微粒捕集器再生的分析和相关研究进展

2015-01-07刘炳霞顾海英黄福东

江苏船舶 2015年2期

杨超，刘炳霞，顾海英，黄彪，黄福东

(江苏科技大学，江苏镇江212003)

0 引言

全球大气污染日益严重，而微粒是大气污染的主要成分之一，且微粒可以引发多种疾病，因此对颗粒物高排放的柴油机进行排放控制尤其重要。目前公认的最有效的机外控制方法是在柴油机排气管上串联安装微粒捕集器(DPF)，将排气中的微粒吸收并保存在滤芯中。但是捕集器本身并不能清除微粒，随着微粒的堆积，会增加排气的流动阻力、排气背压，影响发动机的性能。有研究表明，当排气压力超过25 kPa［1］时，发动机性能就会恶化，因此，必须及时消除DPF中沉积的微粒，以保证发动机稳定高性能工作和微粒DPF对排气微粒的吸收捕集能力，此即DPF的再生。

1 微粒捕集器的再生

目前，DPF的再生按原理的不同可以分为主动再生、被动再生两大类。此外在近几年还出现了一种结合两种或两种以上再生方式的复合再生，如铈基添加剂辅助催化复合再生。

1.1 主动再生

1.1.1 电加热再生

电加热再生技术是将电流直接通到过滤体上，使过滤材料升温，提高微粒的温度，直至微粒达到着火燃烧。这种再生技术的优点是微粒直接在滤芯上升温燃烧，微粒不经过其他移动就直接燃烧，热量损失较小，能量转换效率较高;缺点是导电滤芯的制造工艺复杂，成本高，还有待进一步的研究。

孙柱等［2］利用台架实验，表明蜂窝陶瓷过滤体的电加热过程不会对再生过程产生负面影响，且再生效率可以达到87%以上。

1.1.2 喷油助燃再生

喷油助燃再生是在捕集器的入口前安装额外的燃烧器。再生时，适量的燃油与空气在燃烧器内点燃，产生高温燃气，微粒迅速升温着火燃烧。该技术的优点是能量利用率高，响应速度快;缺点是对燃烧器的可靠性要求高，系统装置比较复杂，造价昂贵，且容易引起二次污染。

伏军等［3］对龚金科等［4］的模型进行改进，并将喷油量/补气量予以最优控制，将喷油助燃再生过程的油耗量降低34.6%～40.2%。

1.1.3 微波加热再生

微波加热再生是利用DPF滤芯材料与微粒的介电性能不同。当受到微波辐射时，由于微波特有的选择性加热和体积加热的特性，再生时滤芯受热远远小于微粒，这样便使沉积在滤芯中的微粒升温燃烧，而不影响滤芯。该技术的优点是:微粒升温迅速且受热均匀，对捕集器的影响较小。缺点是:只有当滤芯材料对微波透明时，对捕集器的影响才最小甚至没有，但对微波透明的材料仍处于研究发现中。另外，微波加热再生会消耗额外的电能，且微波会泄漏出捕集器。

资新运等［5］对其自行设计的过滤体微波加热再生系统建模，使再生过程缩短到5～7 min，且再生温度被控制在可接受范围内，还计算出过滤体的再生微粒量在5～13 kg/m3的范围内较为合适。龚金科等［6］基于模糊综合评价法，结合层次分析主观赋权法与熵值赋权法，研究了微波功率、排气中的各项指标等各因素取不同值时对再生性能的影响。

1.2 被动再生

1.2.1 催化再生

催化再生是在DPF滤芯材料表面涂覆或浸渍高催化活性的催化剂，利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使微粒在柴油机排气温度约为350℃［7］时即可燃烧。这种方式结构简单，无需其他附加控制系统，发动机保持低排气背压运行，发动机的效率得到了保障，再生过程耗能低，且再生过程中的热负荷较小，提高了滤芯及捕集器的寿命和可靠性。缺点是微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难进行完全再生;随着时间的推移，催化剂的作用会逐渐降低直至完全消失，会影响到过滤体的有效再生和对其他有害气体的催化净化效果。另外，若燃油含硫量太高还会导致催化剂中毒。

龚金科等［8］对催化型微粒捕集器(CPF)深床捕集微粒的氧化再生过程建模，并研究了压降特性的数值，提供了CPF的优化设计依据;张文斐［9］基于Fire软件研究了涂敷催化剂对碳烟再生的影响，证明催化剂的涂敷能有效增加碳烟的氧化再生反应速率。

1.2.2 燃油添加剂催化再生

燃油催化再生是在燃油中加入金属有机物，燃油燃烧后会生成具有较强催化活性且能与微粒紧密附着在一起的金属氧化物，将微粒自燃温度降低到200℃以下微粒，在正常的排气温度下，就可实现再生。其优点是再生所需的温度低，有效地延长了DPF的使用寿命，但是金属氧化物在经过过滤体时会有一部分沉积下来，堵塞过滤体，另有少量的金属氧化物会随尾气排入大气产生二次污染。另外，柴油中的硫对催化添加剂有毒害作用。

王天友等［10］研究了某采用燃油催化再生微粒捕集器的排量为7.7 L的柴油机的排放微粒的捕集与强制再生，发现DPF对C0、HC及NOx的排放没有影响，且对微粒的过滤效率达到80%以上。

