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壁流式柴油机颗粒捕集器技术及研究进展

发布日期 2016-10-22 08:55:07  作者:  浏览次数:

壁流式柴油机颗粒捕集器作为有效的控制柴油机颗粒排放技术,从材料到结构设计都 得到了长足的发展。随着新的技术发展,对载体结构提出了新的要求,如要求高孔隙率的“Two in One”技术,要求小尺寸、储灰能力强的非对称孔结构设计、薄膜结构等。

1,趋势介绍:

具有良好燃油经济性和动力性的柴油机广泛应用于各个行业,如机动车、发电机组、船舶等。然而,柴油机的颗粒(PM) 排放一直备受关注。 PM 能长时间悬浮在空气中,污染环境并影响到人 类的身心健康。随着柴油机排放标准的日趋严格,柴油机颗粒捕集器 (DPF)成为了柴油车尾气排放 达到标准的必备技术之一。DPF 在设计上必须从功能、性能、维护等方面考虑,即过滤效率、压差损失、耐高温、抗灰分腐蚀、清灰里程等。

壁流式 DPF 的工作原理见图1。相邻的蜂窝孔 道两端交替堵孔,迫使气流通过多孔的壁面,而颗 粒物被捕集在壁面孔内以及入口壁面上,其捕集效率可达90%以上。由于 DPF 工作在高温和腐蚀性尾气中,DPF 材料需要具有抗灰分腐蚀、耐热冲击等优良特性。理论上,具有低热膨胀系数和高导热系数的材料最适合于 DPF 应用,高导热系数使得 DPF 在再生过程中温度分布均匀;而低热膨胀系数有助于降低 DPF 再生时产生温度梯度而导致的热应力,从而避免 DPF 产 生裂缝。清灰里程是DPF 设计必须考虑的一个重要指标。为了延长 DPF 清灰里程,DPF 往往采用大的入口过滤体积设计。如日本 Ibiden(揖斐电) 公司采用入口为八边形结构的 DPF,而日本 Sumitomo(住友)公司则采用非对称六边形结构 DPF,法国 Saint-Gobain 公司则采用非对称波纹结构 DPF 等。各种催化剂涂敷技术应用于 DPF,以降低再生温度,减少颗粒(PM)排放,以及减少安装空间尺 寸 (SCR on DPF 技术)等,DPF的内部结构也在不断变化,以适应新的催化剂涂敷技术的发展。



2,DPF材料


由于 DPF 需要在高温、腐蚀氛围中长时间工作,因此 DPF 材料需要具备优良的热稳定性、高的机械强度、良好的耐热冲击等性能。理论上最佳的 DPF 材料应具备高的导热系数和低的热膨胀系数。较高的导热系数使得 DPF 再生时,其内部温度分布均匀,产生小的最高温度和温度梯度。而低的热膨胀系数能有效地减少DPF 由于径向和轴向的温度梯度产生的压缩和拉伸应力,避免 DPF 过 早产生裂缝,甚至造成 DPF 破裂,使得其由于PM 过滤效率急剧下降而失效。目前已经商业化的 DPF 材料以及正在研究的新一代 DPF 材料的物理特性以及微观结构见图2。

由于成本低,堇青石 DPF 被广泛应用于重卡排放控制,同时,还具备热膨胀系数低的优点,可以做成整体式结构。但是由于其熔点和热容较低,易与灰分产生共熔,在不可控再生情况下,容易被烧穿。钛酸铝 DPF 具有优异的抗热冲击性能,尽管其导热系数低,但是热容量较大,适合做成整体结构。莫来石 DPF 微观结构由大量针状的莫来石晶粒互锁而成,具有大的孔隙率和平均孔直径,以及高的比表面积,适合大的催化剂涂敷量应 用;但是其具有大的热膨胀系数,需要做成分割式结构。碳化硅 DPF 具有高的机械强度、不易疲劳、耐酸和灰分的腐蚀,同时还具备大的热容量和导热系数,高的热膨胀系数,使其不能做成整体结构。氮化硅的导热系数和热膨胀系数介于堇青石与碳化硅之间,杨氏模量较低,具有优异的抗热冲击能力,可以做成一个不需要分割的整体式结构 DPF。氮化硅 DPF 的微观结构具有很多微凸,能有效增加催化剂比表面积,提高碳烟与催化剂的接触面积,能有效地改善 DPF 再生效率;但是由于其生产成本较高,目前商业化前景尚不明朗。被认为第三代 DPF 材料的钛酸镁,具有高的热稳定 性和分布比较窄的孔结构,使得钛酸镁 DPF 具有高的过滤效率和低的背压损失,具有广泛的应用前景,目前还处于实验室研究阶段。Alpha 三氧化二铝材料 DPF 具有与碳化硅一样的耐腐蚀能力, 但是其热膨胀系数比较高,需要做成分割式结构,目前还处于商业化阶段。


