顆粒物在多孔介質內部沉積以及脫附的研究進展

方 嘉，石 榕，杜雨恒，蔣 淵，秦 源，李鑒松，孟忠偉

(西華大學汽車與交通學院， 四川 成都 610039)

目前，中國大氣污染嚴重，空氣中可吸入顆粒物(Particulate Matter 2.5, PM2.5)含量超標。PM2.5可以進入支氣管、肺泡甚至血液，對人體自身的呼吸免疫功能、呼吸道、心血管和中樞神經系統等造成嚴重危害，從而對人體的健康傷害極大[1-2]。汽車排放已成為城市中PM2.5的首要來源。相對于汽油車，柴油機微粒排放尤為突出，微粒質量是汽油機的30～80倍[3-4]。同時，霧霾氣候已成為民生關注的焦點問題之一，社會各界均在采取積極措施以降低PM2.5的排放。顆粒捕集器是一種廣泛應用于大氣污染控制和空氣凈化的設備，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨等優點。 柴油機微粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)可用于控制顆粒物的質量和數量(Particulate Number,PN)。歐洲已從2013年開始全面實施歐5b排放法規，中國已在2015年1月全面實施柴油車國4排放法規，且北京已于2016年開始實施國5排放法規(與歐5法規相當)，強制要求新增重型柴油車加裝壁流式DPF[5]。

纖維氈和陶瓷片是兩個常見的對顆粒物進行過濾捕集的過濾介質，可通過一定的再生方式實現過濾/捕集器的連續工作。纖維氈和陶瓷片的基本組成單元分別是單根纖維或者單根陶瓷骨架。捕集機理包括攔截效應、慣性效應、擴散效應、重力效應和靜電效應。過濾過程一般分為表面過濾和顆粒層過濾。在表面過濾階段，顆粒物主要在纖維氈/陶瓷片迎風面上沉積形成顆粒層，接著顆粒層過濾來流顆粒。雖然纖維過濾器/DPF過濾主要在顆粒層過濾階段進行，但它以表面過濾為基礎，表面過濾形成的顆粒層堆積體的數量和結構形貌對纖維過濾器/DPF內部流場和壓降具有顯著的影響。同時，DPF熱再生時的顆粒排放嚴重超標，成為了迫切需要解決的關鍵問題。研究發現：與非再生時相比，再生時DPF出口的PN值將增加2～3個數量級[6-9]，達到4×1012個/km, 遠遠超過歐5b的PN極限(6×1011個/km)[5]。分析其原因是：DPF熱再生時會造成其內部沉積顆粒層的氧化燃燒，使得處于穩定堆積態的顆粒層發生結構改變，產生二次顆粒，可見顆粒物在多孔介質表面的沉積、脫附特性對顆粒的二次排放具有重要影響。本文將對顆粒物在多孔介質表面沉積、脫附過程，以及此過程對過濾性能的影響展開綜述。

1 對顆粒物在多孔介質表面沉積脫附的宏觀研究

目前，對捕集器過濾特性的宏觀研究主要包括對捕集效率的研究和捕集壓降的研究兩個方面。

1.1 對捕集效率的研究

捕集效率是評價捕集器性能的一個重要指標，直接影響顆粒物的排放。目前，研究人員主要研究了不同微粒特性，不同過濾介質材料、結構特性，以及不同運行參數對過濾效率的影響[10-35]。閆妍等[11]研究發現：3種PPS濾布的過濾效率分別為78.80%、75.96%和83.76%，過濾效率均高于金屬絲網和泡沫陶瓷過濾體的過濾效率。表面涂覆聚四氟乙烯的PPS濾布深床期后，過濾效率接近100%。吳曉東等[12]對比了蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纖維氈、泡沫合金、金屬絲網、金屬纖維氈以及復合材料對過濾效率的影響。譚丕強等[13]研究了過濾體的孔密度、壁厚、直徑和長度等宏觀結構參數對不同粒徑微粒的過濾效率。資新運等[14]研究了流速、微粒大小以及孔參數對泡沫陶瓷過濾體微粒過濾效率的影響。壁流式蜂窩陶瓷DPF在其內部形成顆粒層后(顆粒層過濾階段)具有較高的過濾效率，基本都能達到95%以上(質量比)，且受上述因素的影響較小[10，31]，說明壁流式蜂窩陶瓷DPF具有優異的過濾性能，能滿足目前需求。因此，如何降低捕集壓降成為了主要的研究目的。

