關(guān)于柴油車后處理凈化技術(shù)的研究

劉飛鋒 陳康

摘要： 伴隨著汽車交通行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，為了全面減少汽車尾氣排放造成的環(huán)境隱患，要結(jié)合技術(shù)要求、環(huán)境保護(hù)要點(diǎn)積極推進(jìn)柴油車后處理凈化技術(shù)，依據(jù)污染物生成機(jī)理和影響要素打造多元科學(xué)的凈化處理體系。本文簡要介紹了柴油車后處理凈化技術(shù)，并從氧化催化轉(zhuǎn)化器、NOX機(jī)外凈化技術(shù)、顆粒物機(jī)外凈化技術(shù)、四效催化轉(zhuǎn)化器等方面著重探討了技術(shù)的具體內(nèi)容。

Abstract： With the development and progress of the automobile transportation industry， in order to comprehensively reduce the environmental hazards caused by automobile exhaust emissions， we should actively promote the post-treatment and purification technology of diesel vehicles in combination with the technical requirements and environmental protection points， and build a multi scientific purification system according to the pollutant generation mechanism and influencing factors. This paper briefly introduces the post-treatment and purification technology of diesel vehicle， and emphatically discusses the specific contents of the technology from oxidation catalytic converter， external purification technology， particulate matter external purification technology， four-way catalytic converter and other aspects.

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī);后處理凈化技術(shù);NOX機(jī)外凈化

Key words： diesel engine;post treatment and purification technology;NOX external purification

中圖分類號：[U473.9]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0056-02

0? 引言

為了提升柴油機(jī)應(yīng)用質(zhì)量和效率，要整合具體方案和技術(shù)要點(diǎn)，建構(gòu)完整的技術(shù)處理模式，提高凈化處理的綜合效果，從而實(shí)現(xiàn)多元、科學(xué)的研究模式，為城市交通健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1? 柴油車排氣凈化的難點(diǎn)

由于柴油機(jī)和汽油機(jī)在工作期間所使用的燃料存在較大差異，對此在對柴油機(jī)排放物進(jìn)行凈化處理時(shí)，其重點(diǎn)對象、采取凈化技術(shù)也和汽油機(jī)存在較大差異。結(jié)合以往得到的數(shù)據(jù)可以了解到，柴油機(jī)對外排放的顆粒物、NOX的排放也會(huì)給人類健康帶來非常大的危害性，因此在對柴油車進(jìn)行凈化處理時(shí)，其焦點(diǎn)內(nèi)容便是降低NOX和微粒物的排放量。但是從實(shí)際控制情況來看，進(jìn)行柴油車排氣凈化處理時(shí)的難點(diǎn)內(nèi)容如下：第一，通常情況下，NOX有害物的排放需要借助還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，但是柴油機(jī)在正常工作狀態(tài)下，會(huì)使用大量空氣系數(shù)超過1的混合氣體，排放的廢氣中含氧量較高，很難使用理論空燃比混合氣下工作的三元催化劑來對其進(jìn)行還原處理，整個(gè)處理過程的難度較高。第二，減少柴油機(jī)微粒排放量的過程也比較復(fù)雜，排放到空氣中的微粒成分和形態(tài)比較復(fù)雜，其既有氣相微粒，又有固態(tài)碳微粒，這樣在對其進(jìn)行處理時(shí)，其整個(gè)過程的復(fù)雜度也更高。目前雖然會(huì)使用到機(jī)械內(nèi)部和外部同時(shí)處理的綜合措施，但是柴油機(jī)排氣凈化過程無法利用三元催化器來實(shí)現(xiàn)，而使用“微粒過濾器+氧化催化反應(yīng)”也存在許多弊端，也是后續(xù)研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

2? 柴油車后處理凈化技術(shù)具體內(nèi)容

2.1 氧化催化轉(zhuǎn)化器

柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器簡稱為DOC，在實(shí)際應(yīng)用中，要借助催化氧化的處理方式減少柴油機(jī)排放氣體中一氧化碳和HC的具體排放量。并且，技術(shù)應(yīng)用中還要借助氧化顆粒中可溶性有機(jī)類物質(zhì)降低顆粒物的具體排放量。例如，Pt、Pd等貴金屬若是催化劑，則要將蜂窩陶瓷作為催化劑的載體。氧化催化轉(zhuǎn)化器在實(shí)際操作工序中，對于一氧化碳的轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到90%，減少柴油機(jī)排放氣體的臭味，并且能去除90%以上的SOF組分，滿足PM脫除效率的應(yīng)用要求。

