粉末冶金微孔过滤器及其再生技术应用分析

    使用柴油作燃料的压燃式内燃机排放的微粒(Particulate,缩写PT),一般要比使用汽油作燃料的点燃式内燃机多几十倍。排放微粒的主要物质是碳,其粒度一般小于0.3μm,可深入人的肺部造成机械性超负荷,损伤肺内各种通道的自净机制,从而使其他化合物容易发挥致癌作用。碳粒还吸附有多种有机物质,具有不同程度的诱发和致癌作用。　　　　在柴油车较多的城市中,柴油机排放的微粒可使市内光线受折射,使天空变暗。对于轿车和轻型车用的轻型柴油机,微粒排放量在0.1~1.0g/km的数量级,对于重型车用的重型柴油机,微粒排放量在0.1~1.0g/(kW·h)的数量级。车用柴油机排放微粒的净化技术是微粒过滤器及其再生,已经研究开发的体积过滤滤芯用泡沫陶瓷、钢丝棉绳或陶瓷纤维筒等疏松材料制成,表面过滤滤芯材料用蜂窝陶瓷,这些材料各有特点。本文提出了一种新的滤芯材料的使用———粉末冶金材料,并设计了粉末冶金微孔过滤器的再生结构及方法。　　　　1排气微粒的理化特性　　　　柴油机排气微粒[1]的组成取决于柴油机的运转工况,尤其是排气温度.当排气温度超过约500℃时,排气微粒基本上是很多碳质微粒的聚集体,称为碳烟粒。当排气温度低于500℃时(柴油机绝大多数工况都是这样)烟粒会吸附和凝聚多种有机物,称为有机可溶成分(SolubleOrangicFraction,缩写SOF)。沿着柴油机的排气管道和测试取样系统,可观测到微粒粒度不断增大,且由于存在于气相中的有机化合物逐渐冷凝在微粒上,使其SOF含量增加。微粒中的SOF含有对健康和环境有害的成分,包括各种未燃碳化合物、含氧有机物和多环芳烃及其含氧和含氮衍生物等。　　　　经电子显微镜观测表明,柴油机排气微粒是一种由很多原生微球聚集而成的聚集体,这种聚集体可以包含103~104个微球体。这些微球体都是燃烧产生的碳粒,其直径在10~100nm数量级,但大多数在15~40nm范围内。测得的微粒粒度大多在0.02~1.0μm范围内,其体积平均粒度为0.1~0.3μm。微粒的表观密度在0.25~1.0kg/L范围内,烟粒的实测比表面为200m²/g左右,可见其结构很疏松。　　　　2排气微粒净化技术及其特点分析　　　　目前,比较可行的车用柴油机排气微粒净化技术,还是微粒过滤器DPF[1](DieselParticulateFilter)。　　　　2.1微粒过滤器DPF　　　　微粒过滤过程按滤芯结构特征不同分为表面过滤型和体积过滤型两种。　　　　体积过滤型DPF主要用比较疏松的过滤体积容纳微粒,滤芯是用泡沫陶瓷、钢丝棉或陶瓷纤维筒等较疏松材料制成的,共同缺点是过滤效率、排气阻力与外形尺寸之间有很大的矛盾,即在令人满意的效率和可以接受的阻力下,外形尺寸显得过大。　　　　表面过滤型滤芯用比较密实的过滤表面阻挡微粒,一般单位体积的表面积很大,材料壁薄,既可获得较高的过滤效率,又可具有较小的阻力。目前,公认最成功的表面过滤型DPF滤芯是蜂窝陶瓷DPF,但滤芯形状复杂,在很高的温度和温度梯度下易于损坏。　　　　2.2微粒过滤器DPF的再生　　　　DPF只能把微粒从柴油机的排气中过滤出来,沉积在滤芯内,它本身并不能清除微粒。清除DPF中积聚的微粒,以恢复到接近原先的低阻力特性,这个过程称为DPF的再生。　　　　已经开发的有用丙烷或柴油作为燃料、用电点火的燃烧器来引发DPF的再生。柴油燃烧器应用与柴油机相同的燃料,比较方便,但燃烧过程的组织比较困难,尤其启起动时可能燃烧不良,引起二次污染;应用丙烷作为燃烧器的燃料,容易保证完全燃烧,但需要单独的高压丙烷气瓶。平均温度在700~800℃,可以可靠点燃已沉积的微粒,但陶瓷滤芯因尺寸大再生周期延长,使滤芯过热而易碎裂或熔融。　　　　用电阻加热器供热也可使其再生,电阻加热器由车载蓄电池供电。其一种结构型式是把螺旋形电阻丝塞入蜂窝陶瓷滤芯进口一侧的蜂窝,另一种结构型式是采用回形电阻丝,布置在各蜂窝孔道的进口段。其电阻丝直接点燃微粒,DPF前部微粒燃烧的火焰随着排气气流向DPF的尾部传播,将整个通道内的微粒燃烧完毕。用电阻加热器供热再生可避免采用复杂昂贵的燃烧器,同时电加热可消除任何二次污染,但由于蜂窝陶瓷滤芯孔道数很多,这种结构是十分复杂的。

 

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