残余灰分对低温等离子体技术再生DPF的影响

发布时间：2020-03-30 05:18

【摘要】：柴油机颗粒物捕集器(Diesel particulate filter,DPF)可以实现颗粒物(Particulate matter,PM)的高效捕集,该技术的关键是定期再生以及清除其中的灰分。本文基于低温等离子体(Non-thermal plasma,NTP)再生DPF技术,设计并完成了残余灰分累积试验方案,开展了残余灰分对DPF捕集及再生的影响研究,并利用反吹法提取DPF中的残余灰分,表征了不同工况下再生所得灰分的理化性质。主要研究内容如下:(1)利用加载了不同初始含量灰分的DPF进行PM捕集、NTP再生DPF试验,分析了灰分对PM捕集过程中DPF背压、PM捕集率以及NTP再生DPF过程中再生时间、测点峰值温度、碳去除量的影响。研究结果表明,灰分显著提高了DPF对小粒径颗粒物的捕集率,但灰分也会引起DPF背压增大。NTP再生DPF基本是由DPF前端向DPF后端逐渐推进的,NTP利用率较高。DPF内部灰分含量的升高会使得再生时间变长,测温点的峰值温度升高,再生去除碳量也明显增加。因此,在实际应用中,应将DPF中的灰分含量控制在合理范围内,以提高PM捕集率,并预防因灰分含量过多使得DPF背压过高或再生时间过长。(2)为探究不同工况下NTP再生所得灰分的元素组成、化学异相性、有序化程度、无定形碳含量,对残余灰分进行了X射线能谱检测及激光拉曼光谱检测。研究结果表明,NTP完全再生DPF后所得的残余灰分呈现灰褐色,低负荷所得灰分主要呈现粉末状,高负荷所得灰分主要呈现条状,负荷增大到100%时,出现了较多长达6 mm~10 mm的条状灰分。残余灰分组成元素除了C、O、S之外,还含有较多的Na、Ca等金属元素。灰分样品的I_(D1)/I_G值介于1.5~1.8之间,I_(D3)/I_G值介于0.4~0.7之间。随着负荷的增大,I_(D1)/I_G值减小,表明大负荷工况下经NTP再生所得的灰分的结构更加有序;灰分I_(D3)/I_G值随柴油机负荷的增大也呈降低趋势,表明大负荷下再生所得灰分中的无定形碳含量有所降低,碳团簇程度降低。负荷增大后灰分样品D1峰的半峰高宽逐渐升高,而G峰的半峰高宽先升高后降低,总体而言灰分的化学异相性增强,结构更加多样化。(3)为深入研究灰分的理化性质,对灰分进行了傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)及X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectrometer,XPS)表征,分析灰分所含表面官能团以及灰分各组成元素的赋存形式和赋存比例。灰分FTIR谱图显示,NTP再生所得灰分主要含有羟基、烷基以及C-O、C=O等有机官能团。灰分XPS宽扫描结果显示,C、O元素总摩尔含量约80%,C、O元素摩尔含量比范围为0.657~0.839;Ca、Na等金属元素总摩尔百分含量达13.96%~14.67%;S元素摩尔百分含量为2.98%~3.67%。C元素以C-C、C-OH及O-C=O官能团的形式赋存,赋存比例分别为49.6%~51.5%、13.9%~15.9%、33.8%~36.1%。S元素赋存形式有两种,分别为SO_4~(2-)和SO_3~(2-),其中以SO_4~(2-)形式赋存的比例约40%,以SO_3~(2-)形式赋存的比例约60%。75%负荷下再生所得灰分中S元素的摩尔百分含量最高,表明75%负荷下再生所得灰分中无机盐含量较高。O元素摩尔百分含量为43.64%~48.11%,其中有机氧的摩尔百分含量为25.79%~30.81%,其余以无机氧赋存。除了SO_4~(2-)和SO_3~(2-),还有一部分无机氧以金属氧化物的形式赋存于灰分中。
【图文】：

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图 1.1 颗粒物组分Fig.1.1 PM components机排放法规主要分为美国、日本、欧洲三大体系汽车排放法规，该法规自 1961 正式执行。作第一阶段（Tire 1）排放法规于 1991 年颁布，的轻型车第三阶段（Tire 3）排放法规颁布于 21993 年开始限制柴油车的 PM 排放，规定了柴km，而最大值不能超过 0.34 g/km，之后日本又开始颁布排放法规，目前，欧洲排放法规已经布了第一批排放标准，该标准主要针对汽油机01 年，我国颁布了《轻型汽车污染物排放限值放法规的基础之上、结合我国汽车排放控制技术

路线图,路线,NOX排放,技术

或沿折皱通道前行，或穿过过滤层，当排气穿过过滤层时，其中的颗粒会]。POC 可在不出现堵塞的状态下达到部分净化颗粒物的目标。除了 PM，NOX是柴油机排放控制的另一重点。PM 是燃料高温缺氧燃烧的产物是在高温富氧环境下生成的，，从生成条件看，二者存在此消彼长的关系。因用机内净化技术无法将 PM 和 NOX排放同时控制在法规限值内，还须采用高效的技术[24, 28, 32]。图 1.2 为两种主流的控制柴油机排放的技术路线，一种是废气再haust gas recirculation，EGR）技术+DPF，另一种是优化燃烧+选择性催化还原（Seytic reduction，SCR）技术。第一种排放控制路线先利用 EGR 技术将 NOX排放降规定的限值内，但是由于 EGR 技术的引入会降低缸内循环的氧含量，引起 PM 的高，因此还需要加装 DPF 完成 PM 的高效捕集。第二种排放控制路线先优化缸内M 排放降低至法规规定的限值内，同样，这也导致 NOX排放量较高，随后通过降低 NOX排放。SCR 技术的原理是以氨等还原剂将排气中的 NOX选择性地还原成 N2和 H2O。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK421.5

【参考文献】