性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

解析康明斯柴油發(fā)電機(jī)后處理裝置

 

柴油發(fā)電機(jī)一般在平均過(guò)量空氣系數(shù)大于1.2的較稀的混合氣下燃燒。所以，雖然柴油發(fā)電機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)高，但其燃燒最高溫度及排氣溫度都比汽油機(jī)低，而且排氣中CO、HC排放量也明顯少于汽油機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)的主要有害尾氣排放物是NO_x和微粒，以及CO和HC。汽油機(jī)在理論空燃比下燃燒時(shí)可通過(guò)三效催化轉(zhuǎn)化器同時(shí)凈化NO_x、CO和HC排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油發(fā)電機(jī)由于平均空燃比比較大，不能用三效催化轉(zhuǎn)化器。所以，根據(jù)其有害尾氣排放物，在柴油發(fā)電機(jī)上所采用的主要后處理技術(shù)有氧化催化轉(zhuǎn)化器、NO_x的催化還原裝置、微粒濾清器以及DPNR裝置等。

 

一、氧化催化轉(zhuǎn)化器

 

氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）只是將排氣中的CO和HC以及PM中的SOF氧化為CO₂和H₂O。氧化催化劑主要采用Pt（鉑）和Pd（鈀）等貴金屬。為了氧化HC和CO，將Pt、Pd獨(dú)立或兩者組合作為催化劑。實(shí)際使用的Pt和Pd的質(zhì)量之比在2.3/1附近，一般多采用質(zhì)量比為2/1或2.5/1的催化劑。Pd易受Pb（鉛）的侵蝕，而Pt則容易受熱劣化。

 

影響催化反應(yīng)的基本因素是反應(yīng)物的含量、溫度及體積流量（又稱空間速度）。所以，為了提高反應(yīng)效率，需要適當(dāng)控制這些因素。一般催化劑的工作溫度為300℃以上，空間速度（氣體的體積流量）為每小時(shí)數(shù)萬(wàn)升以下。在反應(yīng)物的含量中很重要的影響因素是氧氣的含量和被氧化物質(zhì)（CO、HC、H₂）的含量之間的平衡關(guān)系。因此，為了在排氣過(guò)程中氧化HC和CO排放物，或者作為排氣凈化裝置，在采用催化裝置時(shí)，需要向排氣系統(tǒng)供給新鮮的空氣，稱此空氣為二次空氣。但是如果柴油中含硫量較多時(shí)，氧化催化反應(yīng)將會(huì)生成較多的硫酸鹽，反而使微粒排放增加。所以采用DOC的柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)選用含硫量低的柴油。

 

二、NO_x的催化還原裝置

 

柴油發(fā)電機(jī)為了降低排氣中的NO_x排放量，采用以氨為還原劑的選擇型催化還原裝置（Se-lective Catalytic Reduction，SCR）。催化劑一般采用V₂O₃-TiO₂、Ag-Al₂O₃以及含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。在催化還原裝置前供給相對(duì)燃料3％～5％的32.5％含量的尿素（圖1），用排氣熱進(jìn)行加水分解反應(yīng)所產(chǎn)生的NH₃（氨）對(duì)NO進(jìn)行選擇型還原，其還原反應(yīng)式為

 

 

 ...........................(公式1)

 

 

 

 

上述反應(yīng)所需要的工作溫度范圍是250～500℃。當(dāng)工作溫度過(guò)低時(shí)，上述NO的還原反應(yīng)不能有效進(jìn)行；如果溫度過(guò)高，會(huì)造成催化劑過(guò)熱而損傷，而且還會(huì)使還原劑NH₃直接氧化而損耗并產(chǎn)生新的NO_x。特別是可能生成強(qiáng)溫室氣體N₂O，即

2 NH₃+2O₂→N₂0+3H₂O  ....................(公式2)

因此，開發(fā)SCR催化還原裝置時(shí)必須注意避免N₂O的生成。

通過(guò)機(jī)內(nèi)措施和SCR型催化還原裝置的配合使用，在不用DPF（或DPT）下可滿足2005年度實(shí)施的歐洲排放法規(guī)。在柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工況下，通過(guò)各參數(shù)的優(yōu)化控制，不僅對(duì)柴油發(fā)電機(jī)尾氣排放物的凈化效率可達(dá)到90％以上，也可以改善200℃以下的低溫過(guò)渡工況下的凈化效率。

 

圖1 SCR催化還原系統(tǒng)

 

 

三、微粒濾清器

 

