船舶柴油机PM捕集器电加热再生试验研究

郑琴飞，郭军武

（上海海事大学商船学院，上海201509）

1 引言

柴油机具有较好的经济性和动力性，被广泛用作船舶主动力装置。目前柴油机微粒排放问题日益突出［1］。船舶柴油机有害排放物对大气造成的潜在危害已受到IMO（国际海事组织）、MEPC（国际环保委员会）及其它机构和各国政府的高度重视，并已制定了一些严格的排放措施来限制船舶对大气的污染。

柴油机微粒捕集器已被认为是机外净化技术中降低柴油机微粒排放的主流路线，DPF的一个关键问题是再生技术，即在工作过程中必须适时地清除壁面沉积的微粒，以防止排气不通畅引起的柴油机性能恶化，此项技术一直是研究中的一个难题，目前再生方法大体可分为3类：①加热再生，喷油助燃再生、微波加热再生、电加热再生。②催化再生，包括连续再生和燃油添加剂辅助再生。③以逆向喷气再生为代表的低温反向清洁再生［2］。国内外研究表明［3］，各种再生技术都有各自的缺点。例如，主要表现为可靠性差、装置复杂和成本高、耗能问题得不到解决等，所以一直没有能够广泛应用到实船中去。

本研究采用国际上公认的综合性能比较好的壁流式蜂窝陶瓷过滤体作为研究对象，采用电加热再生技术对壁流式蜂窝陶瓷过滤体，在一定温度下再生，测量计算数据绘制出曲线图，得出PM微粒转化率以及转化速度等。最后得出结论，并且结合目前主流的再生技术，给出解决方案。

2 电加热器的工作原理

柴油机排放的颗粒物组成较为复杂，主要有燃油不完全燃烧产生的微小碳烟、润滑油组分不充分燃烧、燃油和气缸润滑油中的灰分含量、燃油中未燃烧部分、燃烧产物以及润滑油中的硫酸盐和水分。从PM的组成可知，PM颗粒的主要组分为碳和碳氢化合物。可利用碳和碳氢化合物的氧化燃烧反应进行消除。去除反应如下：

电加热器传热快、发热均匀、功率高、工作稳定。能够很好地应用于DPF的再生。试验选用的电加热器为采用圈型分布电阻丝的电加热器。该加热器的功率比普通加热器的要高，并且具有坚硬不易碎、高温不变形等特点。可在一定反应温度内程序升温和精确定温，精确度在1℃之内。工作时由温控单元调节加热电阻丝的工作范围，使电阻丝通电产生一定的热量并且保持恒温，通过中间介质的热传递作用使内腔温度升高，达到炭烟微粒的起燃温度，使微粒燃烧转化，从而实现再生。电加热器结构简图如图1所示。

3 试验系统

图2为试验系统布置方案，小型柴油机以一定负荷运转。通过变速风机将尾气吹进电加热装置。稳定流量后，压力传感器测量出电加热装置前后压力，显示屏上显示前后压差，温度控制单元控制电加热温度，温度可自由调节，排气口接PM微粒检测仪。

4 试验结果和分析

4.1 排气背压及实验材料

根据经验，柴油机在正常转速全负荷状态下，随着排气背压的上升，油耗也会缓慢上升，当排气背压达到20kPa时油耗上升速度加快。在排气背压小于25kPa时，油耗增加小［4］。为了使柴油机工作性能不出现较大的波动，排除其他因素影响，本研究在两端的背压降为13kPa时开始DPF再生。试验用以堇青石为滤芯材料的壁流式蜂窝陶瓷过滤体，密度450kg/m3、热导率1.4W/（m·K）、比热容960J/（kg·K）、孔道数31孔/cm3。

4.2 测量方法

考虑到测量沉积量的不便，以及微粒沉积量与DPF压差有良好的比例关系，本研究选用微粒捕集器前后的压差值来计算再生效率。即PM颗粒转化率。

根据实验时每隔十分钟对应温度下测得的捕集器两侧压力的大小，计算绘制出曲线如图3。

PM颗粒转化率难以测得，这里通过用测得的压差的大小代替捕集器中剩余的PM颗粒多少，因此PM颗粒的转化率就是对应温度下的压差减少量比上初始温度时对应的压差。

4.3 结果分析

在电加热温度达到300℃时捕集器内的PM颗粒开始明显减少，并且减少的速率趋于稳定。在温度上升至500℃时，电加热再生的效率接近100%。证实了从颗粒消除再生这个角度，电加热再生的可行性。但在温度低于300℃时，颗粒几乎不燃烧，而在正常工况下船舶柴油机尾气的温度在200-450℃之间，不用机型不同工况的柴油机排气温度不同。正常工况下的柴油机，排气温度与500℃相差很大，为了实现PM捕集器的再生，需要大量的电能去加热。对于耗能大这一问题的解决办法。目前，催化氧化DOC利用催化剂降低碳烟颗粒氧化燃烧的活化能，降低碳烟颗粒的起燃温度，使碳烟颗粒氧化分解，生成CO2。贵金属对碳颗粒的燃烧具有良好的催化效果，但是贵金属制作成本高，高温易失活，对硫敏感，易中毒。现在研制出多种材料如稀土钙钛矿型复合金属氧化物［5］，同样能达到较好的净化效果，同时弥补了贵金属硫中毒的不足。随着研究的深入，还需寻找催化性能更好，成本低，适于工业化生产的催化材料，才能获得较为广泛地推广。

5 结语

电加热再生装置具有工作稳定、再生效率高、实用性好的特点。应用在船舶上能耗大，但当电加热温度达到一定数值时，再生效果好。对于能耗大的问题我们可以采取催化氧化DOC的方式，从而降低颗粒实现完全燃烧转化需要的温度。以满足船舶尾气处理的实际需要。随着研究的深入，我们将在催化材料方面做出努力，更有效的催化剂能够降低氧化燃烧的起燃温度、降低电加热能耗，从而使产品获得广泛地推广。

［1］谭丕强，胡志远，楼狄明，等 .柴油机捕集器结构参数对不同粒径微粒过滤性的影响［J］.机械工程学报，2008，44（2）；175～181.

［2］资新运 .柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势［J］.车用发动机，2000（2）：1～4.

［3］Neeft J P A，MaKKee M，Moulijn J A.Diesel particualate emission control［J］.Fuel Proces Technol，1996，47（1）：1～69.

［4］王宪成，高希彦，许晓光，等 .柴油机微粒过过滤器红外再生技术研究［J］.大连理工大学学报，2005，45（4）；537～541.

［5］赵 震，纪玉国，刘 坚 .复合氧化物催化剂在柴油车尾气处理中的应用［C］//工业催化杂志.第四届全国环境催化与环境材料学术会议论文集.西安：工业催化杂志编辑部，2005.