粉末冶金微孔过滤器及其再生技术研究

来源：发布时间：2014-07-15 12:16:12点击率：

　使用柴油作燃料的压燃式内燃机排放的微粒(Particulate,缩写PT),一般要比使用汽油作燃料的点燃式内燃机多几十倍。排放微粒的主要物质是碳,其粒度一般小于0. 3μm,可深入人的肺部造成机械性超负荷,损伤肺内各种通道的自净机制,从而使其他化合物容易发挥致癌作用。碳粒还吸附有多种有机物质,具有不同程度的诱发和致癌作用。在柴油车较多的城市中,柴油机排放的微粒可使市内光线受折射,使天空变暗。对于轿车和轻型车用的轻型柴油机,微粒排放量在0. 1~1. 0 g/km的数量级,对于重型车用的重型柴油机,微粒排放量在0. 1~1. 0 g/(kW·h)的数量级。车用柴油机排放微粒的净化技术是微粒过滤器及其再生,已经研究开发的体积过滤滤芯用泡沫陶瓷、钢丝棉绳或陶瓷纤维筒等疏松材料制成,表面过滤滤芯材料用蜂窝陶瓷,这些材料各有特点。本文提出了一种新的滤芯材料的使用———粉末冶金材料,并设计了粉末冶金微孔过滤器的再生结构及方法。

　1、排气微粒的理化特性
　　柴油机排气微粒[1]的组成取决于柴油机的运转工况,尤其是排气温度.当排气温度超过约500℃时,排气微粒基本上是很多碳质微粒的聚集体,称为碳烟粒。当排气温度低于500℃时(柴油机绝大多数工况都是这样)烟粒会吸附和凝聚多种有机物,称为有机可溶成分(SolubleOrangic Fraction,缩写SOF)。沿着柴油机的排气管道和测试取样系统,可观测到微粒粒度不断增大,且由于存在于气相中的有机化合物逐渐冷凝在微粒上,使其SOF含量增加。微粒中的SOF含有对健康和环境有害的成分,包括各种未燃碳化合物、含氧有机物和多环芳烃及其含氧和含氮衍生物等。
　　经电子显微镜观测表明,柴油机排气微粒是一种由很多原生微球聚集而成的聚集体,这种聚集体可以包含103~104个微球体。这些微球体都是燃烧产生的碳粒,其直径在10~100 nm数量级,但大多数在15~40 nm范围内。测得的微粒粒度大多在0. 02~1. 0μm范围内,其体积平均粒度为0. 1~0. 3μm。微粒的表观密度在0. 25~1. 0 kg/L范围内,烟粒的实测比表面为200 m²/g左右,可见其结构很疏松。

　2、排气微粒净化技术及其特点分析
　　目前,比较可行的车用柴油机排气微粒净化技术,还是微粒过滤器DPF(DieselParticulate Filter)。
　　2. 1　微粒过滤器DPF　　微粒过滤过程按滤芯结构特征不同分为表面过滤型和体积过滤型两种。
　　体积过滤型DPF主要用比较疏松的过滤体积容纳微粒,滤芯是用泡沫陶瓷、钢丝棉或陶瓷纤维筒等较疏松材料制成的,共同缺点是过滤效率、排气阻力与外形尺寸之间有很大的矛盾,即在令人满意的效率和可以接受的阻力下,外形尺寸显得过大。
　　表面过滤型滤芯用比较密实的过滤表面阻挡微粒,一般单位体积的表面积很大,材料壁薄,既可获得较高的过滤效率,又可具有较小的阻力。目前,公认成功的表面过滤型DPF滤芯是蜂窝陶瓷DPF,但滤芯形状复杂,在很高的温度和温度梯度下易于损坏。
　　2. 2　微粒过滤器DPF的再生
　　DPF只能把微粒从柴油机的排气中过滤出来,沉积在滤芯内,它本身并不能清除微粒。清除DPF中积聚的微粒,以恢复到接近原先的低阻力特性,这个过程称为DPF的再生。
　　已经开发的有用丙烷或柴油作为燃料、用电点火的燃烧器来引发DPF的再生。柴油燃烧器应用与柴油机相同的燃料,比较方便,但燃烧过程的组织比较困难,尤其启起动时可能燃烧不良,引起二次污染;应用丙烷作为燃烧器的燃料,容易保证完全燃烧,但需要单独的高压丙烷气瓶。平均温度在700~800℃,可以可靠点燃已沉积的微粒,但陶瓷滤芯因尺寸大再生周期延长,使滤芯过热而易碎裂或熔融。
　　用电阻加热器供热也可使其再生,电阻加热器由车载蓄电池供电。其一种结构型式是把螺旋形电阻丝塞入蜂窝陶瓷滤芯进口一侧的蜂窝,另一种结构型式是采用回形电阻丝,布置在各蜂窝孔道的进口段。其电阻丝直接点燃微粒,DPF前部微粒燃烧的火焰随着排气气流向DPF的尾部传播,将整个通道内的微粒燃烧完毕。用电阻加热器供热再生可避免采用复杂昂贵的燃烧器,同时电加热可消除任何二次污染,但由于蜂窝陶瓷滤芯孔道数很多,这种结构是十分复杂的。

