粉末冶金微孔過濾器及其再生技術(shù)研究
2010/10/9 17:04:28
使用柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機排放的微粒(Particulate,縮寫PT),一般要比使用汽油作燃料的點燃式內(nèi)燃機多幾十倍。排放微粒的主要物質(zhì)是碳,其粒度一般小于0. 3μm,可深入人的肺部造成機械性超負荷,損傷肺內(nèi)各種通道的自凈機制,從而使其他化合物容易發(fā)揮致癌作用。碳粒還吸附有多種有機物質(zhì),具有不同程度的誘發(fā)和致癌作用。在柴油車較多的城市中,柴油機排放的微粒可使市內(nèi)光線受折射,使天空變暗。對于轎車和輕型車用的輕型柴油機,微粒排放量在0. 1~1. 0 g/km的數(shù)量級,對于重型車用的重型柴油機,微粒排放量在0. 1~1. 0 g/(kW·h)的數(shù)量級。車用柴油機排放微粒的凈化技術(shù)是微粒過濾器及其再生,已經(jīng)研究開發(fā)的體積過濾濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉繩或陶瓷纖維筒等疏松材料制成,表面過濾濾芯材料用蜂窩陶瓷,這些材料各有特點。本文提出了一種新的濾芯材料的使用———粉末冶金材料,并設(shè)計了粉末冶金微孔過濾器的再生結(jié)構(gòu)及方法。
排氣微粒的理化特性
柴油機排氣微粒[1]的組成取決于柴油機的運轉(zhuǎn)工況,尤其是排氣溫度.當排氣溫度超過約500℃時,排氣微?；旧鲜呛芏嗵假|(zhì)微粒的聚集體,稱為碳煙粒。當排氣溫度低于500℃時(柴油機絕大多數(shù)工況都是這樣)煙粒會吸附和凝聚多種有機物,稱為有機可溶成分(SolubleOrangic Fraction,縮寫SOF)。沿著柴油機的排氣管道和測試取樣系統(tǒng),可觀測到微粒粒度不斷增大,且由于存在于氣相中的有機化合物逐漸冷凝在微粒上,使其SOF含量增加。微粒中的SOF含有對健康和環(huán)境有害的成分,包括各種未燃碳化合物、含氧有機物和多環(huán)芳烴及其含氧和含氮衍生物等。
經(jīng)電子顯微鏡觀測表明,柴油機排氣微粒是一種由很多原生微球聚集而成的聚集體,這種聚集體可以包含103~104個微球體。這些微球體都是燃燒產(chǎn)生的碳粒,其直徑在10~100 nm數(shù)量級,但大多數(shù)在15~40 nm范圍內(nèi)。測得的微粒粒度大多在0. 02~1. 0μm范圍內(nèi),其體積平均粒度為0. 1~0. 3μm。微粒的表觀密度在0. 25~1. 0 kg/L范圍內(nèi),煙粒的實測比表面為200 m²/g左右,可見其結(jié)構(gòu)很疏松。
排氣微粒凈化技術(shù)及其特點分析
目前,比較可行的車用柴油機排氣微粒凈化技術(shù),還是微粒過濾器DPF[1](DieselParticulate Filter)。
微粒過濾器DPF
微粒過濾過程按濾芯結(jié)構(gòu)特征不同分為表面過濾型和體積過濾型兩種。
體積過濾型DPF主要用比較疏松的過濾體積容納微粒,濾芯是用泡沫陶瓷、鋼絲棉或陶瓷纖維筒等較疏松材料制成的,共同缺點是過濾效率、排氣阻力與外形尺寸之間有很大的矛盾,即在令人滿意的效率和可以接受的阻力下,外形尺寸顯得過大。