3 DPF 结构

DPF 结构设计的主要目标: (1) 通过增大入口孔的过滤体积,增加 DPF 的储灰能力,同时减少高碳烟负载时的背压;(2) 通过优化 DPF 的孔隙率和平均孔直径分布,适应不同催化剂涂敷量的要求(in-wall coating),保持低的压差损失;(3)通过在壁面上涂敷一层薄薄催化剂(on-wall coating)的设计,可以提高 DPF 的初始 PM 过滤效率,以及再生效率,消除深层过滤。所谓“in-wall coating”涂敷技术就是把含有催化剂的浆料均匀地 分布在 DPF 过滤壁内孔晶粒表面,达到增加碳烟 与催化剂接触面积的效果;而“on-wall coating” 技术就是在 DPF 入口过滤壁表面上涂敷一层很薄 的含催化剂的浆料,消除 DPF 壁深层过滤。

3。1 DPF 孔结构演变

传统壁流式 DPF 孔是方形孔结构,并交叉堵孔,迫使气流流经过滤壁面,颗粒被捕集在壁内部孔表面上(深层过滤)和壁表面上,形成一层碳烟过滤层。当碳烟负载量较多时,表层过滤将会是影响 DPF 压力损失的主要因素,因而增加 DPF 的有效过滤面积,在同等的碳烟量情况下,累积在 DPF 过滤壁面 上的碳烟厚度将减小;另外,提高 DPF入口的开孔率,能有效提高 DPF 的过滤容积,加强 DPF 的灰分 储存能力,延长清灰里程。为此,不同的 DPF 研究者和生产企业对 DPF 孔结构进行了很多的创新设计。日本揖斐电公司作为全球碳化硅 DPF 市场的领导 者,在 DPF 结构设计方面做出了很多创新,其中最 具代表性的就是“OS”孔结构的 DPF,入口为八边 形,出口为正方形。“OS”孔结构 DPF 的清灰里程比 传统的对称孔结构 DPF 的要长 30%。作为 DPF 市 场的主要参与者,美国康宁(Corning)公司和日本 NGK 公司也开发了类似孔结构的堇青石、钛酸铝、 复合碳化硅等材料的 DPF。德国清洁柴油陶瓷公司 (Clean Diesel Ceramic GmbH)开发了三角形孔结构 DPF,与方形孔对称结构 DPF 相比,过滤面积能增 加 14%;但是该公司的产品以 200 目为主,主要应用于欧洲在用车改造市场。日本 TYK 公司开发出的 六边形碳化硅 DPF。法国 Saint-Gobain 开发的出波 浪形非对称结构碳化硅 DPF,能有效缩短 DPF 长 度。日本住友公司开发的出非对称六边形孔结构钛 酸铝 DPF(AT),有效过滤面积高达 14 cm2 /cm3,已经 在波兰建厂,投入批量生产。为了进一步巩固市场 占有率,揖斐电公司在产品差异性上又做出了创新, 采用有效的堵孔技术,并推出了所谓的“VPL”(Valued plugging Layout)DPF。其有效过滤面积高达 15.5 cm2 /cm3,而且有效过滤体积也提高了 15%。这 种独特结构能缩小 DPF 体积达 33%,减少 DPF 的 使用成本,而且还保持优良的性能。图 3 总结了各生 产厂家已经商业化的和正在开发的 DPF 的有效过 滤面积和入口开孔率变化趋势。

3.2 DPF 孔隙率与平均孔直径

重结晶碳化硅由于在高温下烧结几乎不收缩,孔的形成主要取决于具有双峰粒径分布的碳化硅粉的结合,因此能形成分布比较均匀的微孔分布。然而采用复合碳化硅、堇青石和钛酸铝这 3 种材料的 DPF,由于使用了造孔剂,在烧成过程中,收缩率比较大,因而孔的平均直径分布比较宽。图4 展示了这4 种材料 DPF 孔的平均直径的分布范围。

