第7章柴油机后处理净化技术.

发动机排放污染及控制主讲人龚金科等2019年12月19日7.1概述7.2微粒捕集器7.3NOX机外净化技术7.4氧化催化转化器第7章柴油机后处理净化第7章柴油机后处理净化概述随着排放法规的进一步严格，仅仅靠机内净化技术是不够的，必须同时采取机外净化技术。第7章柴油机后处理净化必须同时采取机外净化技术的理由：1、润滑油的消耗只能减少到一定的程度，任何一种发动机不可能不消耗润滑油；2、机内净化主要以油气充分混合为目的，如高压喷射技术对大微粒的减少是以增加细小微粒数量为代价，而细小微粒对人体和环境的危害更大；3、降低微粒与降低NOX之间存在一定的矛盾。第7章柴油机后处理净化随着世界各国对柴油车排放的要求越来越严格柴油机颗粒物PM及NOx排放控制成为柴油机发展的关键技术。降低NOx的排放催化还原净化技术降低微粒中的可溶性有机物（SOF）以及净化柴油机排放的CO和HC氧化催化转化器我国柴油机排放标准第7章柴油机后处理净化发动机机内净化技术及后处理净化技术都是为了减少污染物的排放，达到符合国家的排放标准。排放法规：为了治理环境污染，各国根据大气环境污染的具体情况，制订有关环境保护的法律与大气污染治理目标，对各种污染源的排放提出控制要求，针对不同类型的机动车制订出不同的排放标准，这些标准是要求强制性执行的。柴油轿车排放限值演变过程第7章柴油机后处理净化欧1和欧2转化到取消40秒怠速的新测试工况（ACEA相关系数）第7章柴油机后处理净化阶段柴油轿车排放限值g/kmCOHC+NOXNOXPM国12.72—0.97—0.86—0.14—国2163.2%0.727.8%0.6227.9%0.0842.9%国30.6476.5%0.5642.3%0.541.9%0.0564.3%国40.581.6%0.369.1%0.2570.9%0.02582.1%当前针对PM及NOx排放控制的柴油机排气后处理技术有两条路线：一种是EGR+DPF路线,由于该路线在美国使用较多,又称美国路线;基本思路:通过废气再循环EGR(ExhaustGasRecirculation)技术使发动机的NOx降下来,由于废气进入使空燃比降低,发动机PM排放会有所增加,再采用颗粒过滤器DPF(DeselParticulateFilter)过滤废气中的PM成分,使PM排放达到标准要求。第7章柴油机后处理净化第7章柴油机后处理净化另一种是燃烧优化+SCR路线,欧洲较多采用又称欧洲路线。基本思路:通过增加喷油提前角把PM降低,同时NOx会大幅升高,再用选择性催化还原技术SCR(SelectiveAnalyticReduction)使NOx排放降到标准限值以下。第7章柴油机后处理净化微粒机外净化技术•等离子净化技术：柴油机排气中的有害成分经过等离子反应器，发生复杂的化学反应，其中NO很容易氧化成NO2。由于NO2有很强的氧化性，在柴油机排气温度下就可将碳烟微粒氧化成碳的氧化物，通常认为碳烟微粒的降低是因NO2的生成所致。•静电捕集技术：利用电场对排气微粒进行静电吸附，达到微粒净化的目的。即在排气通道中建立高压强电场，排气气流流过电场时，带电粒子分别被异性电极吸附。主要问题：设备体积大、结构复杂、成本高，且气流流速对静电捕集效率的影响较大。•溶液清洗技术：让排气通过水或油来清洗微粒的方法。特点：方法简单，适合于固定的排气设备。•离心分离技术：将排气引入旋风分离器中，利用微粒的离心力，将微粒从气流中分离出来。特点：由于柴油机微粒很小，直径大多在1μm以下，这种技术只能分离微粒的5%～10%，效果较差，但是这种方法可与其它方法一起使用。第7章柴油机后处理净化微粒捕集器微粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择与过滤体的再生，其中又以后者尤为重要。本节主要介绍微粒捕集器的过滤机理、过滤体材料及其结构、过滤体再生三个方面的问题。柴油机微粒捕集器第7章柴油机后处理净化过滤机理微粒捕集示意图第7章柴油机后处理净化扩散机理初始排气中的微粒浓度分布是均匀的。当流场中出现捕集物后，捕集物对微粒的运动起汇的作用，从而造成排气中微粒分布的浓度梯度，引起微粒的扩散输运，使微粒脱离原来的运动轨迹向捕集物运动而被捕集。