　3、粉末冶金微孔过滤器在柴油机上的应用研究
　　3.1　粉末冶金微孔不锈钢
　　自20世纪60年代,特别是80年代以来,国内外材料工作者在金属多孔材料方面做了大量的研究工作。研究发现,金属多孔材料除具有可焊性等基本的金属属性外,还由于大量的内部空隙,使得金属多孔材料表现出了诸多优异的特性,如质量轻、比表面积大、能量吸收性好、导热率低(闭孔体)、换热散热能力高(通孔体)、吸声性好(通孔体)、渗透性优(通孔体)、电磁波吸收性好(通孔体)、阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏、能再生、加工性好等。近几年来,人们也开展了抗腐蚀、耐高温的钛及三维通孔不锈钢粉末冶金等多孔金属材料的研究。多孔不锈钢主要是采用加造孔剂的粉末冶金方法制备,也有的使用纤维烧结的方法,这两种方法所制备的主要是微孔或闭孔的泡沫不锈钢。
　　选用粒度小于44μm不锈钢粉末作为原料,前驱体中浆料浸入量在0. 5 g/cm³左右, 1 260℃温度下烧结30 min后制成三维通孔不锈钢。图1a, 1b, 1c为用该法制备的多孔不锈钢表面孔洞的形貌照片及多孔材料内部截面及孔壁结构SEM图,图1a显示了多孔不锈钢表面均匀的孔洞分布及良好的网状结构;从图1b中可以看出多孔金属内部的孔洞分布也比较均匀,孔径大小为1 mm左右,而且通孔性能良好,使多孔金属具有较高的开孔孔隙度、比表面积和良好的透气性能,这对于将材料用作为催化剂载体是非常有利的;以上条件下制备的不锈钢泡沫材料也具有较高的力学性能,抗弯强度达到50MPa以上;图1c为烧结试样的孔壁结构图,多孔不锈钢泡沫的强度主要就是依赖多孔体中各个相连接的孔壁。
　　3.2、过滤机理
　　采用镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)等材料,使用粉末冶金技术可制成微孔过滤器。其基本技术参数:
　　使用温度: 850&pmn;50℃
　　系统阻力: 800~2 800 Pa
　　除尘效率: 99. 5%
　　使用粉末冶金微孔过滤器,当含微粒气体单向通过微孔过滤器时,其微粒过滤机理主要有下列几种:
　　①截留　粒子到微孔的距离小于粒子的半径时,流动过程中被微孔所捕获;

