微粒捕集器再生的分析和相關研究進展

楊 超，劉炳霞，顧海英，黃 彪，黃福東

(江蘇科技大學，江蘇鎮江212003)

0 引言

全球大氣污染日益嚴重，而微粒是大氣污染的主要成分之一，且微粒可以引發多種疾病，因此對顆粒物高排放的柴油機進行排放控制尤其重要。目前公認的最有效的機外控制方法是在柴油機排氣管上串聯安裝微粒捕集器(DPF)，將排氣中的微粒吸收并保存在濾芯中。但是捕集器本身并不能清除微粒，隨著微粒的堆積，會增加排氣的流動阻力、排氣背壓，影響發動機的性能。有研究表明，當排氣壓力超過25 kPa［1］時，發動機性能就會惡化，因此，必須及時消除DPF中沉積的微粒，以保證發動機穩定高性能工作和微粒DPF對排氣微粒的吸收捕集能力，此即DPF的再生。

1 微粒捕集器的再生

目前，DPF的再生按原理的不同可以分為主動再生、被動再生兩大類。此外在近幾年還出現了一種結合兩種或兩種以上再生方式的復合再生，如鈰基添加劑輔助催化復合再生。

1.1 主動再生

1.1.1 電加熱再生

電加熱再生技術是將電流直接通到過濾體上，使過濾材料升溫，提高微粒的溫度，直至微粒達到著火燃燒。這種再生技術的優點是微粒直接在濾芯上升溫燃燒，微粒不經過其他移動就直接燃燒，熱量損失較小，能量轉換效率較高;缺點是導電濾芯的制造工藝復雜，成本高，還有待進一步的研究。

孫柱等［2］利用臺架實驗，表明蜂窩陶瓷過濾體的電加熱過程不會對再生過程產生負面影響，且再生效率可以達到87%以上。

1.1.2 噴油助燃再生

噴油助燃再生是在捕集器的入口前安裝額外的燃燒器。再生時，適量的燃油與空氣在燃燒器內點燃，產生高溫燃氣，微粒迅速升溫著火燃燒。該技術的優點是能量利用率高，響應速度快;缺點是對燃燒器的可靠性要求高，系統裝置比較復雜，造價昂貴，且容易引起二次污染。

伏軍等［3］對龔金科等［4］的模型進行改進，并將噴油量/補氣量予以最優控制，將噴油助燃再生過程的油耗量降低34.6%～40.2%。

1.1.3 微波加熱再生

微波加熱再生是利用DPF濾芯材料與微粒的介電性能不同。當受到微波輻射時，由于微波特有的選擇性加熱和體積加熱的特性，再生時濾芯受熱遠遠小于微粒，這樣便使沉積在濾芯中的微粒升溫燃燒，而不影響濾芯。該技術的優點是:微粒升溫迅速且受熱均勻，對捕集器的影響較小。缺點是:只有當濾芯材料對微波透明時，對捕集器的影響才最小甚至沒有，但對微波透明的材料仍處于研究發現中。另外，微波加熱再生會消耗額外的電能，且微波會泄漏出捕集器。

資新運等［5］對其自行設計的過濾體微波加熱再生系統建模，使再生過程縮短到5～7 min，且再生溫度被控制在可接受范圍內，還計算出過濾體的再生微粒量在5～13 kg/m3的范圍內較為合適。龔金科等［6］基于模糊綜合評價法，結合層次分析主觀賦權法與熵值賦權法，研究了微波功率、排氣中的各項指標等各因素取不同值時對再生性能的影響。

1.2 被動再生

1.2.1 催化再生

催化再生是在DPF濾芯材料表面涂覆或浸漬高催化活性的催化劑，利用化學催化的方法降低微粒的反應活化能，使微粒在柴油機排氣溫度約為350℃［7］時即可燃燒。這種方式結構簡單，無需其他附加控制系統，發動機保持低排氣背壓運行，發動機的效率得到了保障，再生過程耗能低，且再生過程中的熱負荷較小，提高了濾芯及捕集器的壽命和可靠性。缺點是微粒與催化劑的接觸反應極不均勻，因此很難進行完全再生;隨著時間的推移，催化劑的作用會逐漸降低直至完全消失，會影響到過濾體的有效再生和對其他有害氣體的催化凈化效果。另外，若燃油含硫量太高還會導致催化劑中毒。

龔金科等［8］對催化型微粒捕集器(CPF)深床捕集微粒的氧化再生過程建模，并研究了壓降特性的數值，提供了CPF的優化設計依據;張文斐［9］基于Fire軟件研究了涂敷催化劑對碳煙再生的影響，證明催化劑的涂敷能有效增加碳煙的氧化再生反應速率。

1.2.2 燃油添加劑催化再生

燃油催化再生是在燃油中加入金屬有機物，燃油燃燒后會生成具有較強催化活性且能與微粒緊密附著在一起的金屬氧化物，將微粒自燃溫度降低到200℃以下微粒，在正常的排氣溫度下，就可實現再生。其優點是再生所需的溫度低，有效地延長了DPF的使用壽命，但是金屬氧化物在經過過濾體時會有一部分沉積下來，堵塞過濾體，另有少量的金屬氧化物會隨尾氣排入大氣產生二次污染。另外，柴油中的硫對催化添加劑有毒害作用。

王天友等［10］研究了某采用燃油催化再生微粒捕集器的排量為7.7 L的柴油機的排放微粒的捕集與強制再生，發現DPF對C0、HC及NOx的排放沒有影響，且對微粒的過濾效率達到80%以上。