作為專門控制柴油發(fā)電機(jī)微粒排放量的控制裝置，有以壁流式蜂窩狀陶瓷為濾芯的微粒濾清器（DPF）。這種濾芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，每?jī)蓚€(gè)相鄰的孔道，一個(gè)在進(jìn)口處被堵住，另一個(gè)在出口處被堵住。這樣排氣從孔道流入后，必須穿過(guò)多孔性陶瓷壁面才能通過(guò)相鄰孔道流出，此時(shí)將排氣中的PM過(guò)濾在各流入孔道的壁面上。一般，孔道截面積為2mm×2mm，壁厚為0.4mm左右。蜂窩狀陶瓷濾芯體積一般是柴油發(fā)電機(jī)排量的1～2倍，其最大直徑在150～200mm范圍內(nèi)，長(zhǎng)度不超過(guò)150mm。大排量柴油發(fā)電機(jī)可采用數(shù)個(gè)濾芯并聯(lián)工作。在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，DPF 濾芯上沉積的PM逐漸增多，使得排氣流動(dòng)阻力增加，直接影響柴油發(fā)電機(jī)的性能。因此，必須及時(shí)清除堆積在濾芯上的PM，以恢復(fù)到原來(lái)的低阻力狀態(tài)，這已成為DPF非常重要的問(wèn)題。而這一清除濾芯上的PM的過(guò)程稱為DPF的再生。由于PM中絕大部分為可燃物，所以DPF再生的最簡(jiǎn)便的方法就是定期地?zé)鬚M。DPF的再生方法有以下幾種。

 

1．電加熱再生系統(tǒng)

 

這種方法是用電加熱器加熱DPF，并供給一定量的空氣來(lái)燒掉PM，使DPF再生（圖2）。這種再生法采用關(guān)閉DPF流動(dòng)的方法來(lái)再生，所以需要多個(gè)DPF。這樣每個(gè)DPF再生所需要的能量少，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2．連續(xù)再生系統(tǒng)

圖3所示為連續(xù)再生系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將DOC和DPF前后安裝在同一殼體內(nèi)。安裝在前段的DOC生成氧化活性很強(qiáng)的NO2，由此再生安裝在其后段的DPF。為了提高DPF的再生效果，將特殊的DOC安裝在DPF的前段，這樣在排氣過(guò)程中前置DOC 中所產(chǎn)生的含有NO2氣體的廢氣直接進(jìn)入DPF，在排氣流動(dòng)過(guò)程中直接進(jìn)行再生。或者，在DPF中也可以固化氧化劑以提高低溫活性。

 

圖2 電加熱再生系統(tǒng)

圖3 連續(xù)再生系統(tǒng)

 

3．強(qiáng)制氧化催化再生系統(tǒng)

 

這是一種通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)的控制和DOC的結(jié)合，使DPF強(qiáng)制升溫的DPF再生系統(tǒng)。柴油發(fā)電機(jī)的控制主要包括噴射時(shí)期、EGR、VGS/VNT、排氣制動(dòng)等的控制，由此提高排氣溫度，使之達(dá)到前段DOC中催化劑的活性溫度。也可以結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)控制，實(shí)施燃料后噴射（如下止點(diǎn)附近噴射），以排出未燃HC，使之在前段DOC中燃燒，由此加熱DPF使其達(dá)到再生的目的（圖4）。

 

圖4 強(qiáng)制氧化催化再生系統(tǒng)

 

DPF的主要再生方法見(jiàn)表6-2。

表6-2 DPF的再生方法

再生方法		備 注
強(qiáng)制再生	電加熱
	微濃加熱
	輕柴油燃燒加熱
	低溫等離子氧化
	逆流空氣噴射清洗	逆洗后，用電加熱器燒掉PM
	柴油發(fā)電機(jī)控制＋氧化催化	進(jìn)排氣節(jié)流，燃料后噴，排氣系噴油
連續(xù)再生	催化劑載體DPF
	前段氧化催化	生成NO2
	催化劑載體＋前段氧化
	燃料添加型催化器	燃料添加劑

 

四、DPNR裝置

 

目前，在柴油發(fā)電機(jī)上比較成功的同時(shí)降低NO_x和微粒排放量的控制技術(shù)，主要由高壓共軌電控噴射系統(tǒng)、低溫燃燒控制技術(shù)、排氣燃料添加系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)（DPNR裝置＋氧化催化器）組成。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)噴油器啟噴壓力為180MPa的高壓共軌噴射系統(tǒng)，進(jìn)行多階段噴射控制，同時(shí)以1MPa的壓力向排氣噴燃料，以便使DPNR內(nèi)的NO_x還原、微粒氧化。這樣也可以防止后處理系統(tǒng)受燃料中硫的侵蝕。

DPNR（Diesel Particulate and NO，Reduction）裝置的結(jié)構(gòu)如圖5、圖6 所示。其特點(diǎn)是，采用陶瓷蜂窩狀結(jié)構(gòu)，入口和出口交叉堵塞。在載體內(nèi)壁設(shè)有細(xì)孔，保證微粒順利流動(dòng)。而在載體壁面和細(xì)孔內(nèi)部固化NO_x吸附還原型催化劑，以便將排氣中的NO_x吸附還原。即當(dāng)稀混合氣燃燒時(shí)將排氣中的NO_x吸附，而在濃混合氣燃燒時(shí)，釋放被吸附的NO_x，并在排氣中的HC、CO及還原劑（Pt）的作用下使之還原為N₂。

 

圖5 DPNR系統(tǒng)組成圖

圖6 DPNR催化器截面圖

 

 

對(duì)微粒的氧化機(jī)理是，在空燃比（混合氣濃稀）交變的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)吸附和釋放NO_x時(shí)的氧化還原反應(yīng)，在催化劑表面上生成活性氧，由此促進(jìn)微粒的氧化，實(shí)現(xiàn)低溫領(lǐng)域?qū)ξ⒘５难趸▓D7）。

 

圖7 DPNR的凈化原理圖

 

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