微粒沉积的三种机理1-扩散机理微粒；2-拦截机理微粒；3-惯性沉积机理微粒第7章柴油机后处理净化扩散机理微粒的尺寸越小，排气温度越高，则布朗运动越剧烈，扩散沉积作用越明显。不同直径微粒的扩散捕集效率当微粒直径小于1μm时，需要考虑微粒的扩散作用，当微粒的直径小于0.1μm时，扩散作用已经十分显著。第7章柴油机后处理净化拦截机理拦截机理：当微粒接近过滤表面，一旦微粒与过滤表面的距离小于或等于其半径，即微粒直径大于或等于过滤微孔直径时，微粒就被拦截捕集。拦截机理第7章柴油机后处理净化惯性碰撞机理与综合过滤机理第7章柴油机后处理净化惯性碰撞机理：当气流转折时，微粒有足够的动量按原运动方向继续对着捕集物前进而偏离流线，使一些微粒碰撞到捕集物而被捕集分离。综合过滤机理：认为在微粒的过滤过程中，扩散、拦截和惯性碰撞通常是组合在一起同时起作用的，但这三种机理并不是完全独立的。过滤体材料及其结构壁流式蜂窝陶瓷第7章柴油机后处理净化陶瓷基过滤材料陶瓷基过滤材料通常由氧化物或碳化物组成，具有多孔结构，在700℃以上能保持热稳定，比表面积大于1m2/g，主要结构包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。壁流式蜂窝陶瓷整体与多空陶瓷微观结构进气道排气道过滤壁面陶瓷堵封第7章柴油机后处理净化陶瓷基过滤材料陶瓷纤维毡过滤体结构泡沫陶瓷的显微结构第7章柴油机后处理净化金属基过滤材料金属材料的强度、韧性、导热性等方面有陶瓷无法比拟的优势。RYPOSTPAP金属纤维毡过滤体结构第7章柴油机后处理净化特点：热容小、升温快。有利于排气微粒快速起燃，且抗机械振动和高温冲击性能好。再生技术再生：除去微粒捕集器内沉积的微粒的过程。微粒捕集器在微粒捕集器再生过程的研究中，经常要涉及过滤体中已经沉积的微粒质量或过滤体负载量以及再生效果。第7章柴油机后处理净化过滤体负载量Δp1—沉积或负载微粒后的排气背压；Δpe—洁净的捕集器在同一工况下的排气背压。过滤体负载量用无量纲的负载参数M表征第7章柴油机后处理净化1/eMpp再生效率再生效果用无量纲的再生效率ηr表征：11()/()rreppppΔpr—捕集器再生后的排气背压。一般微粒捕集器允许最大负载参数Mmax＝3～5，要求再生效率ηr＝70%～80%。第7章柴油机后处理净化再生系统根据原理和再生能量来源的不同主动再生系统是通过外加能量将气流温度提高到微粒的起燃温度使捕集的微粒燃烧，达到再生过滤的目的。被动再生系统利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达到再生微粒捕集的效果。第7章柴油机后处理净化主动再生系统第7章柴油机后处理净化带再生燃烧器的微粒捕集器带再生燃烧器的微粒捕集器串连在排气管中，结构简单，如图(a)所示。如在过滤体前设置一旁通排气管，如图(b)所示。在柴油机排气系统中安装两套微粒捕集器，如图(c)所示。DPF在排气系统中的布置第7章柴油机后处理净化电加热再生系统电加热再生系统的功率一般在3～6kW之间，结构简单，使用方便、安全可靠，但再生时热量利用率和再生速率低，消耗能量较多。蜂窝陶瓷再生加热电阻丝结构1-回形电阻丝；2-螺旋形电阻丝电加热再生在微粒捕集器工作一段时间后，采用电热丝或其它电加热方法，周期性的对微粒捕集器加热使微粒燃烧。第7章柴油机后处理净化微波加热再生系统再生过程中过滤体内部温度梯度小，再生过程易于控制。微波再生效率高，没有二次污染。第7章柴油机后处理净化利用微波独具的选择加热及体积加热特性来再生微粒捕集器。微粒可以以60%～70%的能量效率吸收频率为2～10GHz的微波，由于陶瓷的损耗系数很低，所以微波并不会加热陶瓷过滤体。红外加热再生系统加热器的辐射能量主要集中在红外波段。首先，加热器加热具有较强辐射能力的红外涂层；然后，红外涂层通过辐射方式加热过滤器中捕捉到的微粒物。第7章柴油机后处理净化被动再生系统第7章柴油机后处理净化柴油机在高速大负荷运行时，排气温度可以达到500℃以上。在此温度下，沉积在过滤器内的微粒可以自行燃烧，从而达到过滤器再生的目的。大负荷再生催化再生在过滤体的表面浸渍催化剂，催化器与捕集器是同一整体。