2.2 NOX機(jī)外凈化技術(shù)

因?yàn)椴裼蜋C(jī)富氧燃燒會(huì)造成廢氣中含氧量的增多，因此，在借助氧化還原反應(yīng)進(jìn)行處理的過程中，也要關(guān)注催化產(chǎn)物的影響。比如，在汽油機(jī)上應(yīng)用三效催化轉(zhuǎn)化器能將凈化條件中過量空氣系數(shù)維持在1，若是空氣含量超出限定要求，則NOX會(huì)代替一氧化碳和HC與氧氣反應(yīng)，基于此，三效催化轉(zhuǎn)化器盡管能降低NOX含量，但是在柴油機(jī)上應(yīng)用卻存在一定的局限性[3]。

2.2.1 NOX吸附催化還原法

主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)周期性稀燃和富燃工作作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，建立匹配的NOX凈化處理模式，采取的吸附器也是臨時(shí)性NOX存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，一般會(huì)選擇具有吸附NOX能力的貴金屬、堿金屬等。需要注意的是，溫度、燃油中硫元素、水等情況都會(huì)對NOX吸附催化還原產(chǎn)生影響。首先，溫度若是較高，則熱力老化現(xiàn)象嚴(yán)重;若是溫度較低，則一氧化氮很難轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，并且，捕集的NOX也會(huì)出現(xiàn)熱解釋放的問題。其次，燃油中硫元素會(huì)間接生成硫酸鋇，或者是增加了氨氣的排放量。最后，水分子會(huì)對Al2O3的活性產(chǎn)生影響。

2.2.2 NOX選擇性催化還原法

NOX選擇性催化還原法最初被廣泛應(yīng)用在固定式污染源處理工作中，能有效降低NOX的具體含量，避免排放量超標(biāo)造成環(huán)境破壞問題。較為常見的技術(shù)類型包括SNCR、NSCR、SCR技術(shù)，應(yīng)用最廣的就是SCR處理技術(shù)。將氨氣或者是碳?xì)浠衔镒鳛檫€原劑，在催化劑的作用下，就能利用化學(xué)反應(yīng)將NOX轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)夂退?。另外，SCR轉(zhuǎn)化器的催化作用本身就具備一定的選擇性目的，NOX還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了加速，則還原劑的氧化反應(yīng)就會(huì)受限，所以，要想發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，就要避免氨氣在氧化作用下形成一氧化氮[4]。

2.3 顆粒物機(jī)外凈化技術(shù)

較為常見的顆粒物脫除工序包括機(jī)內(nèi)控制技術(shù)體系、后處理技術(shù)體系，能有效減少細(xì)顆粒物的含量，避免機(jī)內(nèi)技術(shù)處理工序中的不當(dāng)問題。在顆粒物機(jī)外凈化技術(shù)應(yīng)用過程中，微粒補(bǔ)集器是非常關(guān)鍵的技術(shù)單元，配合等離子體凈化處理、靜電分類處理就能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)顆粒物的脫除控制目標(biāo)。利用排氣尾部添加微粒捕捉器的方式能有效提升后處理效果，借助攔截操作、碰撞操作、擴(kuò)散操作等有效維持捕集效果[5]。目前，柴油機(jī)微粒捕集器主要是采取過濾處理的方式，將排氣中微粒捕捉后，匹配整體式陶瓷結(jié)構(gòu)、金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、紡織纖維圈結(jié)構(gòu)等有效提升微粒處理效果，能將有害物微粒減少70%到90%。

2.3.1 基本材料

在柴油機(jī)排氣后處理裝置應(yīng)用的過程中，主要的材料還涉及壁流式蜂窩陶瓷過濾體、泡沫陶瓷過濾體等。例如，壁流式蜂窩陶瓷過濾體在過濾器的入口位置要設(shè)置對應(yīng)的燃燒器，借助噴油器向燃燒器中噴入燃油，供入二次空氣的同時(shí)，借助火花塞維持點(diǎn)燃狀態(tài)，并且將滯留在濾芯上的微粒予以處理。

2.3.2 過濾機(jī)理

第一，擴(kuò)散。指的是在排氣氣流處理的過程中，微粒受到氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的作用，就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，配合流場中捕集處理方式，能實(shí)現(xiàn)匯集處理工序，實(shí)現(xiàn)排氣中微粒分布的濃度梯度，從而維持?jǐn)U散輸運(yùn)的股反省，保證運(yùn)動(dòng)捕集的最優(yōu)化。另外，微粒的尺寸和排氣的溫度呈反比例關(guān)系，也就是說，微粒的尺寸越小，對應(yīng)的排氣溫度越高，則運(yùn)動(dòng)越來越劇烈，對應(yīng)的擴(kuò)散沉積現(xiàn)象也就越明顯。

第二，攔截。在微粒接近過濾表面時(shí)，微粒若是和過濾表面的距離≤微粒半徑，則微粒就能實(shí)現(xiàn)捕集。

第三，重力沉降，在柴油機(jī)緩慢運(yùn)行的廢氣流經(jīng)捕集設(shè)備的過程中，因?yàn)樗俣容^慢，所以廢氣留存的時(shí)間較短，直徑較大的粒子會(huì)在重力作用下出現(xiàn)脫離流線的情況，直接沉淀在捕集單元位置，此時(shí)，重力沉降就發(fā)揮了分離作用，有效利用沉降實(shí)現(xiàn)捕集。

2.3.3 捕集器再生技術(shù)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，捕集處理方式能在提升過濾效率的同時(shí)，減少排氣阻力。而對于再生技術(shù)體系，分為主動(dòng)再生系統(tǒng)和被動(dòng)再生系統(tǒng)，并且利用電加熱再生、燃燒器加熱再生、反吹式再生以及連續(xù)催化再生等方式建立相應(yīng)的再生處理模式。

2.4 四效催化轉(zhuǎn)化器

四效催化轉(zhuǎn)化技術(shù)是基于后處理裝置，對一氧化碳、碳?xì)浠衔?、NOX以及PM進(jìn)行同時(shí)脫除處理，目前相關(guān)研究主要集中在催化轉(zhuǎn)化器的優(yōu)化組合以及催化劑融合開發(fā)方面。例如，美國Ceryx公司研發(fā)的QuadCAT四元催化轉(zhuǎn)化器、英國Johnson Matthey公司研發(fā)的SCRT四元催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)等。配合商業(yè)化應(yīng)用要求，積極完善高活性多組分四效處理模式，有效構(gòu)建多元應(yīng)用平臺(tái)，維持催化效果。

2.5 等離子技術(shù)

在處理柴油機(jī)廢氣時(shí)，等離子技術(shù)也是經(jīng)常使用到的處理方法，也是目前用來降低NOX排放量的常用技術(shù)。在具體實(shí)踐中，等離子技術(shù)會(huì)和催化劑技術(shù)關(guān)聯(lián)在一起進(jìn)行使用，即利用等離子技術(shù)來提高催化還原反應(yīng)的工作效率。在對其等離子提升NOX轉(zhuǎn)化效率的實(shí)驗(yàn)中，共使用到有催化劑的等離子裝置和沒有催化劑的等離子裝置來建立對照實(shí)驗(yàn)，根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，沒有添加催化劑的等離子裝置并不能降低NOX的排放量，需要催化劑來作為輔助條件，從而提升了NOX的轉(zhuǎn)化效率，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)要求。但是等離子技術(shù)應(yīng)用過程還存在著許多復(fù)雜性問題，也是日后應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)考量的內(nèi)容。

2.6 聯(lián)合凈化技術(shù)

現(xiàn)代柴油車的排放控制，需要機(jī)內(nèi)技術(shù)與后處理技術(shù)結(jié)合使用。在聯(lián)合凈化技術(shù)的應(yīng)用中，可分為以下兩種處理方案：①DOC+DPF+LNT+SCR的技術(shù)方案，這種技術(shù)方案的系統(tǒng)集成主要應(yīng)用與輕型柴油車領(lǐng)域，其中LNT與 SCR技術(shù)的組合是研究的熱點(diǎn)。其中DOC和DPF緊湊的布置在最前端，這樣可以充分的利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的高溫來促進(jìn)DPF的被動(dòng)再生。LNT則用來降低排放中的NOX，在發(fā)動(dòng)機(jī)開始燃燒時(shí)，對于吸附的NOX進(jìn)行還原，期間也會(huì)生成了少量的NH3，通過管道存儲(chǔ)到SCR催化劑中進(jìn)行處理，從而還原成無害的氮?dú)?。如果發(fā)動(dòng)機(jī)處于稀燃的狀態(tài)，那么此時(shí)產(chǎn)生的NH3也會(huì)將LNT泄露出來的NOX還原成N2。②DOC+DPF+尿素SCR的技術(shù)方案，此類處理方案主要適用于中重型柴油車，在具體應(yīng)用中，此方案能夠細(xì)分為DPF在上游和SCR在上游兩種類型，這樣在應(yīng)用中也可以減少壓力損失，同時(shí)也可以減少后處理系統(tǒng)的尺寸，并且SCR系統(tǒng)起燃性較好，可以滿足不同情況下的應(yīng)用需求。

3? 結(jié)束語

總而言之，柴油車后處理凈化技術(shù)的研究是基于技術(shù)體系升級層面，要在補(bǔ)充機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)不足的同時(shí)，打造更加全面合理的機(jī)外凈化處理方式，從而減少一氧化碳、碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)對大氣產(chǎn)生的影響，落實(shí)節(jié)能環(huán)保的管理方案，為城市交通事業(yè)健康綠色可持續(xù)發(fā)展提供保障。

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