車用柴油機(jī)后處理凈化

1、課程內(nèi)容課程內(nèi)容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 車用柴油機(jī)后處理凈化第7章 車用柴油機(jī)后處理凈化復(fù)習(xí)提問 簡述三效催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)及影響因素。簡述三效催化轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)及影響因素。 簡述催化器匹配技術(shù)的重要性并談?wù)勀愕睦斫?。簡述催化器匹配技術(shù)的重要性并談?wù)勀愕睦斫?。?dǎo)入新課 分析了車用柴油機(jī)微粒捕集器的過濾機(jī)理，介紹了常用過濾材料及其再生技術(shù)。同時(shí)還討論了NOX的吸附催化還原、選擇性非催化還原、選擇性催化還原以及等離子輔助催化還原等NOX的機(jī)外凈化技術(shù)和氧化催化轉(zhuǎn)化器。教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：知識目標(biāo)：知道微粒捕集器的過濾機(jī)理、過濾

2、體材料及其結(jié)構(gòu)、過濾體再生了解NOX機(jī)外凈化技術(shù)知道氧化催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)及工作過程能力目標(biāo)：能力目標(biāo)：懂NOX機(jī)外凈化技術(shù)素質(zhì)目標(biāo)：素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意思，提倡節(jié)能減排概述第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化針對柴油機(jī)排氣中含有的大量微粒，研制開發(fā)柴油機(jī)微粒捕集器成為柴油機(jī)后處理的熱點(diǎn)。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)。目前，國內(nèi)外研究的微粒機(jī)外凈化主要有等離子凈化、靜電分離、溶液清洗、離心分離及微粒捕集器等。 微粒捕集器 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化微粒捕集器的關(guān)鍵技術(shù)是過濾材料的選擇與過濾體的再生，其中又以后者尤為重要。 本節(jié)主要介紹微粒捕集器的

3、過濾機(jī)理、過濾體材料及其結(jié)構(gòu)、過濾體再生等三個(gè)方面的問題。柴油機(jī)微粒捕集器 過濾機(jī)理第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化通過對多種柴油機(jī)排氣微粒捕集途徑的研究比較，宜采用多孔介質(zhì)或纖維過濾材料對排氣進(jìn)行過濾，目前應(yīng)用最多的是壁流式蜂窩陶瓷。一個(gè)好的過濾體應(yīng)該是過濾效率高且壓力損失低。 微粒捕集示意圖 過濾機(jī)理的分類第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化擴(kuò)散機(jī)理 在排氣氣流中，微粒由于受到氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的碰撞而作布朗運(yùn)動(dòng)，使微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與流體的流線不一致。初始排氣中的微粒濃度分布是均勻的，布朗運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起微粒的宏觀輸運(yùn)，即微粒濃度分布的均勻性不會(huì)發(fā)生改變。但是，當(dāng)流場中出現(xiàn)捕集物后，捕集物對微粒的運(yùn)動(dòng)起到了匯的

4、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)，使微粒脫離原來的運(yùn)動(dòng)軌跡向捕集物運(yùn)動(dòng)而被捕集。 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化微粒沉積的三種機(jī)理1-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 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。第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化不同直徑微粒的擴(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。 攔截機(jī)理第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化當(dāng)微粒接近過濾表面，一旦微粒與過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濾微孔直徑時(shí)，微粒就被攔截捕集，過濾體

5、起了篩子的作用，這就是攔截機(jī)理。攔截機(jī)理慣性碰撞機(jī)理與綜合過濾機(jī)理第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化慣性碰撞機(jī)理一般把微粒理想化為只有質(zhì)量而沒有體積的質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)氣流轉(zhuǎn)折時(shí)，微粒仍有足夠的動(dòng)量按原運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)對著捕集物前進(jìn)而偏離流線，使一些微粒碰撞到捕集物而被捕集分離。綜合過濾機(jī)理認(rèn)為在微粒的過濾過程中，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。過濾體材料及其結(jié)構(gòu)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化壁流式蜂窩陶瓷 陶瓷基過濾材料陶瓷基過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

6、。 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化壁流式蜂窩陶瓷整體與多孔陶瓷微觀結(jié)構(gòu) 進(jìn)氣道 排氣道 過濾壁面 陶瓷堵封陶瓷基過濾材料陶瓷纖維氈過濾體結(jié)構(gòu) 泡沫陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化金屬基過濾材料第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化金屬在材料的強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱性等方面有陶瓷無法比擬的優(yōu)勢。鐵鉻鋁（Fe-Cr-Al）是一種耐熱耐蝕高性能合金，具有熱容小、升溫快的特點(diǎn)，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，近年來受到廣泛重視。目前研究較多的結(jié)構(gòu)形式主要是泡沫合金、金屬絲網(wǎng)及金屬纖維氈。RYPOS TPAP金屬纖維氈過濾體結(jié)構(gòu)復(fù)合基過濾材料第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化由于陶瓷基過濾材科

