添加fbc-dpf的柴油机颗粒物排放特性试验

添加fbc-dpf的柴油机颗粒物排放特性试验

屋顶层污染主要来自细粒和细粒1-2，细粒和细粒大多数用于非道路机械领域3-4。由于其可靠性和低油耗等优点，叶片在轻、重、车和非道路机械领域广泛使用5-15，但叶片中的nox和颗粒对环境、人类健康和人类健康都有很大的影响c.19。发动机排放的颗粒通常由100多颗蒸发和半蒸发物质形成，这些物质在碳核上可以分解，这会导致身体炎症、哮喘和室内疾病（主要是碳氢化合物的不完全燃烧）。此外，它对压力和副作用非常感兴趣。过渡器是降低颗粒排放的有效手段。然而，如果满足国家r或更高的排放规则的限制要求，则必须采用先进的处理技术25-27。例如，通过优化燃烧和降低排放，并配合scr（选择性控制和转化）技术，可以降低nox排放。或者降低焚烧温度以减少nox排放，并添加混有装置。dpf（先进的颗粒去除工艺，氧化催化剂）是目前公认的、效率最高的颗粒处理装置29。目前，由于中国大部分地区的柴油硫含量很高，因此一般的dpf诱导再生和连续再生技术很难实现30。国内主要的处理方法是在优化燃烧后安装scr。随着国内法规和减少饲料需求的增加，将dpf添加到一些不可避免的措施中。DPF的连续催化再生技术包括:1在过滤器载体表面涂覆含有贵金属元素的涂层,对捕集的颗粒物起分解作用从而有效降低过滤器再生温度;2在燃油中加入FBC(fuel-bornecatalyst,添加剂)［31］,FBC一般为可溶性的金属或金属盐［32］,其与颗粒共同沉积在DPF上,使颗粒捕集器上颗粒物的燃烧温度大幅下降,接近或达到正常排气温度,有效降低DPF再生温度.DPF的再生技术对燃油中硫含量比较敏感,要求是永恒低硫柴油.然而柴油中硫含量对FBC-DPF的性能基本没有影响,适于在硫含量较高的国家和地区使用［33］.该研究使用低硫柴油对加装了FBC-DPF的柴油机进行台架试验,对颗粒物粒径分布、捕集效率及其中固相PAHs的排放特性进行了研究;同时,对加装了FBC-DPF的3辆在用柴油车使用高硫柴油进行了5000km性能稳定性试验,以测试5000km后FBC-DPF的颗粒物捕集效率.1试验设备和方法1.1柴油及发动机负荷特性台架试验所用燃油为满足国Ⅳ标准要求的北京市市售柴油,实测硫含量(以φ计)为1.9×10－5,其基本参数如表1所示.颗粒捕集器的尺寸为Ф25.4cm×30.5cm,每m2表面上的孔数量为232500个,载体为SiC材料,无催化剂涂层,添加剂的主要成分为二茂铁,添加剂与燃油的体积比为1000∶1.5.柴油机型号为CA6DF3,主要参数如表2所示,所有稳态工况测试方法符合GB17961—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》［34］要求.选用ESC(Europeansteadystatecycle,欧洲稳态循环)中的A、B、C转速,分别为1390、1750、2110rue4d4min,并且增加了1200、1400、2300rue4d4min等转速,基本覆盖了发动机所有的转速范围.在台架试验台上对装有FBC-DPF的柴油机进行不同转速下的负荷特性试验.台架试验台包括测功机(DynasHT350,Schenck公司,德国)、进气流量计(SensyflowP,ABB公司,瑞士)、油耗仪(PLU4000,Pierburg公司,德国)、颗粒物在线分析系统与颗粒物采样系统.1.2设备和分析方法1.2.1颗粒分级与气体排放量的匹配颗粒物粒径分析设备采用DEKATI公司的ELPI(低压静电冲击式采样器),它主要由单级荷电器、多级冲击器和多通道静电计三部分组成.样气以10Lue4d4min进入单极荷电器进行充电,使颗粒带上电荷;然后进入多级冲击器,冲击器利用颗粒的惯性按空气动力学直径将0.03~10μm范围内的颗粒分级,ELPI可以将颗粒物按粒径分为12级,在第一级冲击器后加上一个滤纸即可将测量范围下延至7nm.每一级冲击器之间绝缘,由上面沉积得到的颗粒所带的电荷用静电计以电流的方式获得,再通过电流与电荷的关系得出每级冲击器上所获电流和颗粒物数浓度之间的关系.