第7章柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染及控制主講人主講人 龔金科等龔金科等2021年11月25日7.1 概述7.2 微粒捕集器7.3 NOX機(jī)外凈化技術(shù)7.4 氧化催化轉(zhuǎn)化器第7章 柴油機(jī)后處理凈化第7章 柴油機(jī)后處理凈化概述 隨著排放法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格，僅僅靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)是不夠的，必須同時(shí)采取機(jī)外凈化技術(shù)。第7章 柴油機(jī)后處理凈化必須同時(shí)采取機(jī)外凈化技術(shù)的理由：1、潤(rùn)滑油的消耗只能減少到一定的程度，任何一種發(fā)動(dòng)機(jī)不可能不消耗潤(rùn)滑油；2、機(jī)內(nèi)凈化主要以油氣充分混合為目的，如高壓噴射技術(shù)對(duì)大微粒的減少是以增加細(xì)小微粒數(shù)量為代價(jià)，而細(xì)小微粒對(duì)人體和環(huán)境的危害更大；3、降低微粒與降低NOX之間存在一定的矛盾。第7章 柴油機(jī)后

2、處理凈化隨著世界各國(guó)對(duì)柴油車排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格 柴油機(jī)顆粒物 PM 及 NOx 排放控制成為柴油機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。降低NOx的排放催化還原凈化技術(shù)降低微粒中的可溶性有機(jī)物（降低微粒中的可溶性有機(jī)物（SOF）以及凈化柴油機(jī)排放的以及凈化柴油機(jī)排放的CO和和HC氧化催化轉(zhuǎn)化器我國(guó)柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)第7章 柴油機(jī)后處理凈化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)及后處理凈化技術(shù)都是為了減少污染物的排放，達(dá)到符合國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)。排放法規(guī)：為了治理環(huán)境污染，各國(guó)根據(jù)大氣環(huán)境污染的具體情況，制訂有關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律與大氣污染治理目標(biāo)，對(duì)各種污染源的排放提出控制要求，針對(duì)不同類型的機(jī)動(dòng)車制訂出不同的排放標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)是要求強(qiáng)制性執(zhí)行

3、的。第7章 柴油機(jī)后處理凈化第7章 柴油機(jī)后處理凈化階段柴油轎車排放限值 g/kmCOHC+NOXNOXPM國(guó)12.720.970.860.14國(guó)2163.2%0.727.8%0.6227.9%0.0842.9%國(guó)30.6476.5%0.5642.3%0.541.9%0.0564.3%國(guó)40.581.6%0.369.1%0.2570.9%0.02582.1%當(dāng)前針對(duì) PM 及 NOx 排放控制的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)有兩條路線：一種是 EGR + DPF路線, 由于該路線在美國(guó)使用較多, 又稱美國(guó)路線;基本思路: 通過(guò)廢氣再循環(huán) EGR( Exhaust Gas Recirculation)技術(shù)

4、使發(fā)動(dòng)機(jī)的 NOx降下來(lái), 由于廢氣進(jìn)入使空燃比降低, 發(fā)動(dòng)機(jī) PM 排放會(huì)有所增加, 再采用顆粒過(guò)濾器 DPF ( DeselParticulate Filter)過(guò)濾廢氣中的 PM成分,使 PM排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。第7章 柴油機(jī)后處理凈化第7章 柴油機(jī)后處理凈化另一種是燃燒優(yōu)化 + SCR路線, 歐洲較多采用又稱歐洲路線。基本思路:通過(guò)增加噴油提前角把 PM 降低, 同時(shí)NOx會(huì)大幅升高, 再用選擇性催化還原技術(shù) SCR ( Selective Analyt ic Reduction)使 NOx排放降到標(biāo)準(zhǔn)限值以下。第7章 柴油機(jī)后處理凈化微粒機(jī)外凈化技術(shù)等離子凈化技術(shù)：柴油機(jī)排氣中的有害成

