船舶柴油機(jī)PM捕集器電加熱再生試驗(yàn)研究

鄭琴飛，郭軍武

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201509）

1 引言

柴油機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，被廣泛用作船舶主動(dòng)力裝置。目前柴油機(jī)微粒排放問(wèn)題日益突出［1］。船舶柴油機(jī)有害排放物對(duì)大氣造成的潛在危害已受到IMO（國(guó)際海事組織）、MEPC（國(guó)際環(huán)保委員會(huì)）及其它機(jī)構(gòu)和各國(guó)政府的高度重視，并已制定了一些嚴(yán)格的排放措施來(lái)限制船舶對(duì)大氣的污染。

柴油機(jī)微粒捕集器已被認(rèn)為是機(jī)外凈化技術(shù)中降低柴油機(jī)微粒排放的主流路線，DPF的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是再生技術(shù)，即在工作過(guò)程中必須適時(shí)地清除壁面沉積的微粒，以防止排氣不通暢引起的柴油機(jī)性能惡化，此項(xiàng)技術(shù)一直是研究中的一個(gè)難題，目前再生方法大體可分為3類：①加熱再生，噴油助燃再生、微波加熱再生、電加熱再生。②催化再生，包括連續(xù)再生和燃油添加劑輔助再生。③以逆向噴氣再生為代表的低溫反向清潔再生［2］。國(guó)內(nèi)外研究表明［3］，各種再生技術(shù)都有各自的缺點(diǎn)。例如，主要表現(xiàn)為可靠性差、裝置復(fù)雜和成本高、耗能問(wèn)題得不到解決等，所以一直沒(méi)有能夠廣泛應(yīng)用到實(shí)船中去。

本研究采用國(guó)際上公認(rèn)的綜合性能比較好的壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體作為研究對(duì)象，采用電加熱再生技術(shù)對(duì)壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體，在一定溫度下再生，測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)繪制出曲線圖，得出PM微粒轉(zhuǎn)化率以及轉(zhuǎn)化速度等。最后得出結(jié)論，并且結(jié)合目前主流的再生技術(shù)，給出解決方案。

2 電加熱器的工作原理

柴油機(jī)排放的顆粒物組成較為復(fù)雜，主要有燃油不完全燃燒產(chǎn)生的微小碳煙、潤(rùn)滑油組分不充分燃燒、燃油和氣缸潤(rùn)滑油中的灰分含量、燃油中未燃燒部分、燃燒產(chǎn)物以及潤(rùn)滑油中的硫酸鹽和水分。從PM的組成可知，PM顆粒的主要組分為碳和碳?xì)浠衔铩？衫锰己吞細(xì)浠衔锏难趸紵磻?yīng)進(jìn)行消除。去除反應(yīng)如下：

電加熱器傳熱快、發(fā)熱均勻、功率高、工作穩(wěn)定。能夠很好地應(yīng)用于DPF的再生。試驗(yàn)選用的電加熱器為采用圈型分布電阻絲的電加熱器。該加熱器的功率比普通加熱器的要高，并且具有堅(jiān)硬不易碎、高溫不變形等特點(diǎn)。可在一定反應(yīng)溫度內(nèi)程序升溫和精確定溫，精確度在1℃之內(nèi)。工作時(shí)由溫控單元調(diào)節(jié)加熱電阻絲的工作范圍，使電阻絲通電產(chǎn)生一定的熱量并且保持恒溫，通過(guò)中間介質(zhì)的熱傳遞作用使內(nèi)腔溫度升高，達(dá)到炭煙微粒的起燃溫度，使微粒燃燒轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)再生。電加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)布置方案，小型柴油機(jī)以一定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)變速風(fēng)機(jī)將尾氣吹進(jìn)電加熱裝置。穩(wěn)定流量后，壓力傳感器測(cè)量出電加熱裝置前后壓力，顯示屏上顯示前后壓差，溫度控制單元控制電加熱溫度，溫度可自由調(diào)節(jié)，排氣口接PM微粒檢測(cè)儀。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 排氣背壓及實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，柴油機(jī)在正常轉(zhuǎn)速全負(fù)荷狀態(tài)下，隨著排氣背壓的上升，油耗也會(huì)緩慢上升，當(dāng)排氣背壓達(dá)到20kPa時(shí)油耗上升速度加快。在排氣背壓小于25kPa時(shí)，油耗增加小［4］。為了使柴油機(jī)工作性能不出現(xiàn)較大的波動(dòng)，排除其他因素影響，本研究在兩端的背壓降為13kPa時(shí)開(kāi)始DPF再生。試驗(yàn)用以堇青石為濾芯材料的壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體，密度450kg/m3、熱導(dǎo)率1.4W/（m·K）、比熱容960J/（kg·K）、孔道數(shù)31孔/cm3。

