第7章柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染及控制主講人主講人 龔金科等龔金科等2022年2月24日7.1 概述7.2 微粒捕集器7.3 NOX機(jī)外凈化技術(shù)7.4 氧化催化轉(zhuǎn)化器第7章 柴油機(jī)后處理凈化第7章 柴油機(jī)后處理凈化概述 隨著排放法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格，僅僅靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)是不夠的，必須同時(shí)采取機(jī)外凈化技術(shù)。第7章 柴油機(jī)后處理凈化必須同時(shí)采取機(jī)外凈化技術(shù)的理由：1、潤(rùn)滑油的消耗只能減少到一定的程度，任何一種發(fā)動(dòng)機(jī)不可能不消耗潤(rùn)滑油；2、機(jī)內(nèi)凈化主要以油氣充分混合為目的，如高壓噴射技術(shù)對(duì)大微粒的減少是以增加細(xì)小微粒數(shù)量為代價(jià)，而細(xì)小微粒對(duì)人體和環(huán)境的危害更大；3、降低微粒與降低NOX之間存在一定的矛盾。第7章 柴油機(jī)后處

2、理凈化隨著世界各國(guó)對(duì)柴油車(chē)排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格 柴油機(jī)顆粒物 PM 及 NOx 排放控制成為柴油機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。降低NOx的排放催化還原凈化技術(shù)降低微粒中的可溶性有機(jī)物（降低微粒中的可溶性有機(jī)物（SOF）以及凈化柴油機(jī)排放的以及凈化柴油機(jī)排放的CO和和HC氧化催化轉(zhuǎn)化器我國(guó)柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)第7章 柴油機(jī)后處理凈化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)及后處理凈化技術(shù)都是為了減少污染物的排放，達(dá)到符合國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。排放法規(guī)：為了治理環(huán)境污染，各國(guó)根據(jù)大氣環(huán)境污染的具體情況，制訂有關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律與大氣污染治理目標(biāo)，對(duì)各種污染源的排放提出控制要求，針對(duì)不同類型的機(jī)動(dòng)車(chē)制訂出不同的排放標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)是要求強(qiáng)制性執(zhí)行的

3、。第7章 柴油機(jī)后處理凈化第7章 柴油機(jī)后處理凈化階段柴油轎車(chē)排放限值 g/kmCOHC+NOXNOXPM國(guó)12.720.970.860.14國(guó)2163.2%0.727.8%0.6227.9%0.0842.9%國(guó)30.6476.5%0.5642.3%0.541.9%0.0564.3%國(guó)40.581.6%0.369.1%0.2570.9%0.02582.1%當(dāng)前針對(duì) PM 及 NOx 排放控制的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)有兩條路線：一種是 EGR + DPF路線, 由于該路線在美國(guó)使用較多, 又稱美國(guó)路線;基本思路: 通過(guò)廢氣再循環(huán) EGR( Exhaust Gas Recirculation)技術(shù)使

4、發(fā)動(dòng)機(jī)的 NOx降下來(lái), 由于廢氣進(jìn)入使空燃比降低, 發(fā)動(dòng)機(jī) PM 排放會(huì)有所增加, 再采用顆粒過(guò)濾器 DPF ( DeselParticulate Filter)過(guò)濾廢氣中的 PM成分,使 PM排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。第7章 柴油機(jī)后處理凈化第7章 柴油機(jī)后處理凈化另一種是燃燒優(yōu)化 + SCR路線, 歐洲較多采用又稱歐洲路線?；舅悸?通過(guò)增加噴油提前角把 PM 降低, 同時(shí)NOx會(huì)大幅升高, 再用選擇性催化還原技術(shù) SCR ( Selective Analyt ic Reduction)使 NOx排放降到標(biāo)準(zhǔn)限值以下。第7章 柴油機(jī)后處理凈化微粒機(jī)外凈化技術(shù)等離子凈化技術(shù)：柴油機(jī)排氣中的有害成分

