柴油机颗粒捕集器(DPF)再生技术分析

颗粒物捕集器(DPF)是未来车用柴油机满足排放法规的重要措施,是解决其排气颗粒污染最有效的技术之一。文章介绍了DPF的净化机理,在对DPF各种再生技术原理、研究现状及其存在问题分析的基础上,指出微粒捕集器再生技术的发展趋势。     

柴油机颗粒后处理技术对颗粒物排放的影响

本文利用一台满足国Ⅲ排放标准的电控共轨柴油发动机,研究了氧化型催化转化器(DOC)、燃油催化剂型的壁流式颗粒捕集器(FBC-DPF)和带有DOC的壁流式颗粒捕集器(DOC+DPF)三种不同的柴油机颗粒物净化装置对柴油机颗粒物排放的影响,定量研究了不同转速和负荷下,这三种后处理装置前后颗粒物数量和质量的变化。研究显示:DOC对颗粒物的净化效率大约在20%~30%之间,FBC-DPF对颗粒物的净化效率大约在90%~98%之间,DOC+DPF对颗粒物的净化效率也超过了90%。结果表明壁流式的颗粒捕集器对柴油机颗粒物有较高的净化效果。     

国六柴油机DPF再生时VOCs排放特性

颗粒物捕集器(DPF)是柴油机满足国六排放标准的必备装置之一.经台架实验证明,氧化型催化转化器(DOC)辅助DPF再生过程中挥发性有机物(VOCs)排放会大幅度升高,而2014年制定的《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南》并未考虑到DPF再生过程对VOCs排放的影响.通过台架实验,采集国六柴油机DPF再生过程的尾气,并用气相色谱质谱技术对尾气中的VOCs进行定量分析.结果表明,国六柴油机DPF再生过程中VOCs排放有显著增加,DPF再生阶段排放的VOCs总量是不再生时的4倍,增排量为2 419. 6μg·m~(-3),且DPF再生所排放的VOCs中,烷烃的含量最高,其次为芳香烃、醛酮和烯烃,分别占总排放VOCs的42. 5%、29. 7%、24. 9%和2. 9%;用臭氧和二次有机气凝胶生成潜势对增排VOCs的大气活性进行评价,发现DPF再生过程中增排的VOCs对环境的影响显著,由增排的VOCs所生成的臭氧和二次有机气溶胶分别为4 272. 8μg·m~(-3)和9. 0μg·m~(-3),其中芳香烃和烷烃对臭氧和二次有机气溶胶生成潜势的贡献率相对较高.因此,在计算柴油车VOCs排放因子时,应考虑DPF再生的影响;且该国六柴油机DPF再生时的VOCs排放因子为1. 03 mg·(k W·h)~(-1),可为制定国六标准柴油车VOCs排放因子提供参考.     

掺混聚甲氧基二甲醚对柴油机排放的影响

为研究聚甲氧基二甲醚（PODE）/柴油混合燃料对柴油机颗粒物（PM）粒径分布和各模态颗粒捕集效率的影响,将PODE按照体积百分比0%、10%、20%和30%与柴油混合,在不对柴油机做任何改动的情况下,进行排放测试,测量NO_x排放和DPF前后的颗粒粒径分布.结果表明：随着PODE掺混比提高,NO_x排放在10%~50%负荷工况下呈上升趋势,75%~100%负荷工况下呈先上升后下降的趋势;NO₂/NO_x随着PODE掺混比的提高呈上升趋势.PODE的添加可有效降低PM排放.与柴油相比,燃用PODE掺混比20%的混合燃料时,降低PM效果最好;100%负荷工况下,PM总数量浓度降低了18.93%,总体积浓度降低了31.27%.掺混PODE,使DPF对PM的捕集效果减弱,10%~50%负荷工况下较为明显,但捕集率依然可以达到95%以上.     

柴油机微粒捕集器技术发展现状

颗粒物是柴油机排气主要污染物之一,微粒捕集器能够将排气中的颗粒物过滤,实现90%以上的净化效率,是国际应对未来机动车排放法规的必然选择。文章通过分析近几年国际的研究成果,阐述了颗粒物的组成以及在微粒捕集器中的燃烧过程,并介绍了微粒捕集器的净化机理、材料技术和再生技术。国际研究表明:(1)颗粒物主要由固体碳、可溶性有机成分和硫酸盐三部分组成,在燃烧过程中,可溶性有机物、官能团、高度结晶碳随着温度升高依次燃烧;(2)壁流式微粒捕集器通过扩散、拦截、重力和惯性四种形式将颗粒物拦截过滤;传统的堇青石、碳化硅材料各有优缺点,可能被新型钛酸铝材料取代;过滤体通过增加入口通道体积的方式增加对颗粒物和灰分的容纳能力;(3)微粒捕集器再生技术种类繁多,被动再生技术由于对燃油硫含量由较高要求,因此主要在国外采用;国内主要应采用主动再生技术,同时使用燃油添加剂进行辅助再生。     