5、分經(jīng)過(guò)等離子反應(yīng)器，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其中NO很容易氧化成NO2。由于NO2有很強(qiáng)的氧化性，在柴油機(jī)排氣溫度下就可將碳煙微粒氧化成碳的氧化物，通常認(rèn)為碳煙微粒的降低是因NO2的生成所致。靜電捕集技術(shù)：利用電場(chǎng)對(duì)排氣微粒進(jìn)行靜電吸附，達(dá)到微粒凈化的目的。即在排氣通道中建立高壓強(qiáng)電場(chǎng)，排氣氣流流過(guò)電場(chǎng)時(shí)，帶電粒子分別被異性電極吸附。主要問(wèn)題：設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，且氣流流速對(duì)靜電捕集效率的影響較大。溶液清洗技術(shù)：讓排氣通過(guò)水或油來(lái)清洗微粒的方法。特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，適合于固定的排氣設(shè)備。離心分離技術(shù)：將排氣引入旋風(fēng)分離器中，利用微粒的離心力，將微粒從氣流中分離出來(lái)。特點(diǎn)：由于柴油機(jī)微粒很小，

6、直徑大多在1m以下，這種技術(shù)只能分離微粒的5%10%，效果較差，但是這種方法可與其它方法一起使用。第7章 柴油機(jī)后處理凈化微粒捕集器 微粒捕集器的關(guān)鍵技術(shù)是過(guò)濾材料的選擇與過(guò)濾體的再生，其中又以后者尤為重要。 本節(jié)主要介紹微粒捕集器的過(guò)濾機(jī)理、過(guò)濾體材料及其結(jié)構(gòu)、過(guò)濾體再生三個(gè)方面的問(wèn)題。柴油機(jī)微粒捕集器 第7章 柴油機(jī)后處理凈化過(guò)濾機(jī)理微粒捕集示意圖 第7章 柴油機(jī)后處理凈化擴(kuò)散機(jī)理 初始排氣中的微粒濃度分布是均勻的。當(dāng)流場(chǎng)中出現(xiàn)捕集物后，捕集物對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)起匯的作用，從而造成排氣中微粒分布的濃度梯度，引起微粒的擴(kuò)散輸運(yùn)，使微粒脫離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡向捕集物運(yùn)動(dòng)而被捕集。 微粒沉積的三種機(jī)理1-

7、擴(kuò)散機(jī)理微粒；2-攔截機(jī)理微粒； 3-慣性沉積機(jī)理微粒 第7章 柴油機(jī)后處理凈化擴(kuò)散機(jī)理 微粒的尺寸越小，排氣溫度越高，則布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，擴(kuò)散沉積作用越明顯。不同直徑微粒的擴(kuò)散捕集效率 當(dāng)微粒直徑小于1m時(shí)，需要考慮微粒的擴(kuò)散作用，當(dāng)微粒的直徑小于0.1m時(shí)，擴(kuò)散作用已經(jīng)十分顯著。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化攔截機(jī)理攔截機(jī)理：當(dāng)微粒接近過(guò)濾表面，一旦微粒與過(guò)濾表面的距離小于或等于其半徑，即微粒直徑大于或等于過(guò)濾微孔直徑時(shí)，微粒就被攔截捕集。攔截機(jī)理第7章 柴油機(jī)后處理凈化慣性碰撞機(jī)理與綜合過(guò)濾機(jī)理第7章 柴油機(jī)后處理凈化 慣性碰撞機(jī)理：當(dāng)氣流轉(zhuǎn)折時(shí)，微粒有足夠的動(dòng)量按原運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)對(duì)著捕集物前進(jìn)

8、而偏離流線，使一些微粒碰撞到捕集物而被捕集分離。 綜合過(guò)濾機(jī)理：認(rèn)為在微粒的過(guò)濾過(guò)程中，擴(kuò)散、攔截和慣性碰撞通常是組合在一起同時(shí)起作用的，但這三種機(jī)理并不是完全獨(dú)立的。過(guò)濾體材料及其結(jié)構(gòu)壁流式蜂窩陶瓷 第7章 柴油機(jī)后處理凈化陶瓷基過(guò)濾材料 陶瓷基過(guò)濾材料通常由氧化物或碳化物組成，具有多孔結(jié)構(gòu)，在700以上能保持熱穩(wěn)定，比表面積大于1m2/g ，主要結(jié)構(gòu)包括蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纖維氈。 壁流式蜂窩陶瓷整體與多空陶瓷微觀結(jié)構(gòu) 進(jìn)氣道 排氣道 過(guò)濾壁面 陶瓷堵封第7章 柴油機(jī)后處理凈化陶瓷基過(guò)濾材料陶瓷纖維氈過(guò)濾體結(jié)構(gòu) 泡沫陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 第7章 柴油機(jī)后處理凈化金屬基過(guò)濾材料 金屬材料的強(qiáng)度