4.2 測(cè)量方法

考慮到測(cè)量沉積量的不便，以及微粒沉積量與DPF壓差有良好的比例關(guān)系，本研究選用微粒捕集器前后的壓差值來(lái)計(jì)算再生效率。即PM顆粒轉(zhuǎn)化率。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)每隔十分鐘對(duì)應(yīng)溫度下測(cè)得的捕集器兩側(cè)壓力的大小，計(jì)算繪制出曲線如圖3。

PM顆粒轉(zhuǎn)化率難以測(cè)得，這里通過(guò)用測(cè)得的壓差的大小代替捕集器中剩余的PM顆粒多少，因此PM顆粒的轉(zhuǎn)化率就是對(duì)應(yīng)溫度下的壓差減少量比上初始溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的壓差。

4.3 結(jié)果分析

在電加熱溫度達(dá)到300℃時(shí)捕集器內(nèi)的PM顆粒開(kāi)始明顯減少，并且減少的速率趨于穩(wěn)定。在溫度上升至500℃時(shí)，電加熱再生的效率接近100%。證實(shí)了從顆粒消除再生這個(gè)角度，電加熱再生的可行性。但在溫度低于300℃時(shí)，顆粒幾乎不燃燒，而在正常工況下船舶柴油機(jī)尾氣的溫度在200-450℃之間，不用機(jī)型不同工況的柴油機(jī)排氣溫度不同。正常工況下的柴油機(jī)，排氣溫度與500℃相差很大，為了實(shí)現(xiàn)PM捕集器的再生，需要大量的電能去加熱。對(duì)于耗能大這一問(wèn)題的解決辦法。目前，催化氧化DOC利用催化劑降低碳煙顆粒氧化燃燒的活化能，降低碳煙顆粒的起燃溫度，使碳煙顆粒氧化分解，生成CO2。貴金屬對(duì)碳顆粒的燃燒具有良好的催化效果，但是貴金屬制作成本高，高溫易失活，對(duì)硫敏感，易中毒。現(xiàn)在研制出多種材料如稀土鈣鈦礦型復(fù)合金屬氧化物［5］，同樣能達(dá)到較好的凈化效果，同時(shí)彌補(bǔ)了貴金屬硫中毒的不足。隨著研究的深入，還需尋找催化性能更好，成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)的催化材料，才能獲得較為廣泛地推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

電加熱再生裝置具有工作穩(wěn)定、再生效率高、實(shí)用性好的特點(diǎn)。應(yīng)用在船舶上能耗大，但當(dāng)電加熱溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，再生效果好。對(duì)于能耗大的問(wèn)題我們可以采取催化氧化DOC的方式，從而降低顆粒實(shí)現(xiàn)完全燃燒轉(zhuǎn)化需要的溫度。以滿足船舶尾氣處理的實(shí)際需要。隨著研究的深入，我們將在催化材料方面做出努力，更有效的催化劑能夠降低氧化燃燒的起燃溫度、降低電加熱能耗，從而使產(chǎn)品獲得廣泛地推廣。

［1］譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)，樓狄明，等 .柴油機(jī)捕集器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同粒徑微粒過(guò)濾性的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（2）；175～181.

［2］資新運(yùn) .柴油機(jī)微粒捕捉器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2000（2）：1～4.

［3］Neeft J P A，MaKKee M，Moulijn J A.Diesel particualate emission control［J］.Fuel Proces Technol，1996，47（1）：1～69.

［4］王憲成，高希彥，許曉光，等 .柴油機(jī)微粒過(guò)過(guò)濾器紅外再生技術(shù)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45（4）；537～541.

［5］趙 震，紀(jì)玉國(guó)，劉 堅(jiān) .復(fù)合氧化物催化劑在柴油車(chē)尾氣處理中的應(yīng)用［C］//工業(yè)催化雜志.第四屆全國(guó)環(huán)境催化與環(huán)境材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.西安：工業(yè)催化雜志編輯部，2005.