柴油機(jī)排放后處理技術(shù)

1、柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代以來，能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大問題，嚴(yán)重危害人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，日益受到各國政府和民間的重視。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量的增加，對能源和環(huán)境的壓力日益加劇，新的排放法規(guī)的要求日趨嚴(yán)格，研究開發(fā)低排放、低油耗的汽車新技術(shù)勢在必行1。柴油機(jī)作為一種高效節(jié)能的動(dòng)力機(jī)械，在軍車動(dòng)力中占據(jù)這越來越重要的地位。為了保持柴油機(jī)卓越的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又能滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，電控燃油噴射、可變截面渦輪增壓器和廢氣再循環(huán)、排氣后處理等技術(shù)被相繼采用，并逐漸成為先進(jìn)柴油機(jī)的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來已經(jīng)愈有難度且成本較高，排

2、氣后處理技術(shù)成為了減少尾氣污染的重要手段。本文章主要介紹柴油機(jī)主要污染物生成機(jī)理，柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)的相關(guān)情況。一柴油機(jī)排放主要污染物生成機(jī)理柴油機(jī)排放的主要污染物有：NOx、微粒。1. NOXB生成機(jī)理感興趣的氮氧化物是指NO,N2O（燃?xì)廨啓C(jī)）和NO2,其中常見的是NO和NO2,它們統(tǒng)稱為NOx0在燃燒后的排氣過程中，更加穩(wěn)定的NO幾乎總是超過其它氮氧化物占主要地位。NO的生成途徑以確定有兩種：1 .高溫途徑即在已燃區(qū)產(chǎn)生的NO稱為熱NO;2 .瞬發(fā)途徑。即在火焰區(qū)產(chǎn)生的NO稱為瞬發(fā)NO;氮氧化合物是在燃燒過程中由燃燒空氣中的氮或來自化石燃料中的含氮有機(jī)物（主要是在重油和煤中）生成的。若

3、NOx排放受到熱力學(xué)平衡約束條件控制的話，則氮氧化物的濃度在排氣溫度下將小于1X10-6。當(dāng)燃燒產(chǎn)物的溫度下降，NOx濃度開始降低，但在火焰溫度下，供NOx分解的時(shí)間在通常的燃燒設(shè)備中都太短，難以達(dá)到平衡狀態(tài)，以及氮氧化合物在數(shù)十到數(shù)千（與燃燒的情況有關(guān)）10-6的濃度下被激冷。這樣，NOx生成和分解的化學(xué)過程是由化學(xué)動(dòng)力學(xué)而不是熱力學(xué)控制的。NO和NO2濃度是彼此被另一個(gè)快速活性基反應(yīng)連系在一起的：NO2和O,H和OH反應(yīng)生成NO,而NO和HO2反應(yīng)生成NO2。我們對氮氧化物和非有機(jī)成分反應(yīng)有很好地了解，但對NO和含碳物質(zhì)反應(yīng)卻有相當(dāng)空白，對該領(lǐng)域，研究興趣正在擴(kuò)大。2.微粒的生成機(jī)理柴油機(jī)

4、的總微粒TPM（totalparticularmatter）是由固體碳（solids,SOL）（起始的固體碳球直徑為0.01-0.08mi,由它們組成固體質(zhì)點(diǎn)并凝聚碳?xì)浠衔锷?.05-1.0中的SOL）,在SOL外面吸收了一層可用有機(jī)溶劑溶去的碳?xì)浠衔锓Q為可溶有機(jī)成分以及可溶于水的硫酸鹽三部分組成。如圖示2：硫酸鹽圖1柴油機(jī)微粒的組成O.Or-O.USjim宜行的固體。球形成固體質(zhì)點(diǎn)，聚合后成也。5-IM叩人并吸O收HC被吸收的HC液體健固的HC質(zhì)點(diǎn)水合作用生成硫酸鹽目前對碳煙的生成機(jī)理（特別是起始階段）和氧化細(xì)節(jié)，在火焰中碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理以及PM的生物毒性等方面的研究都不太成熟，已

