低溫等離子體協(xié)同木纖維凈化柴油機(jī)尾氣臺(tái)架試驗(yàn)1)

杜丹豐 郭秀榮 李明寶 張莉 馬超 徐岳峰

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (德州學(xué)院) (東北林業(yè)大學(xué))

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因其動(dòng)力足、燃油效率高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中發(fā)展迅速，但其排放的NO為汽油機(jī)的2～20倍，微小顆粒物(PM)為汽油機(jī)的10～100倍[1-2]，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。低溫等離子體(NTP)凈化柴油車尾氣技術(shù)被視為一種非常有前景的后處理技術(shù)，低溫等離子體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用溫度范圍廣、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生低溫等離子體的形式很多，包括輝光放電、介質(zhì)阻擋放電、微波放電和電暈放電等[5]。電暈放電是一種自持放電，可分為高壓直流電暈放電與脈沖電暈放電，其中脈沖電暈放電具有更多優(yōu)勢(shì)，在常溫常壓下即可產(chǎn)生大量的低溫等離子體，電子能量可達(dá)到5～20 eV[6]。Beckers et al.[7]利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生NO，用電暈等離子體放電方法脫除低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NO，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2×10-6～10×10-6時(shí)，脫除效率為60%～80%，去除10×10-6NO的比能量輸入值(SEI)是7 J/L。Vinh et al.[8]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低溫等離子體條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)中排放出來的PM能夠很大程度上提高NO的脫除效果。Xie et al.[9]使用同軸低溫等離子體反應(yīng)器模擬在霧中氧化去除NO，研究顯示NO的去除率可達(dá)到93%。Wang et al.[10]利用電暈放電與堿液吸收相結(jié)合的方法，證明了電暈放電預(yù)氧化的NO對(duì)于堿液吸收NO產(chǎn)生影響，并且此方式的NO去除效果隨著電壓的升高而增加。

電暈放電等離子體可產(chǎn)生濃度較大的活性粒子，如高能電子、H、O、N和OH等，這些活性粒子對(duì)NO和PM均有良好的凈化效果[11-12]。木纖維是天然多孔生物質(zhì)材料，其自身的微觀結(jié)構(gòu)可有效過濾PM[13]。在等離子體作用下木纖維不但可過濾PM，還可以為NO和PM提供有效的反應(yīng)空間，以促進(jìn)其同時(shí)去除。本文將低溫等離子體與多孔結(jié)構(gòu)的木纖維濾芯相結(jié)合，設(shè)計(jì)低溫等離子體協(xié)同木纖維凈化柴油機(jī)尾氣凈化器(即等離子木纖維凈化器，本文簡(jiǎn)稱凈化器)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)電壓及溫度對(duì)凈化器工作性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究；旨在為提高柴油機(jī)尾氣凈化技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 凈化器設(shè)計(jì)

將松木加工成尺寸為60 mm×60 mm×200 mm的木方，然后用削片機(jī)對(duì)木方進(jìn)行順紋切削，制成微米級(jí)厚度的刨花；再用揉絲機(jī)將其揉制成長(zhǎng)度為30～50 mm、寬度為1～2 mm、平均厚度約為50 μm的微米木纖維(見圖1)。

圖1 微米級(jí)厚度刨花及微米木纖維

將絕緣絲網(wǎng)加工成直徑為130 mm和10 mm、長(zhǎng)為100 mm的兩個(gè)圓筒，把圓筒同軸放置，兩端用電木制成的圓環(huán)封住，制成濾芯殼體(見圖2)。將微米木纖維均勻塞入濾芯殼體中，制成微米木纖維濾芯。借鑒文獻(xiàn)[14]，本文濾芯填充率為0.3。

圖2 微米木纖維濾芯殼體

圖3為可拆裝式等離子木纖維柴油機(jī)尾氣凈化器結(jié)構(gòu)示意圖，該凈化器由法蘭盤、排氣口、電極線、前凈化室、后凈化室、木纖維濾芯、進(jìn)氣口、濾芯支撐架、絕緣支撐架、絕緣錐形塞組成。1(法蘭盤)與7(進(jìn)氣口)密封焊接，使尾氣凈化器易于安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)上，在使用時(shí)安裝在排氣管后方；3(電極線)為L(zhǎng)型銅棒，一端插入10(絕緣錐形塞)中，另一端通過絕緣支撐架固定在凈化室的軸線位置；凈化室分為前后2個(gè)凈化室，且采用管螺紋連接，使凈化室便于拆裝，在更換濾芯和清洗時(shí)可以保證凈化器的密封性；5(木纖維濾芯)通過8(濾芯支撐架)使其與凈化室保持同軸。等離子木纖維凈化器凈化室尺寸：直徑140 mm、長(zhǎng)度150 mm。