7、與金屬基過濾材料都有不可避免的缺陷，目前正在研究復(fù)合基增強(qiáng)型過濾材料，且主要集中在纖維氈結(jié)構(gòu)上。再生技術(shù)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化除去微粒捕集器內(nèi)沉積的微粒的過程稱為再生。微粒捕集器 在微粒捕集器再生過程的研究中，經(jīng)常要涉及過濾體中已經(jīng)沉積的微粒質(zhì)量或過濾體負(fù)載量以及再生效果兩個(gè)概念。過濾體負(fù)載量第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化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。 1/eMpp 過濾體負(fù)載量用無量綱的負(fù)載參數(shù)M表征 再生效率 再生效果用無量綱的再生效率r表征： 11()/()rrepppp 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化pr捕集器再生后的排氣背壓。 一般微

8、粒捕集器允許最大負(fù)載參數(shù)Mmax35，要求再生效率r 70%80%。 再生系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化根據(jù)原理和再生能量來源的不同主動(dòng)再生系統(tǒng)是通過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)到在生微粒捕集的效果。主動(dòng)再生系統(tǒng)噴油助燃再生系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化用丙烷或柴油作為燃料、用電點(diǎn)火的燃燒器來引發(fā)微粒捕集器的再生。已沉積在過濾體中的微粒的燃燒必須進(jìn)行得盡可能迅速和完全，但不能使陶瓷過濾體過熱而碎裂或熔融。這就要求在燃料流量、助燃?xì)饬髁髁亢脱鯘舛取⑷紵鞴ぷ鲿r(shí)間與已沉積的微粒質(zhì)量之間進(jìn)行優(yōu)化匹配

9、。 燃燒器噴出的火焰溫度應(yīng)盡可能均勻，平均溫度至少在500，以便可靠點(diǎn)燃微粒。再生周期取決于微粒沉積速度。 帶再生燃燒器的微粒捕集器第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化帶再生燃燒器的微粒捕集器串連在排氣管中，結(jié)構(gòu)簡單，如圖 (a)所示。如在過濾體前設(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)所示。DPF在排氣系統(tǒng)中的布置電加熱再生系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化電加熱再生系統(tǒng)的功率一般在36kW之間，結(jié)構(gòu)簡單，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。 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，周期性的對微粒捕集

10、器加熱使微粒燃燒。微波加熱再生系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化再生過程中過濾體內(nèi)部溫度梯度小，再生過程易于控制。微波再生效率高，沒有二次污染。 利用微波獨(dú)具的選擇加熱及體積加熱特性來再生微粒捕集器。微粒可以以60%70%的能量效率吸收頻率為210GHz的微波，由于陶瓷的損耗系數(shù)很低，所以微波并不會(huì)加熱陶瓷過濾體。紅外加熱再生系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化在柴油機(jī)微粒捕集器的再生過程中，加熱器的輻射能量主要集中在紅外波段。在紅外再生過程中，首先由加熱器加熱具有較強(qiáng)輻射能力的紅外涂層，再由紅外涂層通過輻射方式加熱過濾器中捕捉到的微粒物。反吹再生系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化反吹再生過程的最大特

11、點(diǎn)是能將過濾體與微粒燃燒分開，因此該系統(tǒng)不存在過濾體由于與微粒燃燒而產(chǎn)生破裂和燒熔等問題，也解決了不燃物質(zhì)在過濾器內(nèi)累積的問題。當(dāng)過濾體需要再生時(shí)，高壓氣流從需要再生的微粒捕集器的排氣出口端高速噴入，逆向流動(dòng)的氣流將微粒從過濾體表面清除并落入微粒漏斗。收集在漏斗里的微粒由漏斗內(nèi)的電加熱器燃燒。被動(dòng)再生系統(tǒng)大負(fù)荷再生第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化柴油機(jī)的排氣溫度是隨其工況變化而變化的。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，沉積在過濾器內(nèi)的微粒可以自行燃燒，從而達(dá)到過濾器再生的目的。 排氣節(jié)流再生節(jié)流再生是出現(xiàn)較早的技術(shù)，也叫強(qiáng)制再生，它實(shí)際上是通過某種節(jié)流方法控制柴油機(jī)的進(jìn)氣