1.2 對捕集壓降的研究

捕集壓降是評價捕集器性能的另一個重要指標，直接影響發動機動力輸出和燃料消耗。目前，研究人員主要研究了不同的捕集器幾何參數、不同的捕集器孔隙結構參數以及運行參數對過濾壓降的影響[15-16，18-25，32，35]。蒲云飛等[15]研究了結構體參數對壓降特性的影響，發現隨過濾體長度增加，過濾壓降逐漸減小，初始過濾效率先緩慢增加，后急劇下降，增加過濾體孔隙率有利于降低過濾體初始壓降和壓降增長率。姚廣濤等[16]研究了柴油機不同流量、溫度及DPF加載水平對壓降特性的影響規律，發現壓降隨溫度升高成線性增長，隨流量增加成二次方增長，隨碳煙加載量的增加而增長的趨勢是曲線斜率先大、后小、再增大。Choi等[18]測量了微粒層的捕集，并建立了柴油機捕集器壓力損失數學模型，發現過濾體的直徑和長度增加可降低壓降，過濾體壁厚增加，提高排氣溫度、流量以及擔載量的增加都會導致壓降增加。朱亞永等[19]研究非對稱孔結構、灰分沉積量以及分布形式對DPF壓降和微粒沉積特性的影響,發現隨著DPF排氣流量、進口溫度、微粒沉積量和灰分沉積量的增加,DPF的壓降增大,且DPF壓降變化與進口溫度呈非線性關系。杜家益等[20]研究了進氣流量、進氣溫度、過濾體長度、孔密度和壁厚對不同階段過濾壓降的影響。研究結果表明: DPF捕集過程分為深床捕集和濾餅捕集,兩者對壓降特性影響各異;當增大進氣流量時過濾壓降大幅上升,但縮短了捕集進程;過濾壓降隨進氣溫度呈線性增長關系。張俊超等[22]模擬DPF捕集過程，研究進氣流量、進氣溫度、過濾壁厚度和孔密度對捕集過程的影響規律，結果表明，減小進氣流量能改善氣體流動,并且能提升DPF捕集性能和流阻性能;降低進氣溫度能改善氣體流動和流阻性能。朱亞永等[23]還針對不同排氣流量、進口溫度、孔密度、碳煙和灰分沉積量，對六邊形孔道及四邊形孔道DPF壓降特性和碳煙再生特性進行分析，并研究灰分分布形式對不同孔道形狀DPF的影響，發現排氣質量流量越大,進口溫度越高,不同孔道結構的壓降敏感性增大;與傳統四邊形孔道DPF相比,當碳煙沉積量較低時,六邊形孔道DPF壓降損失較高。以上研究結果表明，通過增加捕集器孔隙率或過濾體長度或直徑，降低排氣溫度和流量能降低過濾壓降，為優化捕集器的捕集過程奠定了研究基礎。