1.2.3 连续再生

连续再生是在过滤体上游安装1个氧化催化器(DOC)。DOC将排气中的NO氧化成N02。N02使微粒在260℃左右就发生氧化，微粒一边过滤沉积，一边氧化燃烧，保持动态平衡。该再生系统平衡温度低，低温性能好，再生效率高。

刘恒语［11］对壁流式连续再生DPF进行了仿真分析，表明当体积比DOC/DPF接近于1.5时，连续再生式微粒捕集再生速率最为理想。

1.3 复合再生

1.3.1 喷油催化燃烧再生

喷油催化燃烧再生是在DPF前加装DOC。当需要再生时，启动再生程序，喷油器向DOC喷入一定量的燃油，利用DOC对未燃碳氮化合物的催化氧化作用来提高排气温度，点燃微粒。该方式能适应较高含硫量的柴油，能有效解决我国燃油含硫量较高的问题。

侯献军等［12］利用GT-Power软件建立DPF喷油催化燃烧再生系统仿真模型，并对DPF进行优化，使DPF提温时间缩短了37.9%，DPF出口最高温度增加了3.4%。

1.3.2 铈基添加剂辅助催化复合再生

铈基添加剂辅助催化复合再生是由2种被动再生方式组合而成，即在燃油中添加铈基添加剂，并在DPF上涂覆能够有效提高再生性能的贵金属催化涂层，降低微粒着火点，使柴油机在中小负荷工况时也能满足再生要求。

龙罡［13］的研究结果表明:铈基添加剂辅助催化复合再生能够提高再生效率，且能够满足中低负荷以上工况下的再生要求。

1.3.3 微波和铈锰添加剂复合再生

微波和铈锰添加剂复合再生［14］结合了主动与被动2种方式，即利用化学添加剂降低微粒着火温度，利用微波加热微粒使微粒在较低的温度条件下就能着火燃烧。

吴钢等［14］对泡沫陶瓷过滤体的再生三维模型进行仿真研究，发现过滤体再生时间最短是在铈锰元素含量之比为75:25时。左青松等［15］证明催化剂中的Mn与Ce元素可以促进微粒在低燃点温度下充分燃烧，当浓度合适时可以有效降低含铈锰基催化剂的柴油机微粒捕集器的微粒燃点温度。

2 再生的相关研究

2.1 软件模拟

软件模拟是指在计算机软件中建立再生的模型并导入到模拟软件中，然后利用计算机技术，研究再生过程中各参数(如DPF入口质量流速、再生初始碳烟量、过滤体初始温度，过滤体内气流的流动速率、氧浓度等)的变化规律，亦可以通过改变单个或多个参数研究捕集器中各参数对再生性能的影响，为DPF的开发设计提供理论技术依据。

徐哲［16］在再生前载体内碳烟均匀分布的前提下分析了壁流式DPF再生过程中各种因素对DPF再生特性的影响。梅本付［17］利用fluent软件对模型进行数值计算，得到捕集器内部的三维温度场分布以及温度梯度分布，并研究了捕集器各参数对再生性能的影响。

2.2 编程

编程是指利用编程语言编写模型的求解计算程序，对再生过程进行计算求解。编程可用于验证模型的正确性，亦可以用于DPF的优化设计和性能预测等，但是编程没有用软件模拟普遍，且比较繁琐。

王劲［18］编写模型的C++求解程序对DPF捕集和再生过程进行计算，证明催化添加剂含量并不是越多越好，捕集器负载量过大会造成二次污染，VOF(挥发性有机组分)含量过大会造成能量的浪费，对滤芯造成伤害，再生过程排气质量流速则会使再生时的温度和压力损失增加。王丹在Matlab计算平台上确定了滤饼捕集阶段DPF碳载量与排气背压及其构成组分关系，实现了利用Matlab计算程序进行DPF结构设计与优化以及DPF性能预测。

2.3 试验

试验是指在再生的研究过程中，利用试验装置进行试验，从而测量参数数据(如发动机背压、滤芯温度等)以研究再生特性，用以验证模型或理论的正确性。该方法在试验过程所消耗的能源、时间等相对较多，但其数据源于实际，能够准确反映再生过程的参数和性能等的变化，是研究再生必不可少的环节。

吴钢［14］等利用台架试验得出了当铈锰元素含量之比为75:25时，过滤体再生时间最短的结论。魏雄武［19］利用试验研究得出了1:1 000的贵金属溶液与柴油的配比具有较好的综合性能，且排气背压在22 kPa能保证捕集器可靠再生，而在15 kPa的排气背压下则不能实现。张辉［20］以试验数据为基础验证了基于DOC与催化涂覆DPF的柴油机后处理系统三维仿真模型的有效性。

3 结语

主动再生工作温度高，对捕集器过滤材料的要求非常高，且能源消耗较多。被动再生则降低了微粒着火点的温度，大大减少了能源消耗，但是目前对于被动再生的研究在很多方面还存在难题。复合再生虽然提高了再生净化效率，但是同时也需要考虑2种再生方式的不足。尽管柴油机微粒捕集器仍然存在许多不足，但其对于尾气的超强处理能力已经得到了证明，因此DPF在未来很长一段时间内都将被广泛使用。目前捕集器的主要研究宗旨在于提高净化率、寿命和可靠性等，但是从长远来看，由于能源紧缺等各方面原因，捕集器还应研究如何减少能源消耗，且在未来捕集器极有可能是以被动再生为主或者被动再生完全取代其他再生方式，以利于最大限度地减少能源消耗。

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