12、量，即進(jìn)氣節(jié)流或排氣節(jié)流，以提高排氣溫度，使過濾體中的微粒著火燃燒。 催化再生第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化在過濾體的表面浸漬催化劑，催化器與捕集器是同一整體。使用過程中鉑作為催化劑，當(dāng)排氣溫度達(dá)到400左右微粒開始氧化。催化再生器催化再生第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化22NOONONOCNOCO反應(yīng)方程式燃油添加劑再生 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化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，過濾體能自行再生。 NOx 機(jī)外凈化技術(shù)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化NOx的機(jī)外凈化

13、技術(shù)主要是催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，主要包括：NOx凈化器NOX吸附催化還原第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化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)，吸附器是一個(gè)臨時(shí)存儲NOX的裝置，具有NOX吸附能力的物質(zhì)有貴金屬和堿金屬（或堿土金屬）的混合物。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）的形式存儲起來： 22230.5NOONONOMOMNO再生方法第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化當(dāng)吸附達(dá)到飽和時(shí)，也需要再生吸附器使其能夠繼續(xù)正常工作，吸附器的再生可通過柴油機(jī)周期性的稀燃和富燃工況進(jìn)行，也可通過人為調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，使其產(chǎn)生富

14、燃條件，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。 320.5MNOMONOO222(20.5 )(0.25 )0.5chch NOC Hch NhH OcCO220.5NOCONCO富氧狀況下NOX吸附催化原理 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化富氧狀況下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。富燃狀況下NOX吸附催化原理 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化 在富燃狀況下，硝酸鋇又分解并釋放出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

15、，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 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 Reduction），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： 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化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60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。 322232224446223NONHONH ONONHNONH ONOX選擇性催化還原 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化

16、選擇性催化還原也叫SCR（Selective Catalytic Reduction）方法，SCR轉(zhuǎn)化器的催化作用具有很強(qiáng)的選擇性：NOX的還原反應(yīng)被加速，還原劑的氧化反應(yīng)則受到抑制。還原劑可用各種氨類物質(zhì)或各種HC。這種系統(tǒng)的工作溫度范圍為250500，其總量反應(yīng)式為： 322222322322232242366871244464656NHNOONH ONONHNH ONHNOONH ONHNONH ONOX選擇性催化還原第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化與其它催化方法一樣，使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。因?yàn)榱驎?huì)通過SSO2SO3NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途徑生成硫酸銨或

17、硫酸氫銨，它們沉積在催化劑表面上會(huì)使其失活。 SCR系統(tǒng)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化以尿素作為還原劑的SCR系統(tǒng)，已在發(fā)電廠和固定式柴油機(jī)上得到應(yīng)用。2222445242NOHCONCOH O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)。對于轎車柴油機(jī)來說，從使用的方便性出發(fā)，希望可用燃油中的HC作為還原劑，有如下反應(yīng)式： 22232()2NHCOH ONHCO等離子輔助催化還原 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化等離子技術(shù)是指由電子、離子、自由基和中性粒子等組成的導(dǎo)電性流體，整體保持電中性。離子、激發(fā)態(tài)分子、原子和自由基等都是化學(xué)活

18、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，生成無害的N2。等離子輔助催化還原NOX二級系統(tǒng) 等離子輔助催化還原反應(yīng)方程式反應(yīng)方程式如下：第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化222222)CxHyONOxCxHyOONCOH O222NOx的活性增強(qiáng)：NONO第一階段：等離子HC的活性增強(qiáng)：CxHy+O在催化劑作用下選擇性催化還原第二階段：催化劑NOx(NO或NO等離子體輔助催化的主要作用與優(yōu)點(diǎn)第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化 等離子輔助催化還原器工作示意圖 1. 等離子體氧化過程是部分氧化。2. 等離子體氧化是有選擇性的。 3. 等離子體可以改變NOX的組成，即先將N氧化為NO2，再利用一種新型催化劑將NO2還原為N2 。用低溫等離子體技術(shù)處理柴油機(jī)排放時(shí)，可減少NOX、PM、HC的排放。另一優(yōu)點(diǎn)是對燃料含硫量幾乎沒有要求，可在相對低的溫度下運(yùn)行。氧化催化轉(zhuǎn)化器 第七章 車用柴油機(jī)后處理凈化氧化催化轉(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，生成無害的CO2和H2O。 氧