DPF 对 PM 的初始过滤效率主要取决于微孔结 构,孔的平均直径分布窄,对 PM 的过滤效率更 高。当 DPF 捕集到一定量的 PM 时,DPF 微孔结 构对 PM 的过滤效率没有明显的影响。图 5 对比了 重结晶碳化硅和堇青石材料 DPF 对 PM 的过滤效 率。这 2 种材料具有相同的壁厚和目数,但是微观 结构不同,见图 4。很显然,重结晶碳化硅 DPF 初 始的 PM 过滤效率要高于堇青石 DPF,当 PM 捕集 到 0.5g/L 时,二者的 PM 过滤效率相当,高达 99%。这是由于此时 DPF 从深层过滤过渡到表层过滤。颗粒捕集器

3.3 不同 DPF 技术的结构要求

所谓的“二合一 (Two in One)”技术就是把 SCR 催化剂涂敷在 DPF 载体内,集 SCR 和 DPF 的功能于一体,这样能有效降低成本,并减少系统的安装空间。然而,跟传统的基于 CDPF 再生技 术和基于 FBC 再生技术的 DPF 结构相比,基于“二合一”技术的 DPF 需要更大孔隙率和平均孔直径。由于基于 FBC 再生技术,放热速度快,对 DPF 的热冲击比较大。对于这一情况,一般通过减少目数,增加壁厚,以及减少孔隙率和平均孔直径 等设计手段来增加 DPF 的热容量,从而减少其在“发动机进入怠速运行 (Drop in Idle)”情况下的最 高温度和温度梯度。CDPF 技术能有效降低 DPF 再 生时的温度,有助于提高燃油经济性;但是一般催化剂涂敷量不是很大,(5~10) g/L。因此应用于CDPF 技术的 DPF 需要适中的孔隙率和平均孔直径。基于“二合一”技术往往要求高达 (90~220) g/L,甚至更高的催化剂涂敷量。这势必导致 DPF 的压差增大,恶化燃油经济性,因而设计高孔隙率 和大平均孔直径 DPF 满足高涂敷量、低背压要求。 图 6 展示了基于不同技术的 DPF 孔隙率和孔的平均直径范围。

3。4 薄膜结构 DPF

由于 DPF 不完全或部分再生时,碳烟的物理化学属性都发生了很大的改变。新鲜的碳烟比老化的碳烟具有更高的孔隙率和氧化速度。当 DPF 在高的碳烟负载情况下,碳烟的微观结构对 DPF 压差起主要作用。图 7 展示了 DPF 在一定碳烟负载量,不同碳烟的孔隙率和流速情况下的压差分散性。通常 DPF 的碳烟承载量是通过压差来估算的;压差高度分散,很难估算精确的碳烟负载量,进而延长或迟后 DPF 再生时刻,影响 DPF 的燃油经济性和可靠性。 颗粒捕集器

传统的 DPF 涂敷技术都是基于把含催化剂的浆料涂敷在过滤壁内孔表面上的技术,然后通过涂敷一层 20μm 厚的多孔介质薄膜,在 DPF 过滤壁 面上形成薄膜结构。这种结构的 DPF 不仅能有效 地消除深层过滤和改善初始的 PM 过滤效率,而 且能提高 DPF 的再生速度。这种特性有助于减轻 DPF 的压差延迟,提高 DPF 在同一碳烟负载量和 流量情况下的压差重复度。图8对比了传统结构 DPF 与带薄膜结构 DPF 的压差分散性。颗粒捕集器

4 展望

目前中国正在加强大气污染治理,越来越严格 的排放控制标准将出台。而柴油机颗粒排放物是城市大气污染的主要来源之一,作为最有效的控制柴 油机颗粒排放物技术,壁流式柴油机 DPF 将有用武之地。 DPF 的应用集材料科学、结构设计、系统集成等技术于一体。中国市场的高硫含量柴油,对 DPF 技术提出了新的挑战,需要大的储存灰分的能力、强的抗腐蚀性能。尽管国产 DPF 已经取得了一定的发展,但是产品主要集中在 200 目对称结构,并且生产一致性有待提高。



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