柴油发电机废气治理技术现状

柴油发电机废气中含有氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)等污染物,它们的排放会威胁人体健康、破坏自然环境,柴油发电机废气治理势在必行。文章综述了针对柴油机废气治理的主要技术,包括NOx去除技术,如NOx选择性催化还原技术(SCR)、NOx储存-还原技术(NSR)和低温等离子体技术等;PM去除技术,如柴油机微粒捕捉器(DPF)和柴油机氧化催化剂法(DOC)等;NOx/PM综合去除技术,如具体的技术方法有DPNR法(eiesel particulate and NOxreduction,DPNR)、低温等离子体辅助催化技术和同时催化去除技术等。期望为柴油发电机废气治理提供一定的借鉴和参考。     

铅冶炼厂无组织排放源不同颗粒物中铅含量特征

使用TH 880-F型烟尘测试仪和低压颗粒物冲击仪(low pressure impactor,LPI)对云南某铅锌冶炼厂无组织排放区(1区和2区)烟气颗粒物进行分级采样,并分析各粒径段颗粒物中的铅元素粒径分布特征及含量情况.从铅在不同粒径颗粒物中的分布特征来看,无组织1区排放的细颗粒物(fine particulate matter,PM2.5,粒径小于2.5μm的颗粒)中的铅分别占可吸入颗粒物(particulate matter,PM10,粒径小于10μm的颗粒)和总悬浮物颗粒(total suspended particle,TSP,粒径小于100μm的颗粒)中的66.6%和43.1%,无组织2区相应占比分别为54.1%和38.7%,这表明无组织排放的铅污染物粒径以小粒径颗粒为主.无组织排放颗粒物中铅含量与地面气象资料中风向、风速密切相关,其次是风能密度.铅冶炼区无组织排放颗粒物中铅含量与边界层风向、风速的相关度最高,其次是风能密度w;而渣场无组织排放颗粒物中铅含量与边界层温度垂直分布γ的相关度最高,其次是u、v分量,然后为风能密度w.     

FBC-DPF在柴油机颗粒物控制中的应用研究

目前针对加装FBC-DPF(燃油添加剂-柴油机颗粒捕集器)后的柴油机放特性研究较少,并且缺乏FBC-DPF对颗粒物中PAHs排放量的影响效果研究.为全面评估加装FBC-DPF后柴油机颗粒物排放特性和FBC-DPF对柴油机尾气中的颗粒物排放污染控制效果,在发动机台架上对装有FBC-DPF的重型柴油机进行了颗粒物排放特性试验.利用电子低压撞击仪(ELPI)测量加装FBC-DPF前、后柴油机颗粒物的数浓度与粒径分布,用玻璃纤维滤膜采集加装FBC-DPF前、后尾气中的固相PAHs,利用色谱质谱联用仪对加装FBC-DPF前、后尾气中的固相PAHs进行定量分析.结果表明:①加装FBC-DPF后柴油机排放的颗粒物数浓度大幅降低,FBC-DPF对尾气中颗粒物的捕集效率平均值在95%左右;②加装FBC-DPF后柴油机固相PAHs总比排放量有所降低,在大负荷区域降幅在25.0%～88.0%之间;③加装FBC-DPF前的颗粒物中位直径为30～89 nm,而加装FBC-DPF后的颗粒物中位直径为41～98 nm,平均增幅为38.2%.对于国Ⅳ及未来国Ⅴ柴油机排放法规,FBC-DPF是解决柴油机颗粒物排放的有效手段;此外,FBC-DPF可以大幅降低柴油机尾气中的有毒成分,并且能够适应高含硫量的燃油环境.     

