船舶柴油機(jī)顆粒物捕集及再生試驗(yàn)

涂世恩，沈 騰，郭明山，冀青鵬，李 悅，李曉波

（上海船用柴油機(jī)研究所，上海 200082）

0 引 言

近年來，船舶顆粒物（Particulate Matter，PM）污染引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，相關(guān)國際組織和各國相繼制定了不同的船舶PM排放法規(guī)，我國生態(tài)環(huán)境部于2016 年8 月22 日發(fā)布了《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》（GB 15097—2016），對船機(jī)PM排放進(jìn)行限制［1-2］。

顆粒物捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最有效、應(yīng)用最廣泛的柴油機(jī)PM排放控制器。DPF主要通過碰撞吸附、慣性攔截、擴(kuò)散攔截和重力沉降等過程實(shí)現(xiàn)對PM的捕集［3］。隨著DPF中集聚的PM不斷增多，會(huì)逐漸增加柴油機(jī)的排氣背壓，需及時(shí)清除DPF載體內(nèi)的PM，該過程稱為DPF再生。DPF再生可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生2 種，其中：主動(dòng)再生是利用外界給予的能量，在高溫條件下使DPF內(nèi)的PM燃燒，達(dá)到再生的目的；被動(dòng)再生是在DPF載體表面涂覆催化劑，以降低碳PM的氧化溫度，實(shí)現(xiàn)再生。DPF的捕集效率和再生性能對柴油機(jī)的正常運(yùn)行有關(guān)鍵性影響，本文在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對DPF 的PM 捕集效率和不同形式的再生方案進(jìn)行測試，為DPF的實(shí)船應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)架見圖1。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某船用6160 型直列增壓中冷柴油機(jī)，其排氣管道上布置有煙氣換熱器、反應(yīng)器、溫度傳感器、壓損傳感器和煙氣取樣口。煙氣換熱器能實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)煙氣溫度的調(diào)節(jié)，在進(jìn)行DPF 性能試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)低煙氣溫度，以進(jìn)行DPF 碳載，隨后逐漸升高排煙溫度，以進(jìn)行再生性能試驗(yàn)。反應(yīng)器內(nèi)部布置有主動(dòng)再生燃燒器的燒嘴和DPF 載體，反應(yīng)器本體上安裝有導(dǎo)門，可對不同型號的DPF 載體進(jìn)行更換。壓損傳感器取樣口布置在反應(yīng)器兩端，在試驗(yàn)過程中根據(jù)反應(yīng)器的壓損判斷DPF載體表面碳載量的變化。試驗(yàn)設(shè)備的規(guī)格參數(shù)見表1；100%工況下柴油機(jī)的排煙參數(shù)見表2，其中THC為總碳?xì)洌═otal Hydrocarbon）。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架

表1 試驗(yàn)設(shè)備的規(guī)格參數(shù)

表2 100%工況下柴油機(jī)的煙氣參數(shù)

1.2 DPF載體及再生方式

DPF載體及催化劑的規(guī)格參數(shù)見表3，其中：前3 種方案為被動(dòng)再生；第四種方案為燃燒器主動(dòng)再生。

表3 DPF載體及催化劑的規(guī)格參數(shù)

1）第一種方案為DOC（Diesel Oxidation Catalyst）+DPF 方案，DOC 和DPF 的材質(zhì)分別為堇青石和碳化硅，其中DOC表面覆有貴金屬涂層Pt，DOC布置在DPF的煙氣上游。Pt涂層可降低排氣中NO氧化反應(yīng)的活化能，NO在Pt的作用下被氧化為NO2。新生的NO2具有很強(qiáng)的氧化活性，可使DPF載體中捕集的PM在一定的溫度下發(fā)生氧化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)PM再生，具體過程［3，5］為

該方案要求柴油機(jī)使用無硫的柴油，否則催化劑會(huì)因中毒而失去活性。此外，該方案對排氣中的NOx含量也有要求。

2）第二種方案為第一種方案的優(yōu)化，將貴金屬涂層直接涂覆在DPF載體上；同時(shí)，為提升催化劑的抗硫性能，在催化劑表面涂覆抗硫涂層。

3）第三種方案為非貴金屬方案，非貴金屬涂層為活性涂層，可選自釩（V）、鎢（W）、鈦（Ti）、銅（Cu）和鐵（Fe）等元素中的1 種或多種。該方案的催化劑涂層對燃油的硫含量沒有要求，且不受發(fā)動(dòng)機(jī)排煙中NOx含量的影響。