9、、韌性、導(dǎo)熱性等方面有陶瓷無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。RYPOS TPAP金屬纖維氈過(guò)濾體結(jié)構(gòu)第7章 柴油機(jī)后處理凈化 特點(diǎn)：熱容小、升溫快。有利于排氣微粒快速起燃，且抗機(jī)械振動(dòng)和高溫沖擊性能好。再生技術(shù)再生：再生：除去微粒捕集器內(nèi)沉積的微粒的過(guò)程。微粒捕集器 在微粒捕集器再生過(guò)程的研究中，經(jīng)常要涉及過(guò)濾體中已經(jīng)沉積的微粒質(zhì)量或過(guò)濾體負(fù)載量以及再生效果。第7章 柴油機(jī)后處理凈化過(guò)濾體負(fù)載量p1 沉積或負(fù)載微粒后的排氣背壓； pe 潔凈的捕集器在同一工況下的排氣背壓。 過(guò)濾體負(fù)載量用無(wú)量綱的負(fù)載參數(shù)M表征 第7章 柴油機(jī)后處理凈化1/eMpp 再生效率 再生效果用無(wú)量綱的再生效率r表征： 11()/()rr

10、epppp pr捕集器再生后的排氣背壓。 一般微粒捕集器允許最大負(fù)載參數(shù)Mmax35，要求再生效率r 70%80%。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化再生系統(tǒng)根據(jù)原理和再生能量來(lái)源的不同主動(dòng)再生系統(tǒng)是通過(guò)外加能量將氣流溫度提高到微粒的起燃溫度使捕集的微粒燃燒，達(dá)到再生過(guò)濾的目的。被動(dòng)再生系統(tǒng)利用柴油機(jī)排氣自身的能量使微粒燃燒，達(dá)到再生微粒捕集的效果。第7章 柴油機(jī)后處理凈化主動(dòng)再生系統(tǒng)第7章 柴油機(jī)后處理凈化帶再生燃燒器的微粒捕集器 帶再生燃燒器的微粒捕集器串連在排氣管中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖 (a)所示。 如在過(guò)濾體前設(shè)置一旁通排氣管，如圖 (b)所示。 在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中安裝兩套微粒捕集器，如圖(c)所

11、示。DPF在排氣系統(tǒng)中的布置第7章 柴油機(jī)后處理凈化電加熱再生系統(tǒng) 電加熱再生系統(tǒng)的功率一般在36kW之間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、安全可靠，但再生時(shí)熱量利用率和再生速率低，消耗能量較多。 蜂窩陶瓷再生加熱電阻絲結(jié)構(gòu)1-回形電阻絲；2-螺旋形電阻絲 電加熱再生在微粒捕集器工作一段時(shí)間后，采用電熱絲或其它電加熱方法，周期性的對(duì)微粒捕集器加熱使微粒燃燒。第7章 柴油機(jī)后處理凈化微波加熱再生系統(tǒng) 再生過(guò)程中過(guò)濾體內(nèi)部溫度梯度小，再生過(guò)程易于控制。微波再生效率高，沒(méi)有二次污染。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化 利用微波獨(dú)具的選擇加熱及體積加熱特性來(lái)再生微粒捕集器。微?？梢砸?0%70%的能量效率吸收頻率為210