采用DEKATI的两级稀释系统对排气进行稀释,以避免排气中水分、颗粒的凝聚以及挥发性物质的过饱和成核现象［35］,并通过经油气、水气分离和高效微粒过滤后的压缩空气来稀释样气.初级稀释前压缩空气被加热至195℃,两级稀释总稀释比约为56.1.2.2纤维滤膜的浓缩采用玻璃纤维滤膜采集加装FBC-DPF前、后排气中的固相PAHs,采样后的玻璃纤维滤膜用20mL的二氯甲烷浸泡12~24h,然后将浸泡后的二氯甲烷溶液取出,放入水浴氮吹仪中浓缩至3mL,再加入10mL正己烷,浓缩定容至1mL.1.2.3pahs成分分析按USEPA(美国国家环境保护局)标准方法TO-13A用GCue4d4MS对前处理后的PAHs样品进行分析［36］.采用微量进样器进行手动进样,每次进样量为1μL.注射样品前后,注射针头需用淋洗液(二氯甲烷和正己烷混合液)进行清洗.由于PAHs种类多,成分复杂,全部检测几乎不可能.该研究选择USEPA规定的16种PAHs优先污染物进行检测和定量分析,即萘(Nap)、苊烯(Acpy)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(PA)、蒽(Ant)、荧蒽(FL)、芘(Pyr)、苯并[a]蒽(BaA)、(CHR)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(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).采用选择离子模式(selectedionmonitoring,SIM)进行检测,并用峰面积外标法对样品中的PAHs进行定量分析.2hpc-dpf对颗粒排放特性的影响2.1fbc-dpf和核膜态颗粒物在低转速和高速负荷区域中的捕集效率m在2300r/min低负荷时,出现了核膜态的颗粒物数量峰值.核膜态颗粒主要由挥发性物质和硫化物构成.究其原因,是燃烧温度较低和高转速使气缸内排气中的挥发性物质难以充分氧化,并且挥发性物质和硫化物由于高转速导致没有充分时间附着于碳核表面因而被直接排出.加装FBC-DPF后颗粒物排放的最大数浓度仍出现在高转速的大负荷区域,最小值出现在低转速的低负荷区域,各粒径范围内数浓度均有大幅降低.FBC-DPF对颗粒物的捕集效率如图2所示.由图2可见,所有工况不同粒径下的颗粒物捕集效率均在80%以上.在1400rue4d4min下FBC-DPF对颗粒物捕集效率平均值达到98.8%,在2300r/min下捕集效率平均值为93.7%,略低于前者.在1400rue4d4min下,随着负荷升高和粒径的增大,FBC-DPF对颗粒物捕集效率略有降低,在20%和50%负荷下FBC-DPF对颗粒物的捕集效率均在98%以上,在100%负荷下的捕集效率也有93.1%~98.9%.在2300r/min下,FBC-DPF对核膜态的颗粒物捕集效率较高,平均值为96.8%;而在70~770nm范围内捕集效率较低,并且捕集效率随负荷的升高而增加,对积聚态颗粒物捕集效率平均值为86.3%.整体来说,FBC-DPF对颗粒物的捕集效果显著,1400和2300r/min下捕集效率平均值均在95%以上,这与Harlé等［38］的研究结果相一致.2.2总比排放量在fbc-dpf的影响图3是ESC工况A、B、C转速下的加装FBC-DPF前、后PAHs的总比排放量的负荷特性分布.由图3可知,加装FBC-DPF后固相PAHs的总比排放量明显减少.究其原因,可能是FBC-DPF捕集了大部分的颗粒物,使依附在颗粒物上的PAHs也随之减少所致.在不同转速下,PAHs的总比排放量随负荷的增加变化规律不明显,但在大负荷区域,不同转速下PAHs的总比排放量均有所降低.在1390rue4d4min中、小负荷工况下,PAHs的总比排放量在加装FBC-DPF后有所增加,增幅为13%~98%.这是由于在较低转速和中、低负荷下,排气管空间内由于排气流量和排气温度较低,使得一些排气中的PAHs分子有更多时间接触颗粒物并附着在其表面,而且排气温度较低,不利于PAHs分子的挥发,致使颗粒物中PAHs排放增加.