5、經(jīng)過(guò)等離子反應(yīng)器，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其中NO很容易氧化成NO2。由于NO2有很強(qiáng)的氧化性，在柴油機(jī)排氣溫度下就可將碳煙微粒氧化成碳的氧化物，通常認(rèn)為碳煙微粒的降低是因NO2的生成所致。靜電捕集技術(shù)：利用電場(chǎng)對(duì)排氣微粒進(jìn)行靜電吸附，達(dá)到微粒凈化的目的。即在排氣通道中建立高壓強(qiáng)電場(chǎng)，排氣氣流流過(guò)電場(chǎng)時(shí)，帶電粒子分別被異性電極吸附。主要問(wèn)題：設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，且氣流流速對(duì)靜電捕集效率的影響較大。溶液清洗技術(shù)：讓排氣通過(guò)水或油來(lái)清洗微粒的方法。特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，適合于固定的排氣設(shè)備。離心分離技術(shù)：將排氣引入旋風(fēng)分離器中，利用微粒的離心力，將微粒從氣流中分離出來(lái)。特點(diǎn)：由于柴油機(jī)微粒很小，直

6、徑大多在1m以下，這種技術(shù)只能分離微粒的5%10%，效果較差，但是這種方法可與其它方法一起使用。第7章 柴油機(jī)后處理凈化微粒捕集器 微粒捕集器的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料的選擇與過(guò)濾體的再生，其中又以后者尤為重要。 本節(jié)主要介紹微粒捕集器的過(guò)濾機(jī)理、過(guò)濾體材料及其結(jié)構(gòu)、過(guò)濾體再生三個(gè)方面的問(wèn)題。柴油機(jī)微粒捕集器 第7章 柴油機(jī)后處理凈化過(guò)濾機(jī)理微粒捕集示意圖 第7章 柴油機(jī)后處理凈化擴(kuò)散機(jī)理 初始排氣中的微粒濃度分布是均勻的。當(dāng)流場(chǎng)中出現(xiàn)捕集物后，捕集物對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)起匯的作用，從而造成排氣中微粒分布的濃度梯度，引起微粒的擴(kuò)散輸運(yùn)，使微粒脫離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡向捕集物運(yùn)動(dòng)而被捕集。 微粒沉積的三種機(jī)理1-擴(kuò)

7、散機(jī)理微粒；2-攔截機(jī)理微粒； 3-慣性沉積機(jī)理微粒 第7章 柴油機(jī)后處理凈化擴(kuò)散機(jī)理 微粒的尺寸越小，排氣溫度越高，則布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，擴(kuò)散沉積作用越明顯。不同直徑微粒的擴(kuò)散捕集效率 當(dāng)微粒直徑小于1m時(shí)，需要考慮微粒的擴(kuò)散作用，當(dāng)微粒的直徑小于0.1m時(shí)，擴(kuò)散作用已經(jīng)十分顯著。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化攔截機(jī)理攔截機(jī)理：當(dāng)微粒接近過(guò)濾表面，一旦微粒與過(guò)濾表面的距離小于或等于其半徑，即微粒直徑大于或等于過(guò)濾微孔直徑時(shí)，微粒就被攔截捕集。攔截機(jī)理第7章 柴油機(jī)后處理凈化慣性碰撞機(jī)理與綜合過(guò)濾機(jī)理第7章 柴油機(jī)后處理凈化 慣性碰撞機(jī)理：當(dāng)氣流轉(zhuǎn)折時(shí)，微粒有足夠的動(dòng)量按原運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)對(duì)著捕集物前進(jìn)而

8、偏離流線，使一些微粒碰撞到捕集物而被捕集分離。 綜合過(guò)濾機(jī)理：認(rèn)為在微粒的過(guò)濾過(guò)程中，擴(kuò)散、攔截和慣性碰撞通常是組合在一起同時(shí)起作用的，但這三種機(jī)理并不是完全獨(dú)立的。過(guò)濾體材料及其結(jié)構(gòu)壁流式蜂窩陶瓷 第7章 柴油機(jī)后處理凈化陶瓷基過(guò)濾材料 陶瓷基過(guò)濾材料通常由氧化物或碳化物組成，具有多孔結(jié)構(gòu)，在700以上能保持熱穩(wěn)定，比表面積大于1m2/g ，主要結(jié)構(gòu)包括蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纖維氈。 壁流式蜂窩陶瓷整體與多空陶瓷微觀結(jié)構(gòu) 進(jìn)氣道 排氣道 過(guò)濾壁面 陶瓷堵封第7章 柴油機(jī)后處理凈化陶瓷基過(guò)濾材料陶瓷纖維氈過(guò)濾體結(jié)構(gòu) 泡沫陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 第7章 柴油機(jī)后處理凈化金屬基過(guò)濾材料 金屬材料的強(qiáng)度、