5、經(jīng)提出的模型也只是在個(gè)別場合的使用是適用的，沒有普遍的意義。碳煙主要是碳，其他如O,H通常只有少量存在，它是碳?xì)浠衔锔邷叵铝呀饣鹑紵a(chǎn)生的。有火焰放出的碳煙量是由碳煙生成和氧化過程的競爭決定的。當(dāng)碳?xì)淞呀鈺r(shí)，首先生成分子量較小的碳?xì)?，特別是乙快，碳煙產(chǎn)生的起始步驟是由脂肪族碳?xì)渖傻谝粋€(gè)芳香族組分，此芳香族組分由其它芳香族組分和較小的烷基組分的加入而生長，組成較大的多換芳香燒（poly-cyclicaromatichydrocarbon,PAH）,PAH繼續(xù)生長,最終生成最小的，但可識(shí)別的，直徑大約為1nm,質(zhì)量約為1000u（原子量單位）的碳煙微粒（sootparticle）?；鹧嬷刑紵煹?/p>

6、產(chǎn)生就其本質(zhì)來說是一種由化學(xué)控制的現(xiàn)象。低分子量（氣體的）碳?xì)渥兂芍饕枪腆w碳僅需幾個(gè)毫秒，幾乎在碳煙產(chǎn)生過程的所有階段：起始生成，表面生長，老化和表面氧化均發(fā)現(xiàn)有化學(xué)作用。可變機(jī)電子控剛,/、反血化學(xué)用寵科就訐俄科技術(shù)化化學(xué)芯態(tài)鼐山_J圖2柴油機(jī)排放控制中三技術(shù)組合二柴油機(jī)排排放概況柴油機(jī)排氣控制對策技術(shù)包含發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、后處理技術(shù)和燃油技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)加上后處理技術(shù)構(gòu)成汽車技術(shù)。圖2中形象地示出了這三種技術(shù)的關(guān)系3:所謂發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是指改善燃燒，抑制NO對Phfe成的技術(shù)，是柴油機(jī)排放控制對策的核心。改善燃燒的方法有然料噴射時(shí)期控制、黛料高壓噴射、燃料噴射率控制、燃燒室形態(tài)優(yōu)化、廢氣再循環(huán)等。

7、后處理技術(shù)是指對發(fā)動(dòng)機(jī)排出物質(zhì)在進(jìn)入大氣前進(jìn)行處理、進(jìn)一步減少NOx和PM?污染物排放的技術(shù)；燃油技術(shù)是指改進(jìn)車用柴油質(zhì)量規(guī)格，如十六烷值、蒸儲(chǔ)性態(tài)，密度，硫含量，芳香姓含量等，以減少PM和NOx的排放。其中硫含量明顯影響后處理技術(shù)的性能。然而，從燃燒角度解決柴油機(jī)微粒排放已經(jīng)接近極限。目前微粒排放的大幅度降低是在采用了幾乎所有的現(xiàn)代柴油車技術(shù)的基礎(chǔ)上取得的。在沒有新技術(shù)出現(xiàn)的情況下，僅僅靠對已有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化來進(jìn)一步降低柴油車微粒物排放已經(jīng)沒有多大的潛力。但是，柴油車的排放法規(guī)仍然會(huì)不斷嚴(yán)格。其次，機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)給柴油車的微粒排放控制帶來了新課題。在采用了現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)后，尤其是采用了高壓

8、噴射技術(shù)后，雖然柴油車的微?？傎|(zhì)量大幅度減少，但微粒的數(shù)量卻反而有所增加。這些微粒體積和質(zhì)量遠(yuǎn)小于以前，但其所造成的危害更大。另外，通過提高柴油品質(zhì)來降低微粒排放的前景也被證實(shí)和人們所期待的效果相差甚遠(yuǎn)。為了研究通過改進(jìn)燃油品質(zhì)降低徽粒的可能性，一些專家使用了一種特殊的柴油（不含硫、不含芳香燒，十六烷值92）與瑞典的標(biāo)準(zhǔn)柴油（硫含t為400ppm、芳香姓:30%,十六烷值48）進(jìn)行對比，微粒的排放只減少了10%一般來說，當(dāng)含硫量低于350Ppm后，通過降低含硫量來減少微粒排放效果并不明顯。但是，發(fā)展中國家的柴油品質(zhì)與瑞典標(biāo)準(zhǔn)柴油仍有很大差距，通過改進(jìn)柴油品質(zhì)來減少柴油車的徽粒排放仍不失為有效方