2 對顆粒物在多孔介質表面沉積脫附的微觀研究

目前，對顆粒物在多孔介質表面沉積脫附的微觀研究主要包括顆粒物在單根、雙根骨架以及捕集片上的沉積、脫附研究。

2.1 顆粒物在單根骨架上的沉積以及脫附研究

在單根陶瓷骨架過濾顆粒物的過程中，顆粒物會不斷在骨架上堆積，形成類似葡萄串的“顆粒樹”，這時會形成顆粒捕集顆粒的現象，捕集效率和捕集阻力都將隨“顆粒樹”結構的變化而變化。因此，對“顆粒樹”結構的形成、變化機理及其對過濾效率影響的研究顯得格外重要。顆粒在單纖維上沉積的形貌研究從20世紀70年代開始，Tien等[36]通過照片觀察了顆粒在單纖維上沉積成為“樹枝”形貌，并建立物理模型。Oak等[37]利用掃描電鏡觀察了置于外電場內并與之垂直的纖維，發現顆粒在纖維上沉積的最終形貌成輻射狀沉積。Kanaoka等[38]通過照相的方法獲得了納米顆粒在纖維上的沉積形貌。Mullins等[39]開始利用顯微鏡實時觀測顆粒在濾料上水珠中的捕捉及脫附過程。這些研究主要針對纖維在靜電場內顆粒的最終形貌，并沒有顆粒物在單根纖維骨架表面的沉積過程。同時，研究人員利用計算機模擬顆粒物在單纖維表面的沉積過程。錢付平等[40]基于網格凍結法對單纖維非穩態捕集進行了研究，得到了不同沉積形態的單纖維過濾介質的捕集效率，但是模型相對簡單，不能準確描述顆粒沉積形態對捕集效率的影響。朱輝等[41]通過Kuwabara流場模擬獲得了單纖維非穩態捕集情況，發現粉塵顆粒在單纖維表面的沉積形態與分布特征與Stokes數、粉塵顆粒粒徑分布和纖維扭曲程度有關，不過圖片處理過程中也會出現顆粒丟失現象。Dawar等[42-43]和Fang等[44]開始利用顯微鏡實時觀測液滴在纖維表面的運動以及脫附過程(如圖1所示)，發現能使液滴從纖維上脫附的經驗關聯。Riefler等[45]研究了粒子濾波在光纖濾波器中的應用，采用網格變形過程模擬了纖維過濾器內的顆粒沉積，從而確定過濾介質中的局部粒子聚類和部分過濾堵塞的情況。黃斌[46]在顯微鏡下觀察了微米顆粒(飛灰和陶瓷顆粒)在單纖維上的動態沉積過程，發現了顆粒樹的形成、倒伏以及斷裂現象(如圖2所示)，不過尚未涉及柴油機顆粒樹在單根骨架上的沉積脫附過程，而且柴油機顆粒物直徑更小，觀察難度更大。

t=3.2 s t=4.1 s t=4.9 s

圖2 顆粒物在單纖維上斷裂、分叉、倒伏現象[46]

2.2 顆粒物在雙根骨架上的沉積以及脫附的研究

Wilson等[47]利用電子顯微鏡和光學顯微鏡研究了液滴在0.1～1 μm直徑范圍纖維上的沉積，發現了臨近的細纖維表面沉積量可能很大，而且同一根纖維上某一段有沉積而臨近一段則完全沒有，相近的不同直徑的纖維沉積量完全不同。Davoudi等[48]研究了液滴在交叉纖維上的脫附規律，發現了能使液滴從交叉點上脫附的最小曳力(如圖3所示)。目前尚未涉及柴油機顆粒樹在雙根骨架上的沉積脫附過程，而且柴油機顆粒物直徑更小，觀察難度更大。