9、韌性、導(dǎo)熱性等方面有陶瓷無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。RYPOS TPAP金屬纖維氈過(guò)濾體結(jié)構(gòu)第7章 柴油機(jī)后處理凈化 特點(diǎn)：熱容小、升溫快。有利于排氣微?？焖倨鹑?，且抗機(jī)械振動(dòng)和高溫沖擊性能好。再生技術(shù)再生：再生：除去微粒捕集器內(nèi)沉積的微粒的過(guò)程。微粒捕集器 在微粒捕集器再生過(guò)程的研究中，經(jīng)常要涉及過(guò)濾體中已經(jīng)沉積的微粒質(zhì)量或過(guò)濾體負(fù)載量以及再生效果。第7章 柴油機(jī)后處理凈化過(guò)濾體負(fù)載量p1 沉積或負(fù)載微粒后的排氣背壓； pe 潔凈的捕集器在同一工況下的排氣背壓。 過(guò)濾體負(fù)載量用無(wú)量綱的負(fù)載參數(shù)M表征 第7章 柴油機(jī)后處理凈化1/eMpp 再生效率 再生效果用無(wú)量綱的再生效率r表征： 11()/()rre

10、pppp pr捕集器再生后的排氣背壓。 一般微粒捕集器允許最大負(fù)載參數(shù)Mmax35，要求再生效率r 70%80%。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化再生系統(tǒng)根據(jù)原理和再生能量來(lái)源的不同主動(dòng)再生系統(tǒng)是通過(guò)外加能量將氣流溫度提高到微粒的起燃溫度使捕集的微粒燃燒，達(dá)到再生過(guò)濾的目的。被動(dòng)再生系統(tǒng)利用柴油機(jī)排氣自身的能量使微粒燃燒，達(dá)到再生微粒捕集的效果。第7章 柴油機(jī)后處理凈化主動(dòng)再生系統(tǒng)第7章 柴油機(jī)后處理凈化帶再生燃燒器的微粒捕集器 帶再生燃燒器的微粒捕集器串連在排氣管中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖 (a)所示。 如在過(guò)濾體前設(shè)置一旁通排氣管，如圖 (b)所示。 在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中安裝兩套微粒捕集器，如圖(c)所示

11、。DPF在排氣系統(tǒng)中的布置第7章 柴油機(jī)后處理凈化電加熱再生系統(tǒng) 電加熱再生系統(tǒng)的功率一般在36kW之間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、安全可靠，但再生時(shí)熱量利用率和再生速率低，消耗能量較多。 蜂窩陶瓷再生加熱電阻絲結(jié)構(gòu)1-回形電阻絲；2-螺旋形電阻絲 電加熱再生在微粒捕集器工作一段時(shí)間后，采用電熱絲或其它電加熱方法，周期性的對(duì)微粒捕集器加熱使微粒燃燒。第7章 柴油機(jī)后處理凈化微波加熱再生系統(tǒng) 再生過(guò)程中過(guò)濾體內(nèi)部溫度梯度小，再生過(guò)程易于控制。微波再生效率高，沒(méi)有二次污染。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化 利用微波獨(dú)具的選擇加熱及體積加熱特性來(lái)再生微粒捕集器。微粒可以以60%70%的能量效率吸收頻率為210G

