NTP喷射系统再生泡沫陶瓷PM吸附体的试验

蔡忆昔，施蕴曦，李康华，李小华，江 飞，董 淼

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

柴油机具有动力性经济性好、油耗低等优点，在工农业和交通运输等领域中得到广泛的应用.但随着柴油机保有量的持续增加和世界各国排放法规的日益严格，柴油机有害排放引起的环境污染问题也逐渐突出［1］.在柴油机的有害排放中，颗粒(particulate matter，PM)排放量约为汽油机的几十倍，是柴油机最主要的污染物之一［2］.将颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)安装在柴油机排气系统中，可有效过滤排气中的颗粒物，从而降低柴油机颗粒排放［3］.但随着过滤体内碳烟颗粒的积累，DPF的捕集效率会下降，排气背压升高，影响发动机性能，因此需要对DPF进行再生.通常DPF再生主要包括催化再生、热再生以及2种方法结合的再生，但存在催化剂硫中毒、载体结构热损坏和再生效率低等一系列问题［4－6］.采用低温等离子体 (non-thermal plasma，NTP)技术可有效去除PM，为DPF再生提供了新的方法［7－8］.等离子体中的活性物质(O3，NO2等)具有比O2更强的氧化性，对PM具有很好的氧化效果［9］.相关研究表明:利用 NTP技术可实现DPF 的在线再生［10－12］，但由于排气的稀释作用，使得在线再生效率较低.笔者利用NTP喷射系统对泡沫陶瓷PM吸附体进行离线再生试验，研究NTP技术再生PM吸附体的规律，为NTP喷射系统高效再生DPF提供理论和试验依据.

1 试验系统和方法

1.1 试验系统

试验系统主要由低温等离子体系统、温控装置和测量系统等组成，如图1所示.NTP发生器为水冷式同轴圆柱结构，等离子电源为CTP－2000K智能电子冲击机.利用TDS3034B示波器来监测控制发生器工作电压、频率;利用Q－V李萨如图形法测量NTP 发生器放电功率［13－14］;利用雷泰 MX4 红外辐射测温仪测量放电区表面温度;利用Photon红外烟气分析仪监测CO和CO2的变化.

图1 试验系统示意图

1.2 试验方法

NTP发生器表面温度对活性物质的体积分数有重要影响［15］，在前期研究的基础上，发现控制NTP发生器的工作电压为16 kV、工作频率为9 kHz以及NTP发生器表面温度为60℃时，生成的活性物质体积分数较高.试验中采用的PM吸附体为三氧化二铝泡沫陶瓷.

将装有需要再生泡沫陶瓷PM吸附体的石英管放置于温控装置内，并检测石英管内的温度.将热电偶放置于石英管内紧靠PM吸附体的位置，可近似认为测量值为PM吸附体的温度.试验时先将PM吸附体预热到目标温度，待温控区域的温度稳定后，通入NTP活性气体;利用转子式流量计监测氧气流量;氧气流经NTP发生器生成大量活性物质，将活性物质喷入石英管对PM吸附体进行再生;保持氧气流量不变，研究温控区域的温度对PM吸附体再生的影响;保持温控区域的温度不变，研究氧气流量对PM吸附体再生的影响;试验中对生成的气体成分进行实时监测，每隔10 min对再生情况进行拍照观察.

2 试验结果与分析

2.1 温控区域的温度对PM吸附体再生的影响

当氧气流量为4 L·min－1、温控区域的温度分别为150，225，300℃时，CO体积分数随再生时间的变化关系如图2所示.

图2 CO体积分数随再生时间的变化

从图2可以看出，当温控区域的温度为225℃和300℃时，CO体积分数随再生时间的延长先增大后降低，随着再生时间的进一步延长，CO体积分数逐渐趋于平稳.当温控区域的温度为150℃时，CO体积分数随再生时间的延长而增大，稳定10 min后，CO体积分数逐渐升高至0.65%并趋于稳定.为了探索PM吸附体在再生过程中生成的CO体积分数持续较高的原因，在相同的条件下对泡沫陶瓷PM吸附体本体进行试验.结果表明:当温控区域的温度为150℃时，CO体积分数的变化趋势与图2的结果基本一致，同时生成了少量的CO2.因此，当温控区域的温度较低时，NTP活性气体在氧化分解PM后，又与PM吸附体本体发生了反应，生成了较多的CO和少量CO2.故在选用泡沫陶瓷作为PM吸附体时应选用含碳少且化学性质较稳定的材料.