12、GHz的微波，由于陶瓷的損耗系數(shù)很低，所以微波并不會(huì)加熱陶瓷過(guò)濾體。紅外加熱再生系統(tǒng) 加熱器的輻射能量主要集中在紅外波段。首先，加熱器加熱具有較強(qiáng)輻射能力的紅外涂層；然后，紅外涂層通過(guò)輻射方式加熱過(guò)濾器中捕捉到的微粒物。第7章 柴油機(jī)后處理凈化被動(dòng)再生系統(tǒng)第7章 柴油機(jī)后處理凈化 柴油機(jī)在高速大負(fù)荷運(yùn)行時(shí) ， 排 氣 溫 度 可 以 達(dá) 到500以上。在此溫度下，沉積在過(guò)濾器內(nèi)的微粒可以自行燃燒，從而達(dá)到過(guò)濾器再生的目的。 大負(fù)荷再生催化再生 在過(guò)濾體的表面浸漬催化劑，催化器與捕集器是同一整體。使用過(guò)程中鉑作為催化劑，當(dāng)排氣溫度達(dá)到400左右微粒開(kāi)始氧化。催化再生器第7章 柴油機(jī)后處理凈化催化

13、再生22NOONONOCNOCO 應(yīng)用催化再生的主要缺點(diǎn)：反應(yīng)方程式第7章 柴油機(jī)后處理凈化固體微粒與催化劑的接觸反應(yīng)極不均勻，很難進(jìn)行完全再生。柴油機(jī)排氣中的微粒含量很大，隨著時(shí)間的推移，催化劑的作用會(huì)逐漸減弱甚至完全消失，即催化劑中毒。催化劑中毒。燃油添加劑再生 在燃油中加入金屬催化劑（如金屬鈰Ce)，添加劑與燃油一起在氣缸內(nèi)參與燃燒，燃燒后生成的金屬氧化物對(duì)微粒起催化作用，降低微粒起燃溫度，從而在較低的排氣溫度下不需外部能源，過(guò)濾體能自行再生。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化NOx 機(jī)外凈化技術(shù)NOx的機(jī)外凈化技術(shù)主要是催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，主要包括：NOx凈化器第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)選擇性非催

14、化還原吸附催化還原等離子輔助催化還原選擇性催化還原NOX選擇性催化還原選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction）方法：在氧濃度高出NOX濃度兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的條件下， NOX的還原反應(yīng)被加速，還原劑（各種氨類物質(zhì)或各種HC ）的氧化反應(yīng)則受到抑制。工作溫度范圍為250 500。HC-SCR反應(yīng)體系NH3-SCR反應(yīng)體系第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOX選擇性催化還原SCRNH3-SCRHC-SCR還原劑：各種氨類物質(zhì) 催化劑：貴金屬Pt、非貴金屬的Ag、Cu以及Cu-ZSM-5等還原劑：各種碳?xì)湮镔|(zhì) 催化劑：V2O5-TiO2、Ag -Al2O3，等 SC

15、R系統(tǒng)第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOX選擇性催化還原使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。硫會(huì)通過(guò)SSO2SO3NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途徑生成硫酸銨或硫酸氫銨，它們沉積在催化劑表面上會(huì)使其失活。 NOX選擇性催化還原器 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)SCR系統(tǒng)NH3-SCR系統(tǒng)，已在發(fā)電廠和固定式柴油機(jī)上得到應(yīng)用。有如下反應(yīng)式：以氨水作為還原劑的SCR系統(tǒng)，可以降低柴油機(jī)NOX排放95%以上，但柴油機(jī)需要一套復(fù)雜的控制還原劑噴射量的系統(tǒng)。對(duì)于轎車柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，從使用的方便性出發(fā)，希望可用燃油中的HC作為還原劑，HC-SCR系統(tǒng)有如下反應(yīng)式： 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

16、SCR反應(yīng):2NH3+NO+NO2 2N2+ 3H2O快速SCR反應(yīng):4NO+4NH3+O24N2+6H2OOHCONOHCNO2222242544SCR系統(tǒng)國(guó)內(nèi)SCR有待解決的難題：1、SCR的難點(diǎn)是精確控制噴射量和尿素的配送問(wèn)題。尿素在-11下會(huì)凝固，車輛在黃河以北則需要附加設(shè)計(jì)加熱和解凍裝置；催化還原時(shí)需要的尿素很少，需要精確地控制尿素的噴射量。ECU既要對(duì)燃油噴射進(jìn)行控制，又要對(duì)尿素噴射進(jìn)行控制，這對(duì)于電控單元的設(shè)計(jì)和標(biāo)定都是一個(gè)難題。2、ECU技術(shù)。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)NOX的選擇性非催化還原選擇性非催化還原也稱為SNCR（Selective Non Catalytic Re