12、Hz的微波，由于陶瓷的損耗系數(shù)很低，所以微波并不會(huì)加熱陶瓷過(guò)濾體。紅外加熱再生系統(tǒng) 加熱器的輻射能量主要集中在紅外波段。首先，加熱器加熱具有較強(qiáng)輻射能力的紅外涂層；然后，紅外涂層通過(guò)輻射方式加熱過(guò)濾器中捕捉到的微粒物。第7章 柴油機(jī)后處理凈化被動(dòng)再生系統(tǒng)第7章 柴油機(jī)后處理凈化 柴油機(jī)在高速大負(fù)荷運(yùn)行時(shí) ， 排 氣 溫 度 可 以 達(dá) 到500以上。在此溫度下，沉積在過(guò)濾器內(nèi)的微粒可以自行燃燒，從而達(dá)到過(guò)濾器再生的目的。 大負(fù)荷再生催化再生 在過(guò)濾體的表面浸漬催化劑，催化器與捕集器是同一整體。使用過(guò)程中鉑作為催化劑，當(dāng)排氣溫度達(dá)到400左右微粒開(kāi)始氧化。催化再生器第7章 柴油機(jī)后處理凈化催化再

13、生22NOONONOCNOCO反應(yīng)方程式第7章 柴油機(jī)后處理凈化燃油添加劑再生 在燃油中加入金屬催化劑（如金屬鈰Ce)，添加劑與燃油一起在氣缸內(nèi)參與燃燒，燃燒后生成的金屬氧化物對(duì)微粒起催化作用，降低微粒起燃溫度，從而在較低的排氣溫度下不需外部能源，過(guò)濾體能自行再生。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化NOx 機(jī)外凈化技術(shù)NOx的機(jī)外凈化技術(shù)主要是催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，主要包括：NOx凈化器第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)選擇性非催化還原吸附催化還原等離子輔助催化還原選擇性催化還原NOX選擇性催化還原選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction）方法：在氧濃度高出NOX濃度兩個(gè)數(shù)量

14、級(jí)以上的條件下， NOX的還原反應(yīng)被加速，還原劑（各種氨類物質(zhì)或各種HC ）的氧化反應(yīng)則受到抑制。工作溫度范圍為250 500。HC-SCR反應(yīng)體系NH3-SCR反應(yīng)體系第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOX選擇性催化還原SCRNH3-SCRHC-SCR還原劑：各種氨類物質(zhì) 催化劑：貴金屬Pt、非貴金屬的Ag、Cu以及Cu-ZSM-5等還原劑：各種碳?xì)湮镔|(zhì) 催化劑：V2O5-TiO2、Ag -Al2O3，等 SCR系統(tǒng)第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOX選擇性催化還原使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。硫會(huì)通過(guò)SSO2SO3NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途徑生成硫酸銨或硫酸氫銨，它們

15、沉積在催化劑表面上會(huì)使其失活。 NOX選擇性催化還原器 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)SCR系統(tǒng)NH3-SCR系統(tǒng)，已在發(fā)電廠和固定式柴油機(jī)上得到應(yīng)用。有如下反應(yīng)式：以氨水作為還原劑的SCR系統(tǒng)，可以降低柴油機(jī)NOX排放95%以上，但柴油機(jī)需要一套復(fù)雜的控制還原劑噴射量的系統(tǒng)。對(duì)于轎車(chē)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，從使用的方便性出發(fā)，希望可用燃油中的HC作為還原劑，HC-SCR系統(tǒng)有如下反應(yīng)式： 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng):2NH3+NO+NO2 2N2+ 3H2O快速SCR反應(yīng):4NO+4NH3+O24N2+6H2OOHCONOHCNO2222242544SCR系統(tǒng)國(guó)內(nèi)SCR有待解決的難題：1、