1.2.3 連續再生

連續再生是在過濾體上游安裝1個氧化催化器(DOC)。DOC將排氣中的NO氧化成N02。N02使微粒在260℃左右就發生氧化，微粒一邊過濾沉積，一邊氧化燃燒，保持動態平衡。該再生系統平衡溫度低，低溫性能好，再生效率高。

劉恒語［11］對壁流式連續再生DPF進行了仿真分析，表明當體積比DOC/DPF接近于1.5時，連續再生式微粒捕集再生速率最為理想。

1.3 復合再生

1.3.1 噴油催化燃燒再生

噴油催化燃燒再生是在DPF前加裝DOC。當需要再生時，啟動再生程序，噴油器向DOC噴入一定量的燃油，利用DOC對未燃碳氮化合物的催化氧化作用來提高排氣溫度，點燃微粒。該方式能適應較高含硫量的柴油，能有效解決我國燃油含硫量較高的問題。

侯獻軍等［12］利用GT-Power軟件建立DPF噴油催化燃燒再生系統仿真模型，并對DPF進行優化，使DPF提溫時間縮短了37.9%，DPF出口最高溫度增加了3.4%。

1.3.2 鈰基添加劑輔助催化復合再生

鈰基添加劑輔助催化復合再生是由2種被動再生方式組合而成，即在燃油中添加鈰基添加劑，并在DPF上涂覆能夠有效提高再生性能的貴金屬催化涂層，降低微粒著火點，使柴油機在中小負荷工況時也能滿足再生要求。

龍罡［13］的研究結果表明:鈰基添加劑輔助催化復合再生能夠提高再生效率，且能夠滿足中低負荷以上工況下的再生要求。

1.3.3 微波和鈰錳添加劑復合再生

微波和鈰錳添加劑復合再生［14］結合了主動與被動2種方式，即利用化學添加劑降低微粒著火溫度，利用微波加熱微粒使微粒在較低的溫度條件下就能著火燃燒。

吳鋼等［14］對泡沫陶瓷過濾體的再生三維模型進行仿真研究，發現過濾體再生時間最短是在鈰錳元素含量之比為75:25時。左青松等［15］證明催化劑中的Mn與Ce元素可以促進微粒在低燃點溫度下充分燃燒，當濃度合適時可以有效降低含鈰錳基催化劑的柴油機微粒捕集器的微粒燃點溫度。

2 再生的相關研究

2.1 軟件模擬

軟件模擬是指在計算機軟件中建立再生的模型并導入到模擬軟件中，然后利用計算機技術，研究再生過程中各參數(如DPF入口質量流速、再生初始碳煙量、過濾體初始溫度，過濾體內氣流的流動速率、氧濃度等)的變化規律，亦可以通過改變單個或多個參數研究捕集器中各參數對再生性能的影響，為DPF的開發設計提供理論技術依據。

徐哲［16］在再生前載體內碳煙均勻分布的前提下分析了壁流式DPF再生過程中各種因素對DPF再生特性的影響。梅本付［17］利用fluent軟件對模型進行數值計算，得到捕集器內部的三維溫度場分布以及溫度梯度分布，并研究了捕集器各參數對再生性能的影響。

2.2 編程

編程是指利用編程語言編寫模型的求解計算程序，對再生過程進行計算求解。編程可用于驗證模型的正確性，亦可以用于DPF的優化設計和性能預測等，但是編程沒有用軟件模擬普遍，且比較繁瑣。

王勁［18］編寫模型的C++求解程序對DPF捕集和再生過程進行計算，證明催化添加劑含量并不是越多越好，捕集器負載量過大會造成二次污染，VOF(揮發性有機組分)含量過大會造成能量的浪費，對濾芯造成傷害，再生過程排氣質量流速則會使再生時的溫度和壓力損失增加。王丹在Matlab計算平臺上確定了濾餅捕集階段DPF碳載量與排氣背壓及其構成組分關系，實現了利用Matlab計算程序進行DPF結構設計與優化以及DPF性能預測。

2.3 試驗

試驗是指在再生的研究過程中，利用試驗裝置進行試驗，從而測量參數數據(如發動機背壓、濾芯溫度等)以研究再生特性，用以驗證模型或理論的正確性。該方法在試驗過程所消耗的能源、時間等相對較多，但其數據源于實際，能夠準確反映再生過程的參數和性能等的變化，是研究再生必不可少的環節。

吳鋼［14］等利用臺架試驗得出了當鈰錳元素含量之比為75:25時，過濾體再生時間最短的結論。魏雄武［19］利用試驗研究得出了1:1 000的貴金屬溶液與柴油的配比具有較好的綜合性能，且排氣背壓在22 kPa能保證捕集器可靠再生，而在15 kPa的排氣背壓下則不能實現。張輝［20］以試驗數據為基礎驗證了基于DOC與催化涂覆DPF的柴油機后處理系統三維仿真模型的有效性。

3 結語

主動再生工作溫度高，對捕集器過濾材料的要求非常高，且能源消耗較多。被動再生則降低了微粒著火點的溫度，大大減少了能源消耗，但是目前對于被動再生的研究在很多方面還存在難題。復合再生雖然提高了再生凈化效率，但是同時也需要考慮2種再生方式的不足。盡管柴油機微粒捕集器仍然存在許多不足，但其對于尾氣的超強處理能力已經得到了證明，因此DPF在未來很長一段時間內都將被廣泛使用。目前捕集器的主要研究宗旨在于提高凈化率、壽命和可靠性等，但是從長遠來看，由于能源緊缺等各方面原因，捕集器還應研究如何減少能源消耗，且在未來捕集器極有可能是以被動再生為主或者被動再生完全取代其他再生方式，以利于最大限度地減少能源消耗。

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