FBC-DPF在柴油机颗粒物控制中的应用研究

目前针对加装FBC-DPF(燃油添加剂-柴油机颗粒捕集器)后的柴油机放特性研究较少,并且缺乏FBC-DPF对颗粒物中PAHs排放量的影响效果研究. 为全面评估加装FBC-DPF后柴油机颗粒物排放特性和FBC-DPF对柴油机尾气中的颗粒物排放污染控制效果,在发动机台架上对装有FBC-DPF的重型柴油机进行了颗粒物排放特性试验. 利用电子低压撞击仪(ELPI)测量加装FBC-DPF前、后柴油机颗粒物的数浓度与粒径分布,用玻璃纤维滤膜采集加装FBC-DPF前、后尾气中的固相PAHs,利用色谱质谱联用仪对加装FBC-DPF前、后尾气中的固相PAHs进行定量分析. 结果表明:①加装FBC-DPF后柴油机排放的颗粒物数浓度大幅降低,FBC-DPF对尾气中颗粒物的捕集效率平均值在95%左右;②加装FBC-DPF后柴油机固相PAHs总比排放量有所降低,在大负荷区域降幅在25.0%~88.0%之间;③加装FBC-DPF前的颗粒物中位直径为30~89nm,而加装FBC-DPF后的颗粒物中位直径为41~98nm,平均增幅为38.2%. 对于国Ⅳ及未来国Ⅴ柴油机排放法规,FBC-DPF是解决柴油机颗粒物排放的有效手段;此外,FBC-DPF可以大幅降低柴油机尾气中的有毒成分,并且能够适应高含硫量的燃油环境.      

基于DOC+CDPF后处理技术的公交车实际道路颗粒物排放特性

利用车载排放测试系统,对柴油公交车安装氧化催化转化器(DOC)+催化型颗粒捕集器(CDPF)前后的实际道路工况颗粒物排放特性进行了研究。安装DOC+CDPF前后,稳态工况下,颗粒物数量排放(PN)、质量排放(PM)分别在车速为25,30 km/h降幅最大;瞬态工况下,随着加速度的增加,PN、PM排放率降幅逐渐增大;颗粒粒径分布规律不同,安装前呈单峰或双峰分布,而安装后呈三峰分布,粒径124.1 nm左右降幅最大。     

DOC+CDPF对生物柴油燃烧颗粒排放特性的影响

以一台满足国五排放法规的车用柴油机为样机,研究加装氧化催化转化器DOC与催化型颗粒捕集器CDPF(DOC+CDPF后处理装置)前后,柴油机燃用B20燃料(燃料含20%体积掺混比的生物柴油)的颗粒排放特性.结果表明,在未加装该后处理装置时,该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈双峰形态,B20燃料的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在10nm和50nm附近,纯柴油的排气颗粒数量浓度的峰值粒径在50nm和200nm附近.在颗粒粒径小于120nm的区域,该机燃用B20燃料的排气颗粒数量浓度大于纯柴油.加装该后处理装置后,该机排气颗粒数量浓度的粒径分布呈多峰形态,峰值粒径在10nm、20nm和60nm附近.加装DOC+CDPF后,不论是柴油还是B20燃料,与原机相比,柴油机排气颗粒总数量下降明显,其中60~200nm粒径范围的颗粒数量浓度降幅更为显著.在相同工况下,DOC+CDPF对柴油机燃用B20燃料的颗粒总数量净化效率高于纯柴油.     

柴油车尾气排放污染控制技术综述

从柴油机机内净化技术和柴油车尾气后处理技术2方面综述了国际、国内柴油车尾气排放污染控制技术研究现状,重点论述了柴油车颗粒物捕集技术和氮氧化物选择性催化还原技术的研究思路和进展,并展望了相关技术今后发展的方向.     

中国重型柴油车后处理技术研究进展

我国柴油车（尤其是重型柴油车）污染问题突出,亟须重点控制.为此,对我国重型柴油车后处理技术的主要研究进展进行了综述与展望.结果显示:我国自柴油车国Ⅳ标准实施以来,后处理技术已经成为柴油车尾气污染控制的必备技术.目前发展出的主要后处理技术包括用于控制CO和HC排放的柴油机氧化催化剂（DOC）、用于控制PM排放的柴油颗粒捕集器（DPF）、用于控制NO_x排放的选择性催化还原技术（SCR）.我国国Ⅳ和国Ⅴ阶段主要采用SCR技术路线控制重型柴油车污染排放,而国Ⅵ阶段严苛的标准要求为柴油车污染物排放控制带来巨大挑战,需要将多种后处理技术进行耦合,并且需要将后处理系统与发动机系统进行融合.除柴油车新车外,我国在用柴油车也需要有针对性地开展污染治理,主要涉及NO_x和PM高效协同减排技术和排放在线监管技术.      