(a)凈化器結(jié)構(gòu)示意圖 (b)凈化室

1為法蘭盤；2為排氣口；3為電極線；4-1為后凈化室；4為凈化室；4-2為前凈化室；5為木纖維濾芯；6為導(dǎo)流冒；7為進(jìn)氣口；8為濾芯支撐架；9為導(dǎo)線支撐架；10為絕緣錐形塞。

圖3等離子木纖維柴油機(jī)尾氣凈化器

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要測(cè)試等離子木纖維凈化器對(duì)柴油機(jī)尾氣中NO和PM的凈化效率和過濾阻力。圖4為等離子木纖維凈化器工作性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。

1為柴油機(jī)；2為消音器；3為管翅式冷卻器；4為計(jì)算機(jī)；5為等離子木纖維凈化器；6為高壓脈沖電源。

圖4等離子木纖維凈化器工作性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)中使用的是高壓脈沖電源(0～30 kV可調(diào)，頻率為50 Hz)和寧波斯巴克發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的D170F單缸柴油機(jī)。D170F柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)：缸徑為70 mm、排量為0.21 L、油箱容積為2.5 L、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、行程為55 mm、壓縮比為20∶1、最大功率為2.63 kW、發(fā)動(dòng)機(jī)凈質(zhì)量為25 kg。

試驗(yàn)中尾氣溫度由自行研制的管翅式冷卻器控制(見圖5)[15]。該冷卻器可通過控制尾氣溫度保證濾芯不被高溫灼燒。等離子木纖維凈化器工作性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)硬件，主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、NO傳感器、NO2傳感器、ADAM4017+檢測(cè)模塊、RS232/RS485轉(zhuǎn)換器等；測(cè)試軟件為三維力控組態(tài)軟件。PM的凈化效率由NHT-6不透光煙度計(jì)測(cè)定。

圖5 管翅式冷卻器

試驗(yàn)在室溫20 ℃、空氣相對(duì)濕度為(50±15)%、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3 kPa的環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)所用濾芯填充率均為0.3[14]。柴油機(jī)穩(wěn)定工作20 min后進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過程柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min、負(fù)荷為50%。

2 結(jié)果與分析

2.1 輸入電壓對(duì)凈化器凈化NO和PM及過濾阻力的影響

電暈放電反應(yīng)器的輸入功率是影響反應(yīng)器內(nèi)活性粒子濃度的主要因素，而輸入電壓幅值與輸入功率呈正比關(guān)系，因此輸入電壓幅值是影響等離子木纖維凈化器凈化效率的主要因素[16-17]。在本試驗(yàn)中，溫度設(shè)定為180 ℃，電壓分別為12、15、18、21 kV。取4個(gè)填充率為0.3的木纖維濾芯，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)濾芯對(duì)應(yīng)一種電壓進(jìn)行試驗(yàn)，其工作時(shí)長(zhǎng)為10 h，每1 h記錄1次數(shù)據(jù)。圖6～圖8為不同電壓峰值時(shí)，NO、PM和過濾阻力隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線。

圖6 不同電壓時(shí)NO凈化效率隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線

圖7 不同電壓時(shí)PM凈化效率隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線

由圖6～圖8可見：濾芯工作7 h之前，凈化器對(duì)NO和PM的凈化效率以及過濾阻力均隨時(shí)間增加而增加。過濾阻力增加的原因，是木纖維濾芯中吸附了越來越多的PM；NO和PM凈化效率的提高，是由于柴油機(jī)排放的顆粒物中的碳煙、可溶性有機(jī)物、無機(jī)鹽成分中的C原子，在經(jīng)過等離子體的處理后，形成含有大量反應(yīng)位點(diǎn)的SP3軌道碳鏈的炭基團(tuán)，它們可以被活性粒子氧化為COx，隨著時(shí)間的增加，濾芯中的PM會(huì)越來越多，而參加反應(yīng)的NO和PM也會(huì)隨之增多，故NO和PM的凈化效率會(huì)增加。當(dāng)使用時(shí)間超過7 h時(shí)，凈化器對(duì)NO和PM的凈化效率基本保持不變，過濾阻力卻不斷上升，這是因?yàn)殡S著木纖維濾芯對(duì)PM的不斷過濾和吸附，凈化器的過濾阻力繼續(xù)增大，而凈化器中參與反應(yīng)的PM和活性粒子的量已基本達(dá)到一個(gè)平衡，因此凈化效率不再繼續(xù)增加。