9、法.柴油含硫量除了直接影響做粒排放外，它還對排氣后處理技術(shù)有很大的影響，因此，國內(nèi)仍在加緊削減柴油含硫量，為排氣后處理技術(shù)的推廣應(yīng)用做準(zhǔn)備。以上三個(gè)方面的原因說明，對于更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油車的微粒排放要想達(dá)標(biāo)，僅僅依靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)是不夠的。從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，排放后處理裝置將成為車輛的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。三柴油車尾氣微粒物控制技術(shù)評述1 .氧化催化劑（DOC）氧化催化技術(shù)是一種已用于柴油車排氣后處理的技術(shù)，主要是通過催化劑的氧化反應(yīng)除去微粒物中的可揮發(fā)有機(jī)物（SOF）,減少PMHE放，同時(shí)可除去排氣中的hc,co污染物和醛類、多環(huán)芳姓等排放標(biāo)準(zhǔn)未限制污染物。氧化催化劑通常是用陶瓷蜂窩體或者金屬蜂窩體

10、為載體、具上負(fù)載氧化物涂層和活性金屬成分而構(gòu)成。常用的活性金屬組分有貴金屬Pt、Pd等。氧化催化劑對微粒物的凈化性能受柴油品質(zhì)，特別是硫含量的影響較大。因此，柴油機(jī)使用DOC時(shí)，要求應(yīng)用低硫柴油，否則由于大量生成硫酸鹽，達(dá)不到使PM降低的要求，有時(shí)甚至出現(xiàn)相反的效果，使PME放反而增加。此外，低硫柴油也是防止催化劑中毒的需要。DOC使用使要求嚴(yán)格控制工作溫度的范圍在200300c度之間，因?yàn)榕艢鉁囟?lt;150C,催化劑基本不起彳用，而排氣溫度>350C后，將導(dǎo)致大量硫酸鹽生成。氧化催化劑是一種商品化技術(shù)，已在歐洲的柴油小轎車、輕型卡車以及美國重型柴油卡車上安裝使用。具技術(shù)要求包括催化

11、劑應(yīng)在一個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)起作用(即寬的溫度窗口)；催化劑應(yīng)具有較高的選擇性，即可以有效氧化SOF,但不氧化SO2等。2 .微粒捕集器(DPT/DPF)微粒捕集器已經(jīng)有2僚年的歷史，不論是陶瓷壁流式、陶瓷纖維、金屬或泡沫陶瓷，均有很高的過濾效率。它們的濾孔開度均可小于40-80g,實(shí)驗(yàn)證明，DPF對納米質(zhì)點(diǎn)數(shù)的過濾效率可高達(dá)95%-99.5%,是目前對付納米微粒排放最有效的處理措施。但至今，沒有得到(特別在轎車柴油機(jī)上)大量商業(yè)性應(yīng)用。主要原因如下：(1)在發(fā)動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行工況下均可實(shí)現(xiàn)可靠、安全、周期性地進(jìn)行DPT/DPF再生系統(tǒng)還未研制成功；(2)要盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的惡化，已經(jīng)試驗(yàn)過很

12、多的再生系統(tǒng)，如電加熱、微波加熱、紅外線加熱、補(bǔ)助噴油燃燒等等方法均因?yàn)楹哪苓^大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以推廣；(3)要求發(fā)展低成本的再生技術(shù)。連續(xù)再生捕集器(continuousregenerationtrapCRT)是近年來新開發(fā)的微粒后處理系統(tǒng)，在氧化催化器中應(yīng)用了專門的催化劑，使排氣中的NOx大部分氧化為NO2,NO2對濾清器中的積炭的氧化性很強(qiáng)，可在較低的溫度下對積炭氧化。但它要求用含硫量很低的柴油。止匕外，NO2既是碳粒的氧化劑，又是的SO2氧化劑，含硫量多了，會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽，因此，CRT系統(tǒng)中催化劑的配方問題是很關(guān)鍵的問題。(SAEpaper2000-1-1876)試驗(yàn)表明裝備CRT系統(tǒng)的柴