当氧气流量为4 L·min－1、温控区域的温度分别为150，225，300℃时，CO2体积分数随再生时间的变化关系如图3所示.

图3 CO2体积分数随再生时间的变化

从图3可以看出，当温控区域的温度不同时，CO2体积分数随再生时间的延长均呈先增大后降低的趋势.当温控区域的温度为150℃时，CO2体积分数曲线的峰值较大.当温控区域的温度为225℃时，CO2体积分数曲线的峰值较150℃时略低，但随着再生时间的进一步延长，CO2体积分数下降较为缓慢.当温控区域的温度为300℃时，CO2的体积分数峰值最低，且下降较快.当温控区域的温度为150℃时，PM氧化活性较低，CO2的体积分数下降较快.当温控区域的温度为225℃时，在O3，O的作用下，PM发生了较快的氧化分解反应，生成了大量的CO2，化学反应式为 O3+C→CO，O3+C→CO2，O+C→CO，O+C→CO2，O3+CH→CO2+H2O，O+CH→CO2+H2O.温度的升高对化学反应有促进作用，但活性物质O3的生成为可逆反应:3O2↔2O3.温度越高，逆反应越剧烈，即O3的热分解越严重.当温控区域的温度为300℃时，气流中的O3与PM反应较快，但O3在通过PM吸附体的过程中会被加热分解，因而PM吸附体背面的再生效果较差.

PM吸附体完全再生时间随温控区域温度的变化关系如图4所示.

图4 PM吸附体的再生时间随温控区域温度的变化

从图4可以看出，当温控区域的温度由100℃逐渐升高至225℃时，PM吸附体完全再生的时间随之缩短;当温控区域温度继续升高，PM吸附体完全再生的时间逐渐延长.结合图3，4可以看出，当温控区域的温度为150～300℃时，PM吸附体完全再生的时间均不超过60 min，对应的CO2体积分数均低于0.10%.因此，在利用NTP喷射系统再生PM吸附体时，可将CO2体积分数为0.10%作为判断PM吸附体再生是否完成的依据.当氧气流量为4 L·min－1，温控区域的温度不同时，利用NTP喷射系统对PM吸附体进行再生10 min的效果对比如图5所示，当温控区域的温度为225℃时PM吸附体的再生效果较好，PM吸附体表面PM大多被氧化分解.

图5 PM吸附体再生10 min的效果对比

2.2 氧气流量对PM吸附体再生的影响

当温控区域的温度为225℃时，PM吸附体完全再生的时间随氧气流量的变化关系如图6所示.

图6 PM吸附体的再生时间随氧气流量的变化

从图6可以看出，PM吸附体完全再生的时间随氧气流量的增加呈先缩短后延长的趋势.当氧气流量为6，8 L·min－1时，PM吸附体完全再生所用的时间较短.可见，增加氧气流量可提高O3的生成量，从而提高再生速率，因此当氧气流量低于6 L·min－1时，PM吸附体的再生时间随氧气流量的增加而缩短;当氧气流量高于6 L·min－1时，PM吸附体的再生时间随氧气流量的增加而延长.这是因为氧气流量增加也加剧了气流对PM吸附体的冷却，使PM吸附体表面的温度降低，从而降低了PM的氧化反应速率［16］.

当温控区域的温度为225℃、氧气流量不同时，PM吸附体再生后的效果如图7所示.

图7 氧气流量不同时，PM吸附体的再生效果

从图7可以看出，当氧气流量为4 L·min－1时，PM吸附体的再生效果较好;当6 L·min－1时，再生效果次之.结合图6可以看出，当氧气流量为4 L·min－1时，PM 吸附体的再生时间较 6 L·min－1时仅延长5 min，因此对比在这2个流量时的PM吸附体再生的结果，可以认为当氧气流量为4 L·min－1时，PM吸附体的再生效果较好.当氧气流量大于6 L·min－1时，气体对PM吸附体的冷却作用较为明显，降低了吸附体局部温度，导致PM氧化分解缓慢，且氧气流量越大，局部残留的PM越多.

3 结论

1)当氧气流量不变时，PM吸附体完全再生的时间随温控区域温度的升高呈先缩短后延长的趋势，当温控区域的温度为225℃时，PM吸附体再生的时间较短.

2)当温控区域温度不变时，PM吸附体完全再生时间随氧气流量增加呈先缩短后延长的趋势，氧气流量为4 L·min－1时，PM吸附体的再生效果较好.

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