添加fbc-dpf的柴油機顆粒物排放特性試驗

添加fbc-dpf的柴油機顆粒物排放特性試驗

屋頂層污染主要來自細粒和細粒1-2，細粒和細粒大多數(shù)用于非道路機械領域3-4。由于其可靠性和低油耗等優(yōu)點，葉片在輕、重、車和非道路機械領域廣泛使用5-15，但葉片中的nox和顆粒對環(huán)境、人類健康和人類健康都有很大的影響c.19。發(fā)動機排放的顆粒通常由100多顆蒸發(fā)和半蒸發(fā)物質形成，這些物質在碳核上可以分解，這會導致身體炎癥、哮喘和室內疾病（主要是碳氫化合物的不完全燃燒）。此外，它對壓力和副作用非常感興趣。過渡器是降低顆粒排放的有效手段。然而，如果滿足國家r或更高的排放規(guī)則的限制要求，則必須采用先進的處理技術25-27。例如，通過優(yōu)化燃燒和降低排放，并配合scr（選擇性控制和轉化）技術，可以降低nox排放。或者降低焚燒溫度以減少nox排放，并添加混有裝置。dpf（先進的顆粒去除工藝，氧化催化劑）是目前公認的、效率最高的顆粒處理裝置29。目前，由于中國大部分地區(qū)的柴油硫含量很高，因此一般的dpf誘導再生和連續(xù)再生技術很難實現(xiàn)30。國內主要的處理方法是在優(yōu)化燃燒后安裝scr。隨著國內法規(guī)和減少飼料需求的增加，將dpf添加到一些不可避免的措施中。DPF的連續(xù)催化再生技術包括:1在過濾器載體表面涂覆含有貴金屬元素的涂層,對捕集的顆粒物起分解作用從而有效降低過濾器再生溫度;2在燃油中加入FBC(fuel-bornecatalyst,添加劑)［31］,FBC一般為可溶性的金屬或金屬鹽［32］,其與顆粒共同沉積在DPF上,使顆粒捕集器上顆粒物的燃燒溫度大幅下降,接近或達到正常排氣溫度,有效降低DPF再生溫度.DPF的再生技術對燃油中硫含量比較敏感,要求是永恒低硫柴油.然而柴油中硫含量對FBC-DPF的性能基本沒有影響,適于在硫含量較高的國家和地區(qū)使用［33］.該研究使用低硫柴油對加裝了FBC-DPF的柴油機進行臺架試驗,對顆粒物粒徑分布、捕集效率及其中固相PAHs的排放特性進行了研究;同時,對加裝了FBC-DPF的3輛在用柴油車使用高硫柴油進行了5000km性能穩(wěn)定性試驗,以測試5000km后FBC-DPF的顆粒物捕集效率.1試驗設備和方法1.1柴油及發(fā)動機負荷特性臺架試驗所用燃油為滿足國Ⅳ標準要求的北京市市售柴油,實測硫含量(以φ計)為1.9×10－5,其基本參數(shù)如表1所示.顆粒捕集器的尺寸為Ф25.4cm×30.5cm,每m2表面上的孔數(shù)量為232500個,載體為SiC材料,無催化劑涂層,添加劑的主要成分為二茂鐵,添加劑與燃油的體積比為1000∶1.5.柴油機型號為CA6DF3,主要參數(shù)如表2所示,所有穩(wěn)態(tài)工況測試方法符合GB17961—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》［34］要求.選用ESC(Europeansteadystatecycle,歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán))中的A、B、C轉速,分別為1390、1750、2110rue4d4min,并且增加了1200、1400、2300rue4d4min等轉速,基本覆蓋了發(fā)動機所有的轉速范圍.在臺架試驗臺上對裝有FBC-DPF的柴油機進行不同轉速下的負荷特性試驗.臺架試驗臺包括測功機(DynasHT350,Schenck公司,德國)、進氣流量計(SensyflowP,ABB公司,瑞士)、油耗儀(PLU4000,Pierburg公司,德國)、顆粒物在線分析系統(tǒng)與顆粒物采樣系統(tǒng).1.2設備和分析方法1.2.1顆粒分級與氣體排放量的匹配顆粒物粒徑分析設備采用DEKATI公司的ELPI(低壓靜電沖擊式采樣器),它主要由單級荷電器、多級沖擊器和多通道靜電計三部分組成.樣氣以10Lue4d4min進入單極荷電器進行充電,使顆粒帶上電荷;然后進入多級沖擊器,沖擊器利用顆粒的慣性按空氣動力學直徑將0.03~10μm范圍內的顆粒分級,ELPI可以將顆粒物按粒徑分為12級,在第一級沖擊器后加上一個濾紙即可將測量范圍下延至7nm.