使用过程中铂作为催化剂，当排气温度达到400℃左右微粒开始氧化。催化再生器第7章柴油机后处理净化催化再生22NOONONOCNOCO应用催化再生的主要缺点：反应方程式第7章柴油机后处理净化固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，很难进行完全再生。柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的推移，催化剂的作用会逐渐减弱甚至完全消失，即催化剂中毒。燃油添加剂再生在燃油中加入金属催化剂（如金属铈Ce)，添加剂与燃油一起在气缸内参与燃烧，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，降低微粒起燃温度，从而在较低的排气温度下不需外部能源，过滤体能自行再生。第7章柴油机后处理净化NOx机外净化技术NOx的机外净化技术主要是催化转化技术，主要包括：NOx净化器第7章柴油机后处理净化技术✿选择性非催化还原✿吸附催化还原✿等离子辅助催化还原✿选择性催化还原NOX选择性催化还原选择性催化还原SCR（SelectiveCatalyticReduction）方法：在氧浓度高出NOX浓度两个数量级以上的条件下，NOX的还原反应被加速，还原剂（各种氨类物质或各种HC）的氧化反应则受到抑制。工作温度范围为250℃～500℃。✿HC-SCR反应体系✿NH3-SCR反应体系第7章柴油机后处理净化技术NOX选择性催化还原SCRNH3-SCRHC-SCR还原剂：各种氨类物质催化剂：贵金属Pt、非贵金属的Ag、Cu以及Cu-ZSM-5等还原剂：各种碳氢物质催化剂：V2O5-TiO2、Ag-Al2O3，等SCR系统第7章柴油机后处理净化技术NOX选择性催化还原使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。硫会通过S→SO2→SO3→NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途径生成硫酸铵或硫酸氢铵，它们沉积在催化剂表面上会使其失活。NOX选择性催化还原器第7章柴油机后处理净化技术SCR系统NH3-SCR系统，已在发电厂和固定式柴油机上得到应用。有如下反应式：以氨水作为还原剂的SCR系统，可以降低柴油机NOX排放95%以上，但柴油机需要一套复杂的控制还原剂喷射量的系统。对于轿车柴油机来说，从使用的方便性出发，希望可用燃油中的HC作为还原剂，HC-SCR系统有如下反应式：第7章柴油机后处理净化技术标准SCR反应:2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O快速SCR反应:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2OOHCONOHCNO2222242544SCR系统国内SCR有待解决的难题：1、SCR的难点是精确控制喷射量和尿素的配送问题。尿素在-11℃下会凝固，车辆在黄河以北则需要附加设计加热和解冻装置；催化还原时需要的尿素很少，需要精确地控制尿素的喷射量。ECU既要对燃油喷射进行控制，又要对尿素喷射进行控制，这对于电控单元的设计和标定都是一个难题。2、ECU技术。第7章柴油机后处理净化技术NOX的选择性非催化还原选择性非催化还原也称为SNCR（SelectiveNonCatalyticReduction），它的原理是在高温排气中加入NH3作为还原剂，与NOX反应后生成N2和H2O，其总量反应式为：SNCR方法的优点是可以省去价格昂贵的催化剂。选择压缩上止点后60℃A左右的时刻向柴油机缸内喷射氨水，可以明显降低NOx的效果。第7章柴油机后处理净化技术OHNNONHNOOHNONHNO222322233226444NOX吸附催化还原吸附催化还原是基于发动机周期性稀燃和富燃工作的一种NOX净化技术。第7章柴油机后处理净化技术当发动机正常运转时处于稀燃阶段，排气处于富氧状态，NOX被吸附剂以硝酸盐（MNO3，M表示碱金属）的形式存储起来：32225.0MNOMONONOONO