16、SCR的難點(diǎn)是精確控制噴射量和尿素的配送問(wèn)題。尿素在-11下會(huì)凝固，車(chē)輛在黃河以北則需要附加設(shè)計(jì)加熱和解凍裝置；催化還原時(shí)需要的尿素很少，需要精確地控制尿素的噴射量。ECU既要對(duì)燃油噴射進(jìn)行控制，又要對(duì)尿素噴射進(jìn)行控制，這對(duì)于電控單元的設(shè)計(jì)和標(biāo)定都是一個(gè)難題。2、ECU技術(shù)。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOX的選擇性非催化還原選擇性非催化還原也稱為SNCR（Selective Non Catalytic Reduction），它的原理是在高溫排氣中加入NH3作為還原劑，與NOX反應(yīng)后生成N2和H2O，其總量反應(yīng)式為： SNCR方法的優(yōu)點(diǎn)是可以省去價(jià)格昂貴的催化劑。選擇壓縮上止點(diǎn)后60A左右的時(shí)

17、刻向柴油機(jī)缸內(nèi)噴射氨水，可以明顯降低NOx的效果。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)OHNNONHNOOHNONHNO222322233226444NOX吸附催化還原吸附催化還原是基于發(fā)動(dòng)機(jī)周期性稀燃和富燃工作的一種NOX凈化技術(shù)。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)處于稀燃階段，排氣處于富氧狀態(tài)，NOX被吸附劑以硝酸鹽（ MNO3，M表示堿金屬）的形式存儲(chǔ)起來(lái)： 32225 . 0MNOMONONOONO再生方法 吸附器的再生可通過(guò)柴油機(jī)周期性的稀燃和富燃工況（或人為調(diào)整的富燃條件下）進(jìn)行，使硝酸鹽分解釋放出NOX，NOX再與HC和CO在貴金屬催化器下被還原為N2。 第7章 柴油機(jī)后

18、處理凈化技術(shù)22235.05.0CONCONOONOMOMNO2225 . 0)25. 0()5 . 02(cCOOhHNhcHCNOhchc富氧狀況下NOX吸附催化原理 富氧狀況下NOX吸附催化原理 以含堿金屬鋇（Ba）作為吸附劑為例，在富氧狀況下，Pt催化劑使NO氧化成NO2，NO2進(jìn)一步與吸附劑中的鋇生成硝酸鋇而被捕集。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)富燃狀況下NOX吸附催化原理 在富燃狀況下，硝酸鋇分解并釋放出NOX，NOX再與HC和CO反應(yīng)被還原成N2。在貧燃或富燃交替變換的環(huán)境下，堿金屬鋇分別以硝酸鋇、氧化鋇或碳酸鋇的形態(tài)存在，起著吸附及釋放NOX的作用。富燃狀況下NOx吸附催化原理

19、第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)等離子輔助催化還原 離子、激發(fā)態(tài)分子、原子和自由基等都是化學(xué)活性極強(qiáng)的物種。首先利用這些活性物種把NO和HC氧化為NO2和部分氧化的高選擇性含氧CH類還原劑，然后再在催化劑作用下促使新產(chǎn)生的高選擇性活性物種還原NO2，生成無(wú)害的N2。等離子輔助催化還原NOX二級(jí)系統(tǒng) 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)等離子輔助催化還原反應(yīng)方程式反應(yīng)方程式如下：第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)第一階段：等離子NOx的活性增強(qiáng)：HC的活性增強(qiáng)：2NONO 22CCxHyOOxHy第二階段：催化劑NOx在催化劑作用下選擇性催化還原OHOxHyO222222CONC)NONOx(NO或等離子體輔助催化的主要作用與優(yōu)點(diǎn) 等離子輔助催化還原器工作示意圖 1. 等離子體氧化過(guò)程是部分氧化。用低溫等離子體技術(shù)處理柴油機(jī)排放時(shí)：1.可減少NOX、PM、HC的排放。2.對(duì)燃料含硫量幾乎沒(méi)有要求，可在相對(duì)低的溫度下運(yùn)行。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)2. 等離子體氧化是有選擇性的。 3. 等離子體先將N氧化為NO2，再利用一種新型催化劑將NO2還原為N2 。氧化催化轉(zhuǎn)化器 氧化催化轉(zhuǎn)化器采用沉積在面容比很大的載體表面上的催化劑作為觸媒元件，使排氣中的部分或大部分HC和CO與排氣中殘留的O2化合，生成無(wú)害的CO2和H2O。 氧化催化轉(zhuǎn)化器 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技