每一級沖擊器之間絕緣,由上面沉積得到的顆粒所帶的電荷用靜電計以電流的方式獲得,再通過電流與電荷的關系得出每級沖擊器上所獲電流和顆粒物數(shù)濃度之間的關系.采用DEKATI的兩級稀釋系統(tǒng)對排氣進行稀釋,以避免排氣中水分、顆粒的凝聚以及揮發(fā)性物質的過飽和成核現(xiàn)象［35］,并通過經(jīng)油氣、水氣分離和高效微粒過濾后的壓縮空氣來稀釋樣氣.初級稀釋前壓縮空氣被加熱至195℃,兩級稀釋總稀釋比約為56.1.2.2纖維濾膜的濃縮采用玻璃纖維濾膜采集加裝FBC-DPF前、后排氣中的固相PAHs,采樣后的玻璃纖維濾膜用20mL的二氯甲烷浸泡12~24h,然后將浸泡后的二氯甲烷溶液取出,放入水浴氮吹儀中濃縮至3mL,再加入10mL正己烷,濃縮定容至1mL.1.2.3pahs成分分析按USEPA(美國國家環(huán)境保護局)標準方法TO-13A用GCue4d4MS對前處理后的PAHs樣品進行分析［36］.采用微量進樣器進行手動進樣,每次進樣量為1μL.注射樣品前后,注射針頭需用淋洗液(二氯甲烷和正己烷混合液)進行清洗.由于PAHs種類多,成分復雜,全部檢測幾乎不可能.該研究選擇USEPA規(guī)定的16種PAHs優(yōu)先污染物進行檢測和定量分析,即萘(Nap)、苊烯(Acpy)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(PA)、蒽(Ant)、熒蒽(FL)、芘(Pyr)、苯并[a]蒽(BaA)、(CHR)、苯并[b]熒蒽(BbF)、苯并[k]熒蒽(BkF)、苯并[a]芘(BaP)、茚并[1,2,3-cd]芘(IND)、二苯并[a,h]蒽(DBA)、苯并[g,h,i]苝(BghiP).采用選擇離子模式(selectedionmonitoring,SIM)進行檢測,并用峰面積外標法對樣品中的PAHs進行定量分析.2hpc-dpf對顆粒排放特性的影響2.1fbc-dpf和核膜態(tài)顆粒物在低轉速和高速負荷區(qū)域中的捕集效率m在2300r/min低負荷時,出現(xiàn)了核膜態(tài)的顆粒物數(shù)量峰值.核膜態(tài)顆粒主要由揮發(fā)性物質和硫化物構成.究其原因,是燃燒溫度較低和高轉速使氣缸內排氣中的揮發(fā)性物質難以充分氧化,并且揮發(fā)性物質和硫化物由于高轉速導致沒有充分時間附著于碳核表面因而被直接排出.加裝FBC-DPF后顆粒物排放的最大數(shù)濃度仍出現(xiàn)在高轉速的大負荷區(qū)域,最小值出現(xiàn)在低轉速的低負荷區(qū)域,各粒徑范圍內數(shù)濃度均有大幅降低.FBC-DPF對顆粒物的捕集效率如圖2所示.由圖2可見,所有工況不同粒徑下的顆粒物捕集效率均在80%以上.在1400rue4d4min下FBC-DPF對顆粒物捕集效率平均值達到98.8%,在2300r/min下捕集效率平均值為93.7%,略低于前者.在1400rue4d4min下,隨著負荷升高和粒徑的增大,FBC-DPF對顆粒物捕集效率略有降低,在20%和50%負荷下FBC-DPF對顆粒物的捕集效率均在98%以上,在100%負荷下的捕集效率也有93.1%~98.9%.在2300r/min下,FBC-DPF對核膜態(tài)的顆粒物捕集效率較高,平均值為96.8%;而在70~770nm范圍內捕集效率較低,并且捕集效率隨負荷的升高而增加,對積聚態(tài)顆粒物捕集效率平均值為86.3%.整體來說,FBC-DPF對顆粒物的捕集效果顯著,1400和2300r/min下捕集效率平均值均在95%以上,這與Harlé等［38］的研究結果相一致.2.2總比排放量在fbc-dpf的影響圖3是ESC工況A、B、C轉速下的加裝FBC-DPF前、后PAHs的總比排放量的負荷特性分布.由圖3可知,加裝FBC-DPF后固相PAHs的總比排放量明顯減少.究其原因,可能是FBC-DPF捕集了大部分的顆粒物,使依附在顆粒物上的PAHs也隨之減少所致.在不同轉速下,PAHs的總比排放量隨負荷的增加變化規(guī)律不明顯,但在大負荷區(qū)域,不同轉速下PAHs的總比排放量均有所降低.在1390rue4d4min中、小負荷工況下,PAHs的總比排放量在加裝FBC-DPF后有所增加,增幅為13%~98%.這是由于在較低轉速和中、低負荷下,排氣管空間內由于排氣流量和排氣溫度較低,使得一些排氣中的PAHs分子有更多時間接觸顆粒物并附著在其表面,而且排氣溫度較低,不利于PAHs分子的揮發(fā),致使顆粒物中PAHs排放增加.