13、油機(jī)與天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，PM排放比CNG發(fā)動(dòng)機(jī)低，NOx排放略高，但THC、CO和Carbonyl排放接近于零，比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)低得多，因此裝有CRT體統(tǒng)的超有機(jī)是更清潔的發(fā)動(dòng)機(jī)。3.SCR催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)SCR催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是歐洲經(jīng)長期研究并趨于成熟的降低NOx排放的后處理裝置，在歐洲重型車上即將推廣。由于直噴式柴油機(jī)存在NOxPM關(guān)系的trade-off曲線，因此有一派意見是，盡量使燃燒過程優(yōu)化，使PM排放和燃油消耗率BSFC達(dá)最低，由此導(dǎo)致的NOx升高，用還原能力特強(qiáng)的Urea-SCR系統(tǒng)來解決，尿素(Urea»肖耗成本用低油耗的節(jié)約來補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)搞經(jīng)濟(jì)性、低排放的目的。SCR系統(tǒng)的

14、工作原理如下：用32.5%尿素溶液噴入柴油機(jī)廢氣中，尿素溶液蒸發(fā)，并分解NH3(NH2)2CO(s)H2O®2NH3(g)CO2(g)氨氣作為SCR催化轉(zhuǎn)化器中和還原劑起作用4NH34NOO2>4N26H2O4NH32NO2NO2>4N26H2O3用尿素還原NOx在固定裝置上已經(jīng)有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，但是要用于重型車用柴油機(jī)上還遇到以下問題：在汽車上對SCR催化轉(zhuǎn)化器的體積有嚴(yán)格的限制；發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度在不斷變化；催化器內(nèi)空速(spacevelodty,指流過催化器的體積流量與催化器體積之比，單位s1,用于表示廢氣在催化器中停留時(shí)間的長短)處于不斷變化之中。為此，需要根據(jù)柴油機(jī)

15、工況自動(dòng)控制噴入廢氣的尿素量。SCR對降低NOx排放十分有效，當(dāng)前的問題是要解決尿素在汽車運(yùn)用過程中的補(bǔ)充，以及減少消耗的問題，此外還要控制NH3的逸出(小于10X10-6),否則，氨氣的氣味將會(huì)泄露。除以上介紹，還有等離子體催化器、降NOx催化器、NOx吸附器等用于柴油機(jī)排氣后處理的方法。四柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(1)柴油車排氣后處理技術(shù)是滿足未來排放法規(guī)的重要手段。微粒過濾器和再生系統(tǒng)將率先應(yīng)用到柴油機(jī)中，氧化催化轉(zhuǎn)化器將會(huì)得到較大發(fā)展，同時(shí)還需開發(fā)氮氧化物后處理技術(shù)。將來可能會(huì)出現(xiàn)一種四效的柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)，在過濾微粒物的同時(shí)，既能氧化排氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸迹帜軐Φ?/p>

16、化物進(jìn)行還原。(2)通過特性好，排氣阻力小，過濾效率高，耐高溫，抗熱沖擊性好，機(jī)械性能強(qiáng)的高性能微粒過濾器是進(jìn)一步發(fā)展的方向；低成本、簡單和可靠性好的過濾器再生技術(shù)是關(guān)鍵問題。壁流式董青石蜂窩陶瓷仍將是最主要的過濾材料，但更高的要求必將鼓勵(lì)高性能的替代材料出現(xiàn)，其中SiC由于突出的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而很有希望。(3)開發(fā)選擇性催化還原的氮氧化物催化劑，特別是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的氮氧化物催化轉(zhuǎn)化器，是未來幾年柴油車排氣后處理的重點(diǎn)方向之一。其技術(shù)關(guān)鍵在于催化劑適應(yīng)柴油機(jī)尾氣稀燃和溫度范圍大的特點(diǎn)。(4)四效催化轉(zhuǎn)化器是柴油車未來發(fā)展的趨勢，其復(fù)合系統(tǒng)將包含微粒過濾器、再生系統(tǒng)、氧化催化轉(zhuǎn)化器、還原催化轉(zhuǎn)化器，將其中的幾部分整合為一體將是工業(yè)化中使用的最佳選擇。(5)排氣后處理裝置的集成化將是后處理裝置研究的一大熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1歐陽明高.我國節(jié)能與新能源汽車與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略與對策.汽車工程，2006,28(4):3173182 SAEPaperNo9402333 HeldW,KonigA,RichterT,etal.SAEpaper,1990:904964資新運(yùn)，歐陽明高，寧智.柴油機(jī)微粒捕捉器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景.