表面過濾型濾芯用比較密實的過濾表面阻擋微粒,一般單位體積的表面積很大,材料壁薄,既可獲得較高的過濾效率,又可具有較小的阻力。目前,公認成功的表面過濾型DPF濾芯是蜂窩陶瓷DPF,但濾芯形狀復雜,在很高的溫度和溫度梯度下易于損壞。
微粒過濾器DPF的再生
DPF只能把微粒從柴油機的排氣中過濾出來,沉積在濾芯內(nèi),它本身并不能清除微粒。清除DPF中積聚的微粒,以恢復到接近原先的低阻力特性,這個過程稱為DPF的再生。
已經(jīng)開發(fā)的有用丙烷或柴油作為燃料、用電點火的燃燒器來引發(fā)DPF的再生。柴油燃燒器應(yīng)用與柴油機相同的燃料,比較方便,但燃燒過程的組織比較困難,尤其啟起動時可能燃燒不良,引起二次污染;應(yīng)用丙烷作為燃燒器的燃料,容易保證完全燃燒,但需要單獨的高壓丙烷氣瓶。平均溫度在700~800℃,可以可靠點燃已沉積的微粒,但陶瓷濾芯因尺寸大再生周期延長,使濾芯過熱而易碎裂或熔融。
用電阻加熱器供熱也可使其再生,電阻加熱器由車載蓄電池供電。其一種結(jié)構(gòu)型式是把螺旋形電阻絲塞入蜂窩陶瓷濾芯進口一側(cè)的蜂窩,另一種結(jié)構(gòu)型式是采用回形電阻絲,布置在各蜂窩孔道的進口段。其電阻絲直接點燃微粒,DPF前部微粒燃燒的火焰隨著排氣氣流向DPF的尾部傳播,將整個通道內(nèi)的微粒燃燒完畢。用電阻加熱器供熱再生可避免采用復雜昂貴的燃燒器,同時電加熱可消除任何二次污染,但由于蜂窩陶瓷濾芯孔道數(shù)很多,這種結(jié)構(gòu)是十分復雜的。
粉末冶金微孔過濾器在柴油機上的應(yīng)用研究
粉末冶金微孔不銹鋼
自20世紀60年代,特別是80年代以來,國內(nèi)外材料工作者在金屬多孔材料方面做了大量的研究工作。研究發(fā)現(xiàn),金屬多孔材料除具有可焊性等基本的金屬屬性外,還由于大量的內(nèi)部空隙,使得金屬多孔材料表現(xiàn)出了諸多優(yōu)異的特性,如質(zhì)量輕、比表面積大、能量吸收性好、導熱率低(閉孔體)、換熱散熱能力高(通孔體)、吸聲性好(通孔體)、滲透性優(yōu)(通孔體)、電磁波吸收性好(通孔體)、阻焰、耐熱耐火、抗熱震、氣敏、能再生、加工性好等。近幾年來,人們也開展了抗腐蝕、耐高溫的鈦及三維通孔不銹鋼粉末冶金等多孔金屬材料的研究。多孔不銹鋼主要是采用加造孔劑的粉末冶金方法制備,也有的使用纖維燒結(jié)的方法,這兩種方法所制備的主要是微孔或閉孔的泡沫不銹鋼。
選用粒度小于44μm不銹鋼粉末作為原料,前驅(qū)體中漿料浸入量在0. 5 g/cm³左右, 1 260℃溫度下燒結(jié)30 min后制成三維通孔不銹鋼。圖1a, 1b, 1c為用該法制備的多孔不銹鋼表面孔洞的形貌照片及多孔材料內(nèi)部截面及孔壁結(jié)構(gòu)SEM圖[2],圖1a顯示了多孔不銹鋼表面均勻的孔洞分布及良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);從圖1b中可以看出多孔金屬內(nèi)部的孔洞分布也比較均勻,孔徑大小為1 mm左右,而且通孔性能良好,使多孔金屬具有較高的開孔孔隙度、比表面積和良好的透氣性能,這對于將材料用作為催化劑載體是非常有利的;以上條件下制備的不銹鋼泡沫材料也具有較高的力學性能,抗彎強度達到50MPa以上;圖1c為燒結(jié)試樣的孔壁結(jié)構(gòu)圖,多孔不銹鋼泡沫的強度主要就是依賴多孔體中各個相連接的孔壁。
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