2.3 顆粒物在單層陶瓷片上的沉積以及脫附的研究

顆粒層結構是決定捕集壓降和效率的基礎，也是捕集技術進一步優化以及功能拓展的基礎，但由于顆粒層具有尺度薄(一般小于1 mm)、顆粒層結構松散、不夠穩定等特點，加上顆粒層結構的數學描述等較為困難，這方面的研究一直沒有很好的進展。張成鋒[49]采用固化法對顆粒層進行加固然后采用掃描電鏡以及圖像分析等方法獲得了顆粒層沿高度孔隙率的變化曲線，但是此方法周期長，實驗工作量大。黃斌[46]采用了丙綸濾料對粉塵顆粒進行捕集，發現了捕集壓降的變化規律，并將沉積過程分為3個階段，不過研究尚未涉及顆粒層的宏觀物理特征(堆積密度、孔隙率、滲透系數等)，也未涉及對柴油機顆粒層微觀結構特性的研究。孟忠偉等[10]和Choi等[18]采用激光位移傳感器，在線測量了柴油機顆粒層高度在沉積過程中的變化規律，將顆粒的沉積過程分為4個階段，分別是深孔過濾、深孔過濾末期、過渡過濾期、顆粒層過濾期(如圖4所示)，并計算了顆粒層宏觀物理特征(滲透率和孔隙率)。盡管該研究關注了顆粒層的沉積過程，尚未涉及顆粒層微觀結構特征(沉積模式、微觀組成和內部結構等)。

許多解釋系統都強調將指代(anaphora)、時態和許多其它表達與行動相組合，主要的程序就是會話表達理論。

圖3 液滴在3種情況下離開交叉口的途徑[48]

圖4 碳黑顆粒在單層陶瓷片上的沉積過程[18]

2.4 顆粒物在雙層陶瓷片上(灰沉積在單層陶瓷片上)的沉積以及脫附的研究

為保障DPF的長期可靠運行，灰在其內部沉積問題也是迫切需要解決的關鍵問題。DPF經過長期連續的捕集和再生循環后，其內部將逐漸沉積顆粒灰(Ash),直接影響DPF內部的微粒沉積和過濾壓降[50-52]。前期研究聚焦于優化載體的幾何結構，提高灰在載體內部的儲存能力，避免載體壓降的增加[53-54]。此后開發了雙層過濾技術，在載體壁面涂覆了一層致密介質后縮短了深床期過濾時間，能達到同時降低過濾壓降和提高過濾效率的效果[31，55-56]。侯獻軍等[57]研究了DPF再生過程中灰分的生成機理，以及初始灰分層在DPF進口通道的沉積位置和沉積形狀對再生性能的影響。結果表明,灰分沉積在進口通道堵頭會減小DPF有效過濾長度,增大再生過程的溫度,減小再生過程的壓降。此外也有研究表明：在潔凈的DPF載體壁面沉積一層顆粒灰后，能實現與上述致密介質類似的功能[54，58]，說明灰的沉積與壁面多孔介質之間的匹配關系至關重要，若匹配合理，則可實現DPF過濾性能(壓降、效率)的全面提高，而非此消彼長的變化關系。此外，研究還發現了雙層捕集壁面還可以改善載體的再生過程(如圖5所示)，使得再生時載體內部溫度場分布趨于均勻，并能降低最高再生溫度，提高耐熱性[58]。

圖5 碳黑顆粒在不同灰沉積下的沉積過程

3 未來研究的方向

本文綜述了顆粒樹在單根、雙根陶瓷骨架上(平行、交叉骨架)和單層陶瓷片上的沉積以及脫附規律，總結了單層陶瓷片上灰沉積特性與顆粒物沉積以及脫附特性的相互影響規律，顆粒層特征對過濾性能的影響規律，以及對過濾性能影響程度的順序。現有對捕集器宏觀過濾性能的研究包括過濾器的結構參數(幾何結構、厚度、孔隙率、孔徑、過濾體長度等)和運行參數(排氣溫度和排氣流量)對捕集器過濾特性的影響。目前，對捕集器微觀捕集以及脫附性能、對柴油機顆粒物在多孔介質表面的沉積以及脫附過程的研究并未涉及，因此這個可能是未來一個重要的研究方向。這方面的成果可以為過濾介質的結構參數和運行參數的優化以及對過濾性能的預測提供理論支持和技術指導，也為再生時顆粒物的穿透特性提供理論支持。