加熱之上，這樣就能夠有效地減少能耗，同時(shí)還能夠讓整個(gè)捕集基質(zhì)材料會(huì)直接決定所實(shí)現(xiàn)的處理效果。如果對(duì)于微波來(lái)說(shuō)，基質(zhì)材料屬于透明的，那么能夠?qū)崿F(xiàn)較為良好的顆粒物的加熱效果。如果所采用的材料對(duì)于微波具有吸收作用，那么就會(huì)造成顆粒物和捕集器共同加熱。

對(duì)于顆粒過(guò)濾器而言，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的顆粒物去除的效果，但是在中重型的柴油車排氣中，具有更高的適用性。這主要是由于當(dāng)前的捕集器要想實(shí)現(xiàn)再生，溫度要超過(guò)300℃，因此只有中重型的柴油車，能夠符合這一排氣的溫度要求。

2.2 催化凈化器

直至今日，針對(duì)柴油機(jī)的顆粒物催化、凈化這一方面的很多技術(shù)，都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的發(fā)展。具體功能就是依靠對(duì)于顆粒物中所具有的可溶性有機(jī)組分控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)于顆粒物排放量的有效限制。隨著研究的深入，也促進(jìn)了催化劑配方的優(yōu)化和完善，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于硫酸鹽顆粒物減少的效果[2]。

2.2.1 氧化催化劑。在20世紀(jì)的70年代，在柴油車上就有了氧化催化轉(zhuǎn)化器安裝的概念。通過(guò)氧化催化劑在柴油機(jī)中的應(yīng)用，就是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于顆粒物排放數(shù)量的控制，具體的原理等同于汽油機(jī)，一般采用整體蜂窩狀堇青作為載體，在最大程度上，確保廢氣和氧化劑能夠充分接觸。通過(guò)氧化催化劑，能夠?qū)τ谄渲兴哂械奶細(xì)浠衔铩⒁谎趸?、SOF，讓其獲得進(jìn)一步氧化，從而變成水和二氧化碳。在柴油機(jī)上，雖然具有比較低的排氣溫度，增加了碳煙氧化的難度，但是通過(guò)氧化催化劑的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于SOF之中所具有的大多數(shù)的碳?xì)浠衔锏霓D(zhuǎn)化，這樣就能夠從整體上減少微粒排放，具有較為良好的顆粒物的去除效果。而且還能夠有效地降低氣相中部分氣體的排放量，讓柴油機(jī)在排氣的過(guò)程中，不再具有較為濃郁的臭味。對(duì)于這種方法而言，具有一定的缺陷。如果溫度大于催化劑的限定范圍的最大值，那么大概率會(huì)產(chǎn)生逆向反應(yīng)，從而造成二氧化硫的氧化，讓其變?yōu)槿趸?，在?jīng)過(guò)和水的結(jié)合以后，就會(huì)產(chǎn)生硫酸。

2.2.2 四效催化劑。通過(guò)四效催化劑的運(yùn)用，能夠?qū)τ诓裼蜋C(jī)排氣中所包含的顆粒物以及有害氣體成分一并去除，屬于一種較為理想的凈化方法，屬于在柴油機(jī)上所應(yīng)用的汽車三效催化劑的概念。但是從實(shí)際角度上來(lái)看，要想基于氧化氛圍之下實(shí)現(xiàn)還原，具有較大的難度，而且在具體的排氣過(guò)程中，氣體比例也會(huì)對(duì)于二者反應(yīng)，造成不良影響，所以依然有待繼續(xù)深入的研發(fā)[3]。

2.3 低溫等離子催化轉(zhuǎn)化法

對(duì)于污染控制工程來(lái)說(shuō)，低溫等離子技術(shù)具有較為較廣泛的應(yīng)用，而在柴油機(jī)的廢氣控制方面，依然屬于一種新型方法，引發(fā)了很多研究人員的關(guān)注。通過(guò)低溫等離子技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于顆粒的有效去除?，F(xiàn)階段，針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)展開(kāi)了相關(guān)的多項(xiàng)研究。如果具有較低的排氣濃度，隨著電暈放電，就會(huì)形成等離子體，在這一過(guò)程中，以氧化反應(yīng)作為主導(dǎo)，所以如果單一的采用等離子體技術(shù)，可能在具體的去除方面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的效果。因此，為了有效解決這一問(wèn)題，就進(jìn)行了一體化系統(tǒng)的提出，通過(guò)該系統(tǒng)，對(duì)于等離子體來(lái)說(shuō)，在面對(duì)催化劑時(shí)，具有更強(qiáng)的選擇性，也能夠?qū)崿F(xiàn)更高的去除率。在傳統(tǒng)的低溫等離子體的技術(shù)中心，主要的不足和缺陷就是要想實(shí)現(xiàn)DPM氧化，以氣相反應(yīng)作為重點(diǎn)，所以如果處于較低的能量條件之下，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于DPM的完全氧化以及氣體的有效去除。根據(jù)最新的研究結(jié)果證實(shí)，通過(guò)在NTP反應(yīng)器中，進(jìn)行泡沫、陶瓷粒等填充材料的添加，也能夠有效地進(jìn)行污染物質(zhì)的捕集和吸附。在這種狀態(tài)之下，就能夠?qū)τ诙嘞嗷瘜W(xué)反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，打造良好的條件，而且還能夠讓等離子體具有更長(zhǎng)的停留時(shí)間，所以即便在較低的溫度條件之下，面對(duì)較小的能量，依然可以完全實(shí)現(xiàn)DPM的氧化，同時(shí)還能夠?qū)τ谄渲械募?xì)微顆粒物實(shí)現(xiàn)有效去除[4]。這種方法所需要的反應(yīng)溫度比較低，所以對(duì)于這種技術(shù)來(lái)說(shuō)，在輕型的柴油車的顆粒物去除中，具有較高的適用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前隨著對(duì)于柴油機(jī)顆粒物凈化技術(shù)的研究，已經(jīng)取得了一定的技術(shù)成果，在現(xiàn)存的排氣處理方法之中，占據(jù)主導(dǎo)地位的是催化方法，在當(dāng)前的研究工作中，熱點(diǎn)問(wèn)題就是實(shí)現(xiàn)催化劑工作效率的提升，增加其使用壽命，促進(jìn)新型的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)，加大推廣和應(yīng)用力度。