4）第四種方案的DPF載體無催化劑涂層，用于開展燃燒器主動(dòng)再生裝置性能試驗(yàn)，燃燒器設(shè)計(jì)的煙氣目標(biāo)加熱溫度為550 ～650 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 PM捕集效率及其對柴油機(jī)性能的影響

對DPF反應(yīng)器前后的PM 排放進(jìn)行取樣測量分析，同時(shí)測量DPF反應(yīng)器的壓損，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2 中可看出，柴油機(jī)的原始PM排放在各工況下均較高，在0.7 g/（kW·h）以上，遠(yuǎn)高于法規(guī)限值，且低工況下的PM排放值大于高工況（10%工況，25%工況，50%工況，75%工況，100%工況）下的PM 排放值，這是由于柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃油燃燒情況較好，減少了初始碳煙粒子的形成。柴油機(jī)加裝DPF之后，PM排放值大幅度減小，不同工況下的減排效率分別為90. 37%、92. 42%、90. 79%、90. 32%和91.29%，DPF后的PM加權(quán)比排放值為0.093 g/（kW·h），滿足國內(nèi)法規(guī)的要求［1］。同時(shí)，從圖2 中可看出，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加，空速增大，反應(yīng)器的壓損也增大，100%負(fù)荷工況下的壓損最高，為1 828 Pa，對應(yīng)的空速值為12 450 h-1。此外，柴油機(jī)在加裝DPF之后因排氣阻力增大，導(dǎo)致不同工況下的油耗率變大，測得5 種工況下油耗率的增加比例分別為0.90%、0.70%、0.70%、0.60%和0.89%，油耗率增加是柴油機(jī)排氣背壓增加造成燃燒室殘余廢氣增加，缸內(nèi)燃燒惡化，燃油燃燒效率下降導(dǎo)致的［4］。

圖2 DPF捕集效率及壓損試驗(yàn)結(jié)果

2.2 純被動(dòng)再生性能測試［6，8］

方案一、方案二和方案三的催化劑再生平衡溫度測試結(jié)果分別見圖3、圖4 和圖5。

圖3 方案一的催化劑再生平衡溫度測試結(jié)果

圖4 方案二的催化劑再生平衡溫度測試結(jié)果

由圖3 可知：當(dāng)溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，反應(yīng)器壓損繼續(xù)增大，PM再生不明顯；當(dāng)溫度到達(dá)300 ℃時(shí)，反應(yīng)器壓損趨于穩(wěn)定，此時(shí)DPF載體內(nèi)的碳顆粒集聚速率與氧化再生速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)溫度繼續(xù)增加時(shí)，反應(yīng)器的壓損開始下降，且壓損下降的速率隨著溫度的升高而增大。由圖4 可知：當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，方案二的反應(yīng)器壓損穩(wěn)定之后開始下降；溫度繼續(xù)升高，反應(yīng)器壓損下降速率增大，方案二的再生平衡溫度與方案一相同，均為300 ℃。由圖5 可知：當(dāng)溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，方案三的反應(yīng)器壓損穩(wěn)定，此時(shí)已達(dá)到催化劑的再生平衡溫度；當(dāng)繼續(xù)增加溫度到320 ℃時(shí)，反應(yīng)器壓損下降，再生速率增大。綜上，方案一和方案二的再生平衡溫度為300 ℃，方案三的再生平衡溫度為280 ℃，當(dāng)采用非貴金屬催化劑涂層時(shí)，DPF的再生平衡溫度比采用貴金屬催化劑涂層低，非貴金屬催化劑涂層的活性更優(yōu)。

圖5 方案三的催化劑再生平衡溫度測試結(jié)果

為測試方案二中的催化劑和方案三中的催化劑對燃油硫分的耐久性能，在燃油的含硫量為0.5%的條件下對這2 種方案進(jìn)行約200 h的耐硫性測試，試驗(yàn)時(shí)將煙氣溫度依次調(diào)至低溫和高溫，進(jìn)行碳載和再生循環(huán)測試，每個(gè)循環(huán)中再生工況結(jié)束的依據(jù)為反應(yīng)器的壓損降至最小值［7］。由試驗(yàn)結(jié)果可知：在方案二和方案三中，每個(gè)循環(huán)反應(yīng)器的壓損在煙氣溫度較高時(shí)都出現(xiàn)下降現(xiàn)象；在試驗(yàn)后期，當(dāng)反應(yīng)器壓損下降值相同時(shí)，方案二中的煙氣需保持高溫的時(shí)間增加。這表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，方案二中催化劑的抗硫性能無明顯變化，方案三中催化劑的抗硫性能衰減。