圖8 不同電壓時(shí)過濾阻力隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線

由圖6～圖8可見：對(duì)于4個(gè)濾芯，當(dāng)工作時(shí)間相同時(shí)，凈化效率隨電壓的增加而增加；而過濾阻力反之，當(dāng)電壓峰值為21 kV時(shí)，過濾阻力急劇下降。由此可以得出，輸入電壓的大小從宏觀上可以影響電暈放電的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而影響凈化器對(duì)NOx和PM的凈化效率；但是當(dāng)輸入電壓過高時(shí)，放電過程會(huì)形成輝光放電，對(duì)木纖維濾芯的使用造成一定的影響。試驗(yàn)結(jié)束后，拆開等離子木纖維凈化器觀察木纖維濾芯，發(fā)現(xiàn)在電壓為21 kV的試驗(yàn)中木纖維濾芯已破損(見圖9)，這是當(dāng)電壓為21 kV時(shí)濾芯的過濾阻力急劇下降的原因。

圖9 已損壞的木纖維濾芯

考慮到21 kV時(shí)濾芯會(huì)損壞，因此輸入電壓為18 kV較為理想，當(dāng)濾芯工作10 h時(shí)，NO和PM凈化效率約為56%和93%，過濾阻力約為2 700 Pa。

2.2 尾氣溫度對(duì)等離子木纖維凈化器凈化NO和PM的影響

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，取4個(gè)填充率為0.3的濾芯進(jìn)行試驗(yàn)。尾氣溫度分別為120、150、180、210 ℃，電壓為18 kV。每個(gè)濾芯的工作時(shí)長(zhǎng)為10 h，每1 h測(cè)定1次數(shù)據(jù)。圖10～圖12分別為4個(gè)濾芯在不同尾氣溫度時(shí)，NO、PM及過濾阻力隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線。

圖10 不同尾氣溫度時(shí)NO隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線

圖11 不同尾氣溫度時(shí)PM隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線

圖12 不同尾氣溫度時(shí)過濾阻力隨濾芯工作時(shí)間的變化曲線

由圖10～圖12可見：濾芯過濾阻力隨濾芯工作時(shí)間的增加而逐漸升高；當(dāng)濾芯使用時(shí)間在7 h以內(nèi)時(shí)，濾芯凈化效率隨濾芯工作時(shí)間的增加而升高；當(dāng)使用時(shí)間超過7 h后，濾芯對(duì)NO和PM的凈化效率基本保持不變。上述現(xiàn)象的原因與圖6～圖8一致。

由圖10～圖12可見：當(dāng)濾芯工作時(shí)間相同時(shí)，隨溫度的不斷升高，NO和PM的凈化效率均隨之增強(qiáng)，而過濾阻力則隨著溫度的升高而降低。這是由于尾氣溫度的升高，使凈化器內(nèi)活性粒子的紊亂程度增加，促進(jìn)了凈化器內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，從而使NO和PM凈化效率增加；由于PM凈化效率加強(qiáng)了，附著在濾芯上的PM量減少了，所以溫度越高，過濾阻力越低。

考慮到木纖維的耐熱溫度最好控制在210 ℃以下[14]，因此，在電壓為18 kV、溫度為210 ℃時(shí)，本文研究的濾芯工作狀態(tài)較為理想。當(dāng)濾芯工作10 h時(shí)，NO和PM凈化效率約為57%和97%，過濾阻力約為2 500 Pa，PM和過濾阻力達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[18]。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了等離子木纖維凈化器及凈化器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)電壓及溫度對(duì)凈化器工作性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)使用的等離子木纖維凈化器濾芯內(nèi)、外徑為130 mm和10 mm，長(zhǎng)為100 mm，凈化室直徑為140 mm、高為150 mm，木纖維濾芯填充率為0.3，試驗(yàn)結(jié)果表明：

隨著輸入電壓的升高，等離子木纖維凈化器凈化性能增強(qiáng)，但過高的輸入電壓會(huì)造成濾芯結(jié)構(gòu)的破壞，選用輸入電壓為18 kV時(shí)凈化性能較好。

尾氣溫度的升高可增強(qiáng)凈化器對(duì)NO和PM的凈化效率，當(dāng)尾氣溫度為210 ℃、電壓為18 kV、工作時(shí)間為10 h時(shí)，NO和PM的凈化效率可分別達(dá)到57%和97%，過濾阻力為2500 kPa，PM和過濾阻力達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。