新聞主題	DPF對柴油發電機顆粒物的捕集效果分析

 

摘要：DPF（顆粒物捕捉器）作為柴油發電機尾氣后處理技術的關鍵部分，國內外學者對其一直有大量研究。康明斯公司在本文中介紹了在1500RPM且柴油發電機組在75%負荷下DPF對不同粒徑的PM捕集效果，研究結果表明，隨著試驗時間的延長，DPF對柴油發電機PM的捕集率有所提高，且DPF對大粒徑聚集態顆粒物的捕集率要高于對核態顆粒物的捕集率。

一、顆粒物及其形成過程

 

1、顆粒物組成

      顆粒物是固態碳煙、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生的，通常發生在高溫下沒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，這個尺寸區間的顆粒很容易被人類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，硫酸鹽和烴類在碳煙表面上吸附聚集形成柴油機顆粒。可溶性有機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。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、多環芳烴及其衍生物組成，在高負荷工況下會出現部分燃油添加劑和未燃燒充分的燃油。

2、顆粒物形成過程

      液相烴轉化為碳煙并最終形成柴油機顆粒物的過程主要有熱解、成核、表面生長、集聚與凝結、氧化等階段，成長過程如圖2所示。碳煙形成過程取決于壓力、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。

（1）熱解

      熱解是指在缺氧或者無氧條件下，通過高溫使有機物發生裂解的過程，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型。預混火焰中氧含量較高，產生的碳煙較少，而擴散火焰中氧含量較低，產生的碳煙較多，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物主要是C?H?、C?H4、CH4、C3H6和C6H6等。O?、O和OH自由基的存在會加速熱解，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物。

（2）成核

      成核是氣相熱解產物形成顆粒的過程。燃料熱解生成的各種不飽和烴類通過脫氫形成碳粒子，并逐漸聚合成長鏈和環芳烴，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量的貢獻較小，但能夠為表面生長提供活性位點，因此對后期的質量增長影響較大。通過對比不同條件下擴散火焰中開始形成碳核時的臨界氣動變形率，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

      表面生長是碳煙質量增加的關鍵因素，顆粒物尺寸的增加主要發生在表面生長過程中。氣相烴（主要是乙炔）在晶核表面沉積導致碳煙質量增加，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，這一過程會持續進行。表面生長過程中碳煙生成速率取決于成核數量，這一過程通常發生在成核之后的幾個ps到0.05 ms之間，因此該過程的停留時間對碳煙質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，表面生長速率越低。目前解釋碳煙表面生長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機理建立和改進了描述碳煙表面生長過程的反應動力學模型，研究了層流預混火焰中含量較高的6種烯炔烴的CAHM反應勢能面并進行動力學蒙特卡諾模擬，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程。小顆粒形成后，顆粒間的碰撞會導致團聚，從而引起顆粒物數量的減小和尺寸的增加。在這個過程中，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動機工況，如噴油類型和噴油條件等。

（5）氧化

      氧化是碳煙形成過程中，碳或碳氫化合物發生氧化反應形成燃燒產物的過程，這一過程貫穿從熱解到凝結的整個碳煙形成進程。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和聚結反應過程中的影響并不大，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時發生氧化，氧化反應阻力主要來自碳煙中的石墨狀結構。在燃料充足和滿足化學計量條件下，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，產生碳煙的傾向越大，氧含量越高則會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程，但會促進可溶性有機物的形成并附著在碳煙顆粒上，從而增加顆粒物的尺寸和質量。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，分子中的環狀結構，特別是稠環結構起著關鍵作用。非芳烴燃料中，碳原子數、主鏈長度、側鏈位置和長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量百分含量的增加呈線性增長。

 

圖1  顆粒物組成結構圖

圖2  柴油機顆粒物成長過程圖

 

二、柴油機尾氣裝置效果實驗

 

      國內有眾多學者對DPF的捕集特性做了較多研究表明，柴油發電機微粒捕集器（diesel particular filter，DPF）是目前公認的降低柴油發電機PM排放的最有效手段。DPF最常見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，每個通道均為只有一端堵塞的通孔結構，相鄰兩個通道封閉端不相鄰。DPF的工作機理正是根據這個結構特點，使流入的尾氣被迫通過過濾壁面流出，而尾氣中的PM也將在此過程中沉積在過濾壁面上，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系列柴油發電機，DPF捕集PM的試驗系統主要由柴油發電機、DPF、EEPS3090發動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1和采樣點2，在兩采樣點位置安裝管道，柴油發電機尾氣經稀釋系統稀釋后通入EEPS3090發動機廢氣排放顆粒物粒徑譜儀，在此對PM的粒徑分布進行測取。試驗時，柴油發電機恒定轉速為1500r/min，負荷為75%，連續運轉240min。

2 、試驗結果與分析

      柴油發電機尾氣中的PM主要是核態微粒和聚集態微粒。核態微粒主要是由缸內燃燒過程形成的未完全燃燒的碳核、發動機排氣在稀釋冷卻過程中形成的揮發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過碰撞聚集作用，表面吸附凝結的烴類等揮發性物質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后端取試驗開始后5min時刻和240min時刻，設置EEPS采樣步長為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，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，且聚集態顆粒物下降更為明顯。到240min時，大粒徑的聚集態顆粒物數量幾乎為0，說明DPF對聚集態顆粒物的捕集效果較為顯著。

      結合DPF的捕集原理及圖3可知，PM在DPF孔道內沉積會使孔道直徑減小，導致更多的PM被攔截而在孔道內沉積，從而提升了DPF對核態和聚集態顆粒的捕集效率。但值得注意的是，PM的沉積會導致排氣背壓增大，嚴重時影響發動機的正常運行。

3、  試驗結論

① 柴油發電機廢氣經過DPF的捕集后，聚集態顆粒物的濃度顯著降低，說明DPF對聚集態顆粒物的捕集效果較好。而相對于聚集態顆粒物，核態顆粒物的濃度變化較小，說明DPF對核態顆粒物的捕集效果較弱。

② DPF對顆粒物的捕集率隨時間的延長而升高，且對核態顆粒物的捕集效果增長較為顯著，說明DPF對顆粒物尤其是核態顆粒物的捕集并非瞬時性的，需要一定的時間作積累。

 

圖3 柴油機顆粒物實驗裝置

圖4 DPF前后端粒徑分布圖

 

總結：

      柴油發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的排放量較少等優點，但柴油發電機顆粒物（particulate matter，PM）的排放一直是制約柴油發電機發展的關鍵因素。根據PM粒徑的大小可將其分為直徑50nm以內的核態微粒和直徑50nm以上的聚集態微粒，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，能夠長期在空氣中漂浮并被人體吸入體內，其中所含的苯等多環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電機尾氣的首要工作。

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