　　②在微孔附近气流流线发生弯曲,由于粒子的惯性,粒子将不随从流线的弯曲而射向微孔材料并沉降在其表面,显然随粒子直径的增大和气流速度的增加,惯性沉降作用也随之增大;
　　③扩散沉降　由于布朗运动,粒子的运动轨迹不与气体流线一致,粒子从气流中可以扩散到粉末冶金微孔材料上并沉降在其表面,粒子直径越小,布朗运动越显著,扩散沉降效率也增加;
　　④重力沉降　由于重力影响,粒子有一定的沉降速度,结果粒子的轨迹偏离气体流向,从而接触到粉末冶金微孔材料表面而沉降;
　　⑤静电沉降　粉末冶金微孔材料中的金属微粒和流经过滤器的粒子都可能带电荷,由于电荷间库仑力的作用,也同样可以发生粒子在微孔材料表面的沉降。

　　在正常过滤速度下,该项阻力一般和过滤气体速度呈较线性的关系,如图2中的曲线4所示。
　　清洁状态时过滤器的阻力是指未过滤微尘前的阻力,由于设计的气流速度,属于气体的黏性流动区,其阻力与流速成正比,见图2中的曲线2所示。
　　过滤器过滤微粒后,其上沉积有粉尘,从而产生附加的阻力,其阻力大小与微粒的厚度与性质有关,如图2中曲线3所示。

　　在柴油机排气管道里设置通孔粉末冶金微孔过滤器对排气进行过滤收集排气烟粒,根据过滤器前后的压差,进行烟粒厚度的识别,接着进行运行的在线再生工作。
　　3.4　再生控制设计
　　由于粉末冶金微孔过滤器具有良好的导电特性,所以采用电涡流发热进行再生,使得其结构简单,且易控制。
　　3. 4. 1　涡流再生发热的原理设计
　　在一根导体外面绕上线圈,并把线圈通交流电,那么线圈就产生交变磁场,导体内会产生感应电动势。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合回路,所以在导体的圆周方向会产生感应电流,电流的方向沿导体的圆周方向转圈,就象一圈圈的漩涡,所以这种情况下产生的感应电流被称为涡电流。涡流与普通电流一样要放出焦耳热,利用涡流的热效应进行加热的方法称为感应加热。

　　由此可知:涡电流强度与交变电流的频率成正比,交变电流频率越高则发热越多。因此可以通过调节交流电的大小来控制涡电流的大小,从而控制粉末冶金微孔过滤器的外部温度以实现再生。
　　利用柴油机上电源并设置一控制电路,可以实现微孔过滤器线圈的通电。
　　这种方法的优点是电流易于控制,从而温度易于控制,再生速度能够提高。
　　3. 4. 2　再生控制结构及原理设计
　　粉末冶金微孔过滤器涡流再生控制的设计思想如图3所示。
　　在发动机排气管道设置两个通道,每个通道安装一套粉末冶金微孔过滤器及其再生装置,其中包括温度传感器、压力传感器及涡流再生微孔过滤器。
　　其过滤再生原理设计是:　　根据排气道压力差的大小决定是否启动涡流再生系统,根据微孔过滤器温度的高低决定通电时间的大小、次数及涡流频率,即控制涡流发热量的程度,烧去过滤器内的沉积排气微粒。

　4、小结
　　本文在分析目前柴油机微粒过滤器的特点及再生技术的基础上,提出了用粉末冶金材料作为柴油机微粒过滤器的过滤材料,并设计了粉末冶金微孔过滤器的涡流再生结构及原理。它具有以下特点:
　　1)通孔粉末冶金微孔过滤器系统允许阻力大,过滤能力强;
　　2)再生是采用在粉末冶金微孔过滤器上设置导线,按照排气道压力差大小的方式控制涡流的大小进行,这种方式易布置及实现、电流大小易控制、再生速度能够提高且粉末冶金微孔过滤器不会因热量而破碎、电加热不会产生二次污染等特点,比蜂窝陶瓷过滤器有更强的适应性;
　　3)采用两套并联的通孔粉末冶金微孔过滤器及再生装置避免了过滤器过大。　　目前,该设计方案在学院和企业正联合进行试制、试验,并根据其结果确定下一步工作。

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