17、duction），它的原理是在高溫排氣中加入NH3作為還原劑，與NOX反應(yīng)后生成N2和H2O，其總量反應(yīng)式為： SNCR方法的優(yōu)點(diǎn)是可以省去價(jià)格昂貴的催化劑。選擇壓縮上止點(diǎn)后60A左右的時(shí)刻向柴油機(jī)缸內(nèi)噴射氨水，可以明顯降低NOx的效果。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)OHNNONHNOOHNONHNO222322233226444NOX吸附催化還原吸附催化還原是基于發(fā)動(dòng)機(jī)周期性稀燃和富燃工作的一種NOX凈化技術(shù)。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)處于稀燃階段，排氣處于富氧狀態(tài)，NOX被吸附劑以硝酸鹽（ MNO3，M表示堿金屬）的形式存儲(chǔ)起來(lái)： 32225 . 0MNOMONONO

18、ONO再生方法 吸附器的再生可通過(guò)柴油機(jī)周期性的稀燃和富燃工況（或人為調(diào)整的富燃條件下）進(jìn)行，使硝酸鹽分解釋放出NOX，NOX再與HC和CO在貴金屬催化器下被還原為N2。 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)22235.05.0CONCONOONOMOMNO2225 . 0)25. 0()5 . 02(cCOOhHNhcHCNOhchc富氧狀況下NOX吸附催化原理 富氧狀況下NOX吸附催化原理 以含堿金屬鋇（Ba）作為吸附劑為例，在富氧狀況下，Pt催化劑使NO氧化成NO2，NO2進(jìn)一步與吸附劑中的鋇生成硝酸鋇而被捕集。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)富燃狀況下NOX吸附催化原理 在富燃狀況下，硝酸鋇分解并

19、釋放出NOX，NOX再與HC和CO反應(yīng)被還原成N2。在貧燃或富燃交替變換的環(huán)境下，堿金屬鋇分別以硝酸鋇、氧化鋇或碳酸鋇的形態(tài)存在，起著吸附及釋放NOX的作用。富燃狀況下NOx吸附催化原理 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)等離子輔助催化還原 離子、激發(fā)態(tài)分子、原子和自由基等都是化學(xué)活性極強(qiáng)的物種。首先利用這些活性物種把NO和HC氧化為NO2和部分氧化的高選擇性含氧CH類還原劑，然后再在催化劑作用下促使新產(chǎn)生的高選擇性活性物種還原NO2，生成無(wú)害的N2。等離子輔助催化還原NOX二級(jí)系統(tǒng) 第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)等離子輔助催化還原反應(yīng)方程式反應(yīng)方程式如下：第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)第一階段：等離子

20、NOx的活性增強(qiáng)：HC的活性增強(qiáng)：2NONO 22CCxHyOOxHy第二階段：催化劑NOx在催化劑作用下選擇性催化還原OHOxHyO222222CONC)NONOx(NO或等離子體輔助催化的主要作用與優(yōu)點(diǎn) 等離子輔助催化還原器工作示意圖 1. 等離子體氧化過(guò)程是部分氧化。用低溫等離子體技術(shù)處理柴油機(jī)排放時(shí)：1.可減少NOX、PM、HC的排放。2.對(duì)燃料含硫量幾乎沒(méi)有要求，可在相對(duì)低的溫度下運(yùn)行。第7章 柴油機(jī)后處理凈化技術(shù)2. 等離子體氧化是有選擇性的。 3. 等離子體先將N氧化為NO2，再利用一種新型催化劑將NO2還原為N2 。氧化催化轉(zhuǎn)化器 氧化催化轉(zhuǎn)化器采用沉積在面容比很大的載體表面上的催化劑作為觸媒元件，使排氣中的部分或大部分HC和CO與排氣中殘留的O2化合，生成無(wú)害的CO2和H2O。 氧化催化轉(zhuǎn)化器 第7章