在大负荷工况下,PAHs总比排放量在加装FBC-DPF后明显降低,其降幅在69%~88%之间.在中、小负荷工况下,1750rue4d4min时PAHs总比排放量在FBC-DPF后的降幅较小;而大负荷工况下的降幅(25%~88%)较大.在2110rue4d4min时,除在10%负荷处有4%左右的小幅增加外,其他负荷下均降幅较大,约为50%~65%.FBC-DPF对大负荷及中、高转速工况下的PAHs总比排放量降低效果较显著.图4为在1200、1390、1750、2110、2300r/min下全负荷(100%)工况下PAHs中各物质比排放量对比.由图4可见,在全负荷工况下,加装FBC-DPF后PAHs中的大部分物质的比排放量均明显低于FBC-DPF前.在加装FBC-DPF前、后,萘、菲和芘均是PAHs排放中相对含量较高的3种物质,三者分别占PAHs总比排放量的23.6%、17.1%、18.2%,总计为58.9%.在加装FBC-DPF后,除部分转速下苊烯、苯并[a]蒽等物质的比排放量有所增加外,其他物质的比排放量均减少,约为15%~90%.PAHs中大量物质均对人体健康有害,其中苯并[a]芘更是具有强烈的致癌作用［24，39］,在加装FBC-DPF后其比排放量平均减少了54.7%.2.3fbc-dpf法表3给出了不同工况下加装FBC-DPF前、后颗粒物的中位直径(CMD)及其标准偏差.中位直径是累积百分比为50%时所对应的粒子直径,是表达微粒粒径的一个重要参数.对于服从对数正态分布的微粒,其中位直径(u)等于几何平均直径(dg).由于柴油机排放的颗粒物粒径分布近似于对数正态分布,因此,颗粒物的dg及其相应标准偏差可按下式计算:式中,di为ELPIi级的切割直径,σ为相应的几何标准差.加装FBC-DPF前的颗粒物中位直径为30~89nm,所有转速下颗粒物的中位直径均呈随负荷增加而增大的趋势;中位直径越大则说明颗粒物中核膜态颗粒数量越高,这也说明低负荷时核膜态颗粒数量较多.而加装FBC-DPF后的颗粒物中位直径为41~98nm,平均增幅为38.2%.颗粒物粒径越小对人体危害越大,越容易穿越人体鼻腔、口腔的阻拦进入肺泡甚至血液,因此,颗粒物中位直径的增加也可以说明采用FBC-DPF后可以有效降低柴油机排放颗粒物对人体的危害.2.4fbc-dpf过滤性能的测试对3辆在用柴油车加装了台架试验中使用的FBC-DPF,并对加装FBC-DPF前、后颗粒物的排放进行检测.试验车辆所用柴油φ(硫)均为1.56×10－3.测试前3辆柴油车加装FBC-DPF后运行了3个月,总计行驶里程均在5000km以上.试验在底盘测功机上进行,按DB11ue4d4121—2010《在用柴油车加载减速法》进行试验.为了全面和准确地评价FBC-DPF对排气中颗粒物的过滤性能,测试分2次进行:第1次测试车辆带FBC-DPF;第2次测试车辆拆除FBC-DPF.测试过程中,采用ELPI对车辆排气中的颗粒物进行测试,取其平均值得到FBC-DPF对排气中颗粒物的过滤效率.结果如表4所示.结果表明,3辆装有FBC-DPF的样车在高硫环境下经过3个月5000km的使用,FBC-DPF对颗粒物排放仍可以起到显著的降低作用,ρ(颗粒物)降幅均在94%以上,这说明其具有较好的耐硫性.3fbc-dpf对pahs粒径分布的影响a)加装FBC-DPF后排气颗粒物粒径分布大部分仍成单峰正态分布,经过颗粒捕集器后颗粒的数浓度均有明显降低,排放颗粒的最大数浓度仍出现在高转速的大负荷区域,最小值出现在低转速的低负荷区域.b)FBC-DPF对颗粒物的捕集效率平均值在95%以上,在低转速区随负荷升高捕集效率略有降低,在高转速区对核膜态的颗粒物捕集效率较高.c)加装FBC-DPF后PAHs的总比排放量明显减少,在大负荷区域有25%~88%的减少,FBC-DPF对大负荷及中高转速工况下的PAHs比排放总量降低效果比较显著.d)加装FBC-DPF前的颗粒物中位直径为30~89nm,而加装FBC-DPF后的颗粒物中位直径为41~98nm,平均增幅为38.2%.图1分别给出了加装FBC-DPF前、后1400和2