喷射时刻对柴油甲醇组合燃烧发动机颗粒物排放的影响

为了进一步减少甲醇掺烧后的柴油机颗粒物排放,在一台由增压中冷的高压共轨柴油机改造成的柴油甲醇组合燃烧(DMCC—diesel/methanol compound combustion)发动机上详细研究了柴油喷射时刻对两种燃料共燃时的颗粒物生成及其排放的影响.试验工况选择重型柴油机常用的A50工况.试验结果表明,当柴油在上止点后喷射时,颗粒物排放的数量浓度随着甲醇替代率的增加而减少,当上止点前喷射时,颗粒物的数量浓度先减少后增加.随着喷射时刻的提前,颗粒中超细颗粒所占比例增大.随着喷射时刻的推迟,甲醇替代率降低颗粒物质量浓度的作用增强,同时甲醇替代率降低颗粒物几何平均直径的作用减弱.     

Combination of biodiesel-ethanol-diesel fuel blend and SCR catalyst assembly to reduce emissions from a heavy-duty diesel engine

In this study, the efforts to reduce NOx and particulate matter （PM） emissions from a diesel engine using both ethanol-selective catalytic reduction （SCR） of NOx over an Ag/Al2O3 catalyst and a biodiesel-ethanol-diesel fuel blend （BE-diesel） on an engine bench test are discussed. Compared with diesel fuel, use of BE-diesel increased PM emissions by 14% due to the increase in the soluble organic fraction （SOF） of PM, but it greatly reduced the Bosch smoke number by 60%-80% according to the results from 13-mode test of European Stationary Cycle （ESC） test. The SCR catalyst was effective in NOx reduction by ethanol, and the NOx conversion was approximately 73%. Total hydrocarbons （THC） and CO emissions increased significantly during the SCR of NOx process. Two diesel oxidation catalyst （DOC） assemblies were used after Ag/Al2O3 converter to remove CO and HC. Different oxidation catalyst showed opposite effect on PM emission. The PM composition analysis revealed that the net effect of oxidation catalyst on total PM was an integrative effect on SOF reduction and sulfate formation of PM. The engine bench test results indicated that the combination of BE-diesel and a SCR catalyst assembly could provide benefits for NOx and PM emissions control even without using diesel particle filters （DPFs）.     

柴油轿车颗粒多环芳烃的排放特性

以一辆柴油轿车为研究样车,分别使用纯柴油、生物柴油掺混比例为10%的B10燃油,进行了NEDC整车循环工况试验,测取了该车HC、CO、NOx、颗粒等法规限制的排放,利用气相色谱-质谱法对采集的排气颗粒样品进行了分析,重点研究了颗粒中多环芳烃的排放特性.结果表明,与柴油相比,燃用B10燃油的HC、CO、NOx和颗粒等常规排放均有所降低;两种燃料产生的颗粒多环芳烃排放中均以荧蒽和芘最多,与纯柴油相比,燃用B10燃油产生的低环数PAHs排放略有增加,中高环数的PAHs排放降幅明显.苯并[a]芘等效毒性分析结果显示燃用B10燃油的BEQs值比纯柴油降低了21.6%,表明柴油轿车燃用生物柴油后,排气颗粒的多环芳烃毒性有所下降.     

Unregulated emissions from diesel engine with particulate filter using Fe-based fuel borne catalyst

The alteration and formation of toxic compounds and potential changes in the toxicity of emissions when using after-treatment technologies have gained wide attention. Volatile organic compound（VOC）, carbonyl compound and particle-phase polycyclic aromatic hydrocarbon（PAH） emissions were tested at European Steady State Cycle（ESC） to study unregulated emissions from a diesel engine with a fuel-borne catalyst and diesel particulate filter（FBC–DPF）. An Fe-based fuel-borne catalyst was used for this study. According to the results, brake specific emissions of total VOCs without and with DPF were 4.7 and4.9 mg/kWh, respectively, showing a 4.3% increase. Benzene and n-undecane emissions increased and toluene emission decreased, while other individual VOC emissions basically had no change. When retrofitted with the FBC–DPF, total carbonyl compound emission decreased 15.7%, from 25.8 to 21.8 mg/kWh. The two highest carbonyls, formaldehyde and acetaldehyde, were reduced from 20.0 and 3.7 to 16.5 and 3.3 mg/kWh respectively. The specific reactivity（SR） with DPF was reduced from 6.68 to 6.64 mg/kWh. Total particle-phase PAH emissions decreased 66.4% with DPF compared to that without DPF. However, the Benzo[a]pyrene equivalent（BaPeq） with DPF had increased from 0.016 to 0.030 mg/kWh.Fluoranthene and Pyrene had the greatest decrease, 91.1% and 88.4% respectively. The increase of two- and three-ring PAHs with DPF indicates that the fuel-borne catalyst caused some gas-phase PAHs to adsorb on particles. The results of this study expand the knowledge of the effects of using a particulate filter and a Fe-based fuel-borne catalyst on diesel engine unregulated emissions.