在大負荷工況下,PAHs總比排放量在加裝FBC-DPF后明顯降低,其降幅在69%~88%之間.在中、小負荷工況下,1750rue4d4min時PAHs總比排放量在FBC-DPF后的降幅較小;而大負荷工況下的降幅(25%~88%)較大.在2110rue4d4min時,除在10%負荷處有4%左右的小幅增加外,其他負荷下均降幅較大,約為50%~65%.FBC-DPF對大負荷及中、高轉速工況下的PAHs總比排放量降低效果較顯著.圖4為在1200、1390、1750、2110、2300r/min下全負荷(100%)工況下PAHs中各物質比排放量對比.由圖4可見,在全負荷工況下,加裝FBC-DPF后PAHs中的大部分物質的比排放量均明顯低于FBC-DPF前.在加裝FBC-DPF前、后,萘、菲和芘均是PAHs排放中相對含量較高的3種物質,三者分別占PAHs總比排放量的23.6%、17.1%、18.2%,總計為58.9%.在加裝FBC-DPF后,除部分轉速下苊烯、苯并[a]蒽等物質的比排放量有所增加外,其他物質的比排放量均減少,約為15%~90%.PAHs中大量物質均對人體健康有害,其中苯并[a]芘更是具有強烈的致癌作用［24，39］,在加裝FBC-DPF后其比排放量平均減少了54.7%.2.3fbc-dpf法表3給出了不同工況下加裝FBC-DPF前、后顆粒物的中位直徑(CMD)及其標準偏差.中位直徑是累積百分比為50%時所對應的粒子直徑,是表達微粒粒徑的一個重要參數(shù).對于服從對數(shù)正態(tài)分布的微粒,其中位直徑(u)等于幾何平均直徑(dg).由于柴油機排放的顆粒物粒徑分布近似于對數(shù)正態(tài)分布,因此,顆粒物的dg及其相應標準偏差可按下式計算:式中,di為ELPIi級的切割直徑,σ為相應的幾何標準差.加裝FBC-DPF前的顆粒物中位直徑為30~89nm,所有轉速下顆粒物的中位直徑均呈隨負荷增加而增大的趨勢;中位直徑越大則說明顆粒物中核膜態(tài)顆粒數(shù)量越高,這也說明低負荷時核膜態(tài)顆粒數(shù)量較多.而加裝FBC-DPF后的顆粒物中位直徑為41~98nm,平均增幅為38.2%.顆粒物粒徑越小對人體危害越大,越容易穿越人體鼻腔、口腔的阻攔進入肺泡甚至血液,因此,顆粒物中位直徑的增加也可以說明采用FBC-DPF后可以有效降低柴油機排放顆粒物對人體的危害.2.4fbc-dpf過濾性能的測試對3輛在用柴油車加裝了臺架試驗中使用的FBC-DPF,并對加裝FBC-DPF前、后顆粒物的排放進行檢測.試驗車輛所用柴油φ(硫)均為1.56×10－3.測試前3輛柴油車加裝FBC-DPF后運行了3個月,總計行駛里程均在5000km以上.試驗在底盤測功機上進行,按DB11ue4d4121—2010《在用柴油車加載減速法》進行試驗.為了全面和準確地評價FBC-DPF對排氣中顆粒物的過濾性能,測試分2次進行:第1次測試車輛帶FBC-DPF;第2次測試車輛拆除FBC-DPF.測試過程中,采用ELPI對車輛排氣中的顆粒物進行測試,取其平均值得到FBC-DPF對排氣中顆粒物的過濾效率.結果如表4所示.結果表明,3輛裝有FBC-DPF的樣車在高硫環(huán)境下經(jīng)過3個月5000km的使用,FBC-DPF對顆粒物排放仍可以起到顯著的降低作用,ρ(顆粒物)降幅均在94%以上,這說明其具有較好的耐硫性.3fbc-dpf對pahs粒徑分布的影響a)加裝FBC-DPF后排氣顆粒物粒徑分布大部分仍成單峰正態(tài)分布,經(jīng)過顆粒捕集器后顆粒的數(shù)濃度均有明顯降低,排放顆粒的最大數(shù)濃度仍出現(xiàn)在高轉速的大負荷區(qū)域,最小值出現(xiàn)在低轉速的低負荷區(qū)域.b)FBC-DPF對顆粒物的捕集效率平均值在95%以上,在低轉速區(qū)隨負荷升高捕集效率略有降低,在高轉速區(qū)對核膜態(tài)的顆粒物捕集效率較高.c)加裝FBC-DPF后PAHs的總比排放量明顯減少,在大負荷區(qū)域有25%~88%的減少,FBC-DPF對大負荷及中高轉速工況下的PAHs比排放總量降低效果比較顯著.d)加裝FBC-DPF前的顆粒物中位直徑為30~89nm,而加裝FBC-DPF后的顆粒物中位直徑為41~98nm,平均增幅為38.2%.圖1分別給出了加裝FBC-DPF前、后1400和2