2.3 主動(dòng)再生性能測試

圖6 為燃燒器主動(dòng)再生性能測試結(jié)果。由圖6 可知：前320 min柴油機(jī)煙氣溫度較低，反應(yīng)器的壓損一直增大，隨后煙氣溫度升高至400 ℃左右，反應(yīng)器壓損保持增加；在約第375 min 時(shí)，開啟燃燒器，煙氣溫度迅速增加至約650 ℃，反應(yīng)器的壓損快速升高之后急劇下降，最后趨于穩(wěn)定。壓損升高是由于溫度突然升高，煙氣的工況體積增大導(dǎo)致流速增加，造成煙氣動(dòng)能損失增大；壓損迅速下降是由于載體內(nèi)的PM 在高溫下氧化燃燒，DPF 載體中的孔隙得以貫通，煙氣的流動(dòng)阻力減小。當(dāng)關(guān)閉燃燒器并將柴油機(jī)的煙氣溫度冷卻至與試驗(yàn)開始時(shí)相同時(shí)，反應(yīng)器的壓損也降至碳載前的初始值，表明DPF載體表面的積碳得到了有效再生，再生程度徹底。

圖6 燃燒器主動(dòng)再生性能測試結(jié)果

表4 為不同方案的再生速率對比，其中催化劑方案的再生速率均為340 ℃時(shí)的速率。燃燒器的再生速率最高，與催化劑相比高出2 個(gè)數(shù)量級，高溫條件為碳的氧化反應(yīng)提供的活化能較高，反應(yīng)速率較快。在催化劑涂覆方案中，DOC+DPF的再生速率高于CDPF，這是由于表面涂覆有貴金屬的DOC布置于DPF載體上游，通過DOC氧化生產(chǎn)的NO2可與DPF載體中的積碳充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，而CDPF的貴金屬直接涂覆于DPF載體表面，氧化生產(chǎn)的NO2與積碳接觸的時(shí)間相對較短，造成碳的氧化反應(yīng)速率較慢。此外，CDPF載體表面的抗硫涂層也可能對碳的氧化反應(yīng)速率造成影響。采用貴金屬與非貴金屬催化劑涂覆方案的再生速率相差較小，XDPF催化劑涂層的再生速率略高于CDPF催化劑涂層的再生速率。

表4 不同方案的再生速率對比

3 結(jié) 語

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，DPF能有效應(yīng)對柴油機(jī)的PM排放，去除效率達(dá)90%以上，柴油機(jī)在加裝DPF之后的PM排放值滿足法規(guī)GB 15097—2016 的限值要求；同時(shí)，柴油機(jī)加裝DPF之后背壓升高，油耗略有增加，增加量在1%以下。DPF載體涂覆貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑之后均能在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)PM再生，其中非貴金屬催化劑的活性溫度范圍低于貴金屬催化劑，且其再生速率略低于貴金屬催化劑。然而，貴金屬涂層結(jié)合抗硫涂層對含硫燃油的耐久性能優(yōu)于非貴金屬催化劑。燃燒器主動(dòng)裝置對DPF載體中的積碳的再生速率較高，相比DPF載體表面涂覆催化劑的純被動(dòng)再生方式高出2 個(gè)數(shù)量級。

由以上分析可知，船舶柴油機(jī)采用DPF能有效去除煙氣中的PM，而DPF的PM再生可根據(jù)柴油機(jī)排氣特性的差異采用不同的方式實(shí)現(xiàn)。對于船用低速柴油機(jī)，由于排氣溫度通常在300 ℃以下，且燃料中含有硫，建議：采用DPF載體結(jié)合燃燒器或電加熱器等其他能提高煙氣溫度的主動(dòng)再生裝置，將柴油機(jī)的煙氣溫度提升至550 ℃以上，使積碳燃燒氧化，實(shí)現(xiàn)PM再生；采用DPF載體表面涂覆貴金屬催化劑和抗硫涂層，同時(shí)裝配加熱裝置，提高煙氣溫度至300 ℃以上，實(shí)現(xiàn)PM再生。對于船用中高速柴油機(jī)，由于其排氣溫度較高，可直接采用涂覆催化劑的純被動(dòng)再生方式，且有：當(dāng)柴油機(jī)的燃料中不含硫時(shí)，可采用DOC+DPF的方式實(shí)現(xiàn)純被動(dòng)再生，同時(shí)保持較高的再生速率；當(dāng)柴油機(jī)的燃料中含硫量低于0.5%時(shí)，可采用DPF載體表面涂覆貴金屬催化劑和抗硫涂層的方式實(